永磁同步电机PI参数自整定

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南京航空航天大学硕士学位论文
摘
要
随着电力电子技术、微处理技术、稀土永磁材料、半导体技术、控制理论和电机技术的飞 速发展，永磁同步电机（以下简称 PMSM）以其体积小、气隙磁通密度大、转矩容量比和转矩 惯量比高以及没有转子励磁损耗等优点，已经逐渐成为了伺服系统电机选型的“主流”[1]。 矢量控制策略的提出和发展使得永磁同步电机的控制性能有了进一步的提高，PMSM 矢量 控制系统结构一般采用内外环双环结构，内环实现快速电流控制，外环实现速度控制。内外环 调节器一般均采用算法简单、稳态性能好、可靠性高的 PID 调节器。PID 调节器的性能取决于 PID 调节器的参数， 因此， 高性能伺服驱动系统应具有控制器参数自整定功能。 本文针对 PMSM 交流伺服系统 PI 参数自整定展开了研究。 首先，本文分析了面贴式 PMSM 的数学模型，阐述了系统的矢量控制策略，确定了 id = 0 的电流控制方案，然后基于系统的控制框图，在 MATLAB/Simulink 环境下搭建了基于矢量控 制策略的 PMSM 交流伺服系统的仿真模型。 其次，本文分离线式和在线式两部分介绍了几种 PI 参数自整定方法，通过分析各方案优缺 点，选择了遗传算法对 PMSM 伺服系统速度环和电流环 PI 参数进行离线自整定，采用模糊 PI 调节器对速度环 PI 参数在线自整定。然后通过在 MATLAB 中对这两种方案建模仿真，验证了 算法的可行性。 最后本文在一台 2.3kW 的 PMSM 交流伺服平台上完成了系统的实验，在以 Freescale 公司 的高性能 DSP 芯片 MC56F8346 为核心的软硬件环境中编写了遗传算法和模糊 PI 调节器的程序 对 PMSM 伺服系统 PI 参数的离线和在线整定进行实验研究。实验结果验证了算法的可行性， 将使用遗传算法离线整定的 PI 参数应用到系统中，系统速度响应迅速，稳态精度好；使用模糊 逻辑在线整定速度环 PI 参数，使 PMSM 伺服系统对系统参数摄动具有较好的鲁棒性。 关键词：高性能，永磁同步电机，伺服系统，矢量控制，模糊 PI，遗传算法，鲁棒性，自适应， 参数自整定
The PI Parameters self-turning for PMSM servo system
A Thesis in Electrical Engineering By Ding Wenshuang Advised by Professor Hu Yuwen Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering
1.1.1 1.1.2 1.1.3 伺服系统的发展概述 ................................................................................................................ 1 交流伺服系统的发展现状 ........................................................................................................ 1 伺服系统的发展趋势 ................................................................................................................ 4
March, 2012
承诺书
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中图分类号：TM351 学科分类号：080804
论文编号： 1028703 12-S140
硕士学位论文
永磁同步电机 PI 参数自整定
研究生姓名 学科、专业 研究方向 指导教师
丁文双 电机与电器 电机控制 胡育文 教授
南京航空航天大学
研究生院 自动化学院
二 О 一二年三月
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Automation
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永磁同步电机 PI 参数自整定
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Abstract
With the rapid development of power electronic technology, the microprocessing technology, rare earth permanent magnet materials, semiconductor technology, control theory and motor technology, The Permanent magnet synchronous motor which has many advantages such as small size, big air gap flux density, big ratio of torque capacity and high efficiency has gradually become the mainstream of motor selection for servo system. The Vector Control strategy and its development makes the permanent magnet synchronous motor control performance improved significantly. The structure of PMSM vector control system usually employ tow nested loops, with the inner loop implement the fast current control and the outer loop realizes the speed adjust. The inner and outer loop controllers generally adopt PID regulator for its simplicity, stable performance and high reliability. The performance of the PID regulator depends on the parameters of the PID regulator. Therefore, high-performance servo drive system should have the self-tuning function of the controller parameters. This paper focuses on the research of self-tuning PI parameters for the PMSM servo system. Firstly, Surface Mounted PMSM mathematical model is analyzed, control strategies are elaborated, the id = 0 current control scheme is determine, then simulation model of the PMSM AC servo System based on vector control strategies is built using control block diagram of the system based on MATLAB / Simulink environment. Secondly, the article introduced several PI parameter tuning method by classifying them into offline and online two parts. By analyzing the advantages and disadvantages of each program, the paper selects a genetic algorithm for PMSM servo system speed loop and current loop PI parameters for offline self-tuning, and uses on-line self-tuning fuzzy PI regulator to tune the speed loop PI parameters on line. The feasibility of both methods are verified through MATLAB modeling and simulation. Finally, system experiments are finished in a 2.3kW PMSM SERVO platform, genetic algorithms and fuzzy PI regulator program are written in the hardware and software environment with the Freescale's high performance DSP chip MC56F8346 as the core of to PMSM servo system. Experimental results demonstrate the feasibility of the algorithm : using the genetic algorithm offline tuning of PI parameters improves system speed response, steady state accuracy; using the fuzzy logic on-line tuning for the speed loop makes the system more robust than the traditional system when disturbance appears.
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永磁同步电机 PI 参数自整定
目
录
第一章 绪论........................................................................................................................................... 1 1.1 课题背景 .................................................................................................................................... 1
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南京航空航天大学硕士学位论文 Keywords: high performance, permanent magnet synchronous motor, servo system, vector control, fuzzy PI, genetic algorithm, robustness, adaptiation, Parameters self tuning