基于FPGA的永磁同步电机控制系统设计
这是一篇关于永磁同步电机,FPGA,HDL代码生成,滑模控制,无差拍预测电流控制的论文, 主要内容为永磁同步电机凭借其体积小、结构简单和功率密度高等优点广泛应用于工业制造、新能源汽车和家用电器等领域。永磁同步电机矢量控制系统中通常采用PI控制实现速度环与电流环的双闭环控制,通过合适的PI参数选取,控制系统可以做到快速且无静差的调速效果。但随着永磁同步电机的应用领域的扩展,在复杂多变的工作环境中传统的PI控制难以满足控制的需要。近年来永磁同步电机的控制算法得到了快速发展,新型算法的出现提高了系统的性能但也对控制系统所使用的芯片具有更高的要求。FPGA运算速度快、接口灵活且可重复编程,符合复杂算法对控制芯片的要求。随着FPGA价格的降低及性能的提高,FPGA已在电机控制领域得到了广泛应用。因此使用FPGA对新型控制算法进行实现有助于永磁同步电机控制系统的发展。首先本文通过分析多种非线性控制方法的特点,选取滑模控制与无差拍预测电流控制分别代替传统矢量控制中速度环与电流环采用的PI控制。考虑到复杂的数学函数不易在FPGA中实现,选择趋近率法作为滑模控制器的改进方向。在对滑模控制原理进行分析的基础上,针对传统趋近率法中的指数趋近率进行改进,设计出速度环控制器。推导无差拍预测电流控制算法设计出电流环控制器。选取MATLAB/Simulink为仿真平台,对控制系统进行建模并分析仿真结果。接着使用基于Simulink模型的HDL代码生成方法对所设计的系统进行代码生成。该方法能够加快FPGA的开发效率,但对模型具有一定的要求。因此在代码生成前先对系统模型进行修改。修改包括两个方面,其一是使模型符合Simulink中HDL代码生成的要求,其二是对模型进行简化以减少FPGA的计算量。详细介绍重新设计的载波生成模块、脉宽调制模块和求导功能模块的设计原理。通过仿真将修改后的系统模型与未修改前的系统模型进行速度响应对比,结果表明修改后的模型保持住了原系统模型的调速性能。在此基础上对修改后的模型进行定点化处理并介绍使用“HDL Workflow Advisor”功能生成HDL代码的步骤。最后搭建硬件实验平台,进行给定转速的电机空载实验,并对实验结果进行分析,结果表明所设计的永磁同步电机控制系统虽存在一些不足但能够完成基本的调速功能,验证了所设计的系统具有一定的可行性。
永磁同步电机驱动器设计与控制算法研究
这是一篇关于永磁同步电机,伺服驱动器,磁场定向控制,无传感器控制,高频信号注入法的论文, 主要内容为本课题来源于课题组承担的“穿梭车直流驱动器设计”项目,需要设计一款用于仓储式四向穿梭车的永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)驱动器。四向穿梭车受其内部空间以及工作环境的影响,对电机驱动器有特殊的要求,因此设计一款专用型的PMSM驱动器非常有意义。本文的主要研究工作如下。首先设计了PMSM的驱动器硬件平台,主要包括控制器、逆变器、辅助电源、通信模块、采样和保护模块组成。控制器采用STM32F407系列微处理器,其强大的计算能力能够保证电机控制对实时性的要求。在保证基本的电机控制功能的前提下,加入硬件保护和通信接口提高整个系统的运行稳定性以及扩展能力。随后基于Free RTOS实时操作系统开发用于本驱动器平台的专用控制程序,采用多线程的程序结构,各线程间由Free RTOS内核基于优先级调度策略进行调度,实现对系统资源的合理分配。控制策略采用磁场定向控制,由于其简单高效,易于数字化实现等优点,成为电机控制领域应用最为广泛的控制策略。为了进一步提高驱动器系统的稳定性,对基于高频信号注入法的无传感器控制方法进行理论研究。提出一种采用改进的幅值观测器和扩张状态观测器配合来观测电机转子位置和转速的新方法。新方法解决了传统方法中利用锁相环来观测转速所带来的带宽受限、动态性能较差的问题,并利用simulink仿真验证了新方法的可行性。本课题利用项目为切入口,针对PMSM控制领域在硬件平台设计、控制策略软件实现以及控制算法研究方向展开工作。通过本文的工作,设计完成一款PMSM驱动器原型机,并开发出一种新的无传感器控制方法,为该项目的继续开展奠定了基础。
基于MBD开发方法的永磁同步电机伺服系统研究
这是一篇关于永磁同步电机,伺服系统,复合控制,滑模控制,基于模型设计的论文, 主要内容为随着电气自动化的不断发展,伺服系统已从最早的液压、气压伺服系统转变成了电机伺服系统。作为运动控制系统执行机构的重要组成部分,伺服系统性能的好坏成为衡量整个控制系统性能好坏的重要指标。以协作机器人为例,在医疗、3C电子制造、金属加工等行业都要求协作机器人有着快速响应、高控制精度、抗扰动能力强等优点。协作机器人的关节模组大部分是依靠体积小、精度高的永磁同步电机来驱动的,这就要求永磁同步电机伺服系统具有更高的控制性能。本课题以应用于协作机器人关节模组的永磁同步电机为研究对象,提出了使用内模控制进行PI参数整定的复合控制策略和基于负载观测器的积分终端滑模控制策略来提高伺服系统的性能,同时采用基于模型设计(MBD)的开发方法对永磁同步电机伺服系统进行软件开发,解决了传统电机伺服系统开发周期长、效率低的问题。本文主要研究内容如下:(1)为了解决传统三环PI控制方法已不能满足伺服系统响应快、精度高和超调小的问题,将复合控制策略应用到伺服系统中。先在速度环和电流环引入位置前馈函数,再在位置环负反馈回路添加微分项,构成复合控制系统,并根据系统的闭环传函,推导出具体的前馈函数。同时,为了解决传统PI控制器参数整定过程中易受较多电机参数影响的问题,使用内模控制策略对PI控制器参数进行整定。最后,仿真验证了使用内模控制进行PI参数整定的复合控制策略能够提高伺服系统的控制性能。(2)为了进一步提高伺服系统的控制性能,将滑模控制策略应用到伺服系统中。将位置环和速度环看作一个回路,使用积分终端滑模面和改进后的指数趋近律,设计了位置-速度环的积分终端滑模控制器,简化了系统结构。同时,为了提高伺服系统的抗扰动能力,使用带状态反馈误差微分项的负载转矩观测器来观测负载变化,并将观测值前馈补偿到积分终端滑模控制器中。最后,仿真验证了基于负载观测器的积分终端滑模控制策略能够进一步提高系统响应速度、跟踪精度和抗扰动能力,并减小了系统超调量。(3)为了提高伺服系统软件开发效率,将MBD的开发方法应用到伺服系统软件开发中。在MATLAB/Simulink中搭建能够生成代码的伺服系统离散模型,并对模型进行验证。验证满足要求后,使用Embedded Coder工具箱将模型生成可用于硬件产品的嵌入式C代码,并对代码进行软件在环测试和处理器在环测试。测试完成后,在伺服系统研究平台上进行快速控制原型实验,实验验证了本文提出的控制策略能够提高伺服系统的性能,同时也体现了使用MBD方法开发软件的高效性。
永磁同步电机状态检测试验平台开发
这是一篇关于永磁同步电机,固有电气参数,状态评估,试验平台,测控软件的论文, 主要内容为近年来,国内外积极开展永磁同步电机的研究工作,并取得了不俗的研究成果。永磁同步电机具有高效、高性能、低噪音等优点被广泛认为是未来电机方面的发展趋势。随着轨道列车技术的不断发展,永磁同步牵引电机在轨道列车中的应用范围也越来越广泛,但目前国内对永磁同步电机状态检测工作的研究较为薄弱,缺乏有效的电机状态检测方法和评判标准。对此,本文针对检修后永磁同步电机能否装车问题,提出一套简单方便的检修后电机状态检测和评判的方法,对列车检修部门提供一定的帮助。针对检修后的永磁同步电机能否装车问题,对检修后电机提出机械性能状态、典型工况运行参数、固有电气参数的评判方法。根据所提出的评判方法,本文对检修后永磁同步电机的典型工况运行参数和固有电气参数的检测试验进行设计。根据提出的状态检测试验,结合试验环境,对此设计了能量互馈式永磁同步电机状态检测平台,并利用SIEMENS S7-300 PLC、SIEMENS S120变频系统、安川变频器、上位机和各种传感器等设备搭建通用性和模块化的试验平台,满足对检修后机械性能符合要求的永磁同步电机的典型工况运行参数和固有电气参数的检测需求,并将电机的固有电气参数进行辨识。根据试验结果从而实现对检修后电机状态进行综合性评判。试验平台的搭建包括平台动力结构、陪试系统、被试系统的设计和搭建,STEP7中的程序的编写和STARTER软件的调试实现硬件之间的通信,利用Lab VIEW对平台的控制系统和采集系统进行设计和开发。试验平台硬件的搭建能够满足电机状态检测的要求,且资源利用率高。试验平台测控程序的开发应具有一定的模块化和通用性,改变其接口模块的程序即可实现在其它平台上使用。本文提出的对检修后永磁同步电机状态的评判和检测方法,以及试验平台的构思、硬件搭建、软件开发和各模块之间的通信等研究具有一定的通用性,对永磁同步电机状态检测工作和试验平台搭建的研究者提供了些许的借鉴。
电动助力制动系统控制器设计及其控制策略研究
这是一篇关于电动助力制动系统,制动控制策略,基于模型设计,永磁同步电机的论文, 主要内容为随着能源、环保问题的日益突出和技术的快速发展,电动化和智能化成为汽车发展的主流方向。传统的真空助力制动器无法满足智能驾驶需求,因此电动助力制动系统应运而生。本文以电动助力制动系统为研究对象,对其控制策略进行了研究,同时还设计了制动系统控制器的硬件电路板和软件程序,最后进行了台架试验,试验结果证实了所设计控制策略和控制器方案的有效性和实用性,对实现电动助力制动系统功能,促进其在工程实际中应用具有重要的指导意义。本文的主要研究内容如下:第一,搭建了电动助力制动系统动力学模型。首先简要介绍了电动助力制动系统,了解其各部分组成与工作原理。为使所设计的电动助力制动系统方案满足智能驾驶的需求并深入探究其构成与功能原理,对主要部分的永磁同步电机、传动机构、制动主缸和制动轮缸等进行了详细分析,并对其进行动力学建模,便于后续搭建仿真模型,从而验证设计的控制策略。第二,设计电动助力制动系统的控制策略。电机的基础控制策略使用矢量控制,并设计了基于电机转角、转速和电流的三闭环PI控制方案。为了提高电机在高速运行区的性能,在控制方案中引入电流前馈补偿。同时为了提高电机的转速,充分利用电机的性能,为其设计了弱磁扩速算法。为实现助力功能,设计了一种基于踏板位移传感器的快速识别驾驶员制动意图的助力控制策略,简化了复杂的识别算法,具有良好的实时性。为满足智能驾驶对于主动制动的要求,设计了主缸压力闭环控制的主动制动控制策略,并在MATLAB/Simulink中进行仿真试验,验证所设计方案的精度和动态响应性能。第三,对电动助力制动系统控制器的硬件和软件进行了设计。硬件部分主要对控制器的电源电路、预驱动电路、采样电路、逆变电路和通讯电路等部分进行了设计,并对电路板设计中元件的布局及印制地线和电源线的设计要点进行了规范,同时为控制器设计了散热方案。软件部分主要使用基于模型设计的开发方法,结合前面设计的控制策略,借助恩智浦的相关工具链在MATLAB/Simulink中搭建控制模型并生成对应代码,最后烧录到控制器中。最后,进行电动助力制动系统台架试验。设计电机测试试验,验证所设计控制器硬件和软件方案的合理性,同时验证控制器最内环和最外环的控制品质以及弱磁算法的控制效果。为验证所设计的助力控制策略有效性和可靠性,针对不同工况下的制动需求,设计紧急制动试验和往复制动试验。最后设计了主动制动测试实验,设置不同的主动制动工况,观察系统的执行情况,验证了所设计的控制器和控制策略能够快速、精确地建立制动压力,满足使用需求。
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