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基于直线电机的驱动控制研究

作　者: 苑士鑫
导　师: 张卯瑞
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 矢量控制模糊控制干扰观测器滑模变结构控制推力观测器
分类号: TM921.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 223次
引　用: 3次
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内容摘要

本论文是以国家科研项目“直线驱动控制系统研究”为依托,把永磁同步直线电机作为研究对象,采用模糊控制、滑模变结构控制方法分别设计直线驱动控制系统速度控制器,并与传统PID速度控制器进行比较分析。同时,针对直线驱动中特有的一些问题,如摩擦力扰动、电机推力波动及系统模型参数摄动等不良因素,对两种控制器进行优化设计,削弱、抑制扰动因素的不良影响,实现对系统给定速度信号的快速、准确响应,提高系统的鲁棒性,从而达到设计指标要求。论文首先根据设计指标,对直线驱动执行元件—永磁同步直线电机具体参数和型号进行了选择,并通过直线电机工作原理、矢量控制基本原理的研究和分析,给出直线电机的运动方程,建立了永磁同步直线电机的d-q数学模型。在速度控制中,重点研究两种控制方法,设计了模糊速度控制器、滑模变结构速度控制器。在系统设计过程中,针对直线驱动中的摩擦力扰动,提出了干扰观测器的策略对其进行补偿和抑制,解决了模糊速度控制器对于恒定外力扰动存在静态误差的问题,提高了系统的动态性能和稳定性能。此外,为了解决永磁同步直线电机的推力波动问题及滑模变结构控制的“抖振”问题,本文引入一种基于负载推力观测器的滑模变结构控制策略,实现对推力波动的补偿,使推力电流跟随负载推力变化,从而大大削弱了推力纹波和系统的“抖振”,并减小了滑模控制的幅值,提高了系统的动态性能和稳定性。另外,滑模控制算法自身对系统外部扰动和参数摄动具有很强的鲁棒性,这也提高了系统的抗干扰能力。最后,对每种控制方案都在Matlab/Simulink7.7平台进行了仿真测试,并与传统PID控制方案进行对比分析,从而验证了两种方案的有效性。同时,完成了直线控制系统硬件和软件方案设计。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-17
  1.1 课题背景  8-9
    1.1.1 课题背景与研究目的  8
    1.1.2 实际意义  8-9
  1.2 国内外直线驱动技术的发展及现状综述  9-10
    1.2.1 军用领域  9
    1.2.2 民用领域  9-10
    1.2.3 国内研究情况  10
  1.3 直线电机概述及控制策略  10-15
    1.3.1 直线电机概述  10-13
    1.3.2 直线电机控制策略  13-15
  1.4 本论文研究的主要内容  15-17
第2章直线驱动控制系统建模及矢量控制  17-31
  2.1 直线驱动装置的相关技术指标  17
  2.2 直线电机的选型  17-21
    2.2.1 永磁同步直线电机与异步直线电机性能对比  17-18
    2.2.2 电机相关参数计算  18-19
    2.2.3 永磁同步直线电机的基本结构及工作原理  19-21
  2.3 永磁同步直线电机的矢量控制  21-26
    2.3.1 矢量控制的基本思想  21
    2.3.2 矢量控制中的坐标变换  21-25
    2.3.3 矢量控制的实现及空间矢量脉宽调制  25-26
  2.4 直线驱动控制系统数学模型  26-30
    2.4.1 直线永磁同步电机d-q模型  26-29
    2.4.2 整个控制系统的数学模型  29-30
  2.5 本章小节  30-31
第3章模糊控制器设计及摩擦力补偿  31-45
  3.1 摩擦力分析  31-32
    3.1.1 静摩擦力扰动  31
    3.1.2 滑动摩擦扰动  31-32
    3.1.3 粘滞摩擦扰动  32
  3.2 传统PID控制器设计  32-38
    3.2.1 控制律选择  32-34
    3.2.2 串联工程设计方法设计PID参数  34-36
    3.2.3 系统仿真及分析  36-38
  3.3 模糊控制器设计  38-44
    3.3.1 模糊控制的基本原理  39
    3.3.2 模糊规则设计及模糊推理  39-41
    3.3.3 摩擦力干扰观测器的设计  41-42
    3.3.4 仿真结果及分析  42-44
  3.4 本章小结  44-45
第4章滑模变结构控制及推力波动补偿  45-58
  4.1 滑模控制原理  45-50
    4.1.1 滑模控制的基本思想  45
    4.1.2 滑动模态的定义及数学表达式  45-47
    4.1.3 滑模控制的基本问题  47-48
    4.1.4 滑模控制的特点  48-49
    4.1.5 滑模控制设计方法  49-50
  4.2 滑模变结构控制器设计  50-53
    4.2.1 滑模控制系统框图  51
    4.2.2 滑模面选择  51-52
    4.2.3 等效控制变量设计  52
    4.2.4 切换控制变量设计  52-53
  4.3 推力观测器设计及扰动补偿  53-54
  4.4 系统仿真及分析  54-57
    4.4.1 参数选择及Simulink仿真框图  54-55
    4.4.2 结果与分析  55-57
  4.5 本章小节  57-58
第5章直线驱动控制系统硬件和软件方案设计  58-72
  5.1 直线驱动控制系统结构分析  58-60
    5.1.1 系统结构  58-59
    5.1.2 SVPWM调制技术及其DSP实现  59-60
  5.2 直线驱动控制系统硬件结构设计  60-62
    5.2.1 硬件系统各功能单元  61-62
    5.2.2 通信方式及外设  62
  5.3 系统软件流程图设计  62-71
    5.3.1 系统主程序  62-64
    5.3.2 电机控制子程序  64-68
    5.3.3 故障检测子程序  68-70
    5.3.4 通信模块子程序  70-71
  5.4 本章小结  71-72
结论  72-73
参考文献  73-76
致谢  76

基于直线电机的驱动控制研究

内容摘要

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