基于哈密顿方法的交流电机能量成形控制

论文摘要

随着电力电子器件、先进控制理论及计算机控制技术的飞速发展,高性能的交流电机控制系统取得了长足的发展,广泛的应用于工业生产及日常生活各个领域。永磁同步电机由于体积小、结构简单、维护方便等优点,在纺织、印刷、国防等行业备受青睐。但是,由于交流电机是典型的高阶、非线性、强耦合系统,大部分控制策略太复杂不易实现。近年来,应用能量成形的方法对哈密顿系统进行控制成为专家学者的研究热点。在科学和工程实际当中,能量是基本概念之一。在研究复杂非线性系统时,通常将动态系统看作能量变换装置,把复杂非线性系统分解成比较简单的子系统。本文将交流电机控制系统看作二端口(机械端口和电气端口)的能量变换装置,从能量成形的角度,应用哈密顿控制理论,实现对永磁同步电动机高性能速度控制及位置伺服控制系统的设计。首先,综述了交流电机控制策略的国内外发展动态以及能量成形控制方法的国内外研究现状,介绍了能量成形和端口受控哈密顿控制方法的理论基础—无源性、耗散性、反馈互联等,并研究了端口受控哈密顿系统的结构及能量平衡特性,给出了应用互联和阻尼配置方法来确定系统行为的反馈镇定原理。根据坐标变换理论,给出了永磁同步电动机在两相静止αβ坐标系及两相同步旋转dq坐标系下的模型,并分别建立了dq坐标系下永磁同步电机速度控制及位置伺服控制的端口受控哈密顿模型。根据哈密顿系统反馈镇定原理,选择闭环系统的能量函数在平衡点取最小值,应用互联和阻尼配置的方法,通过能量成形和阻尼注入,设计了满足最大输出功率控制原理的永磁同步电机速度控制及位置控制器,实现电机转速/位置对期望转速/位置的准确跟踪。得出的控制器具有结构简单、计算量小、易于实现的优点。而设计过程中选择的哈密顿函数、互联和阻尼参数在永磁同步电机控制系统中也都具有明确的物理解释。然后,在Matlab/Simulink软件平台搭建了系统的仿真模型,对能量成形方法在交流电机控制中的控制效果进行了仿真研究。仿真结果验证了此方法应用于电机控制系统的正确性及有效性。最后,概括了本文主要的研究工作,并提出了今后的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 交流电机控制国内外发展现状
• 1.3 能量成形控制国内外研究现状
• 1.3.1 无源性控制方法
• 1.3.2 端口受控哈密顿系统控制方法
• 1.4 本文主要研究内容及章节安排
• 第二章 理论基础
• 2.1 无源性与耗散性
• 2.1.1 无源系统及其稳定性
• 2.1.2 无源性与反馈互联
• 2.1.3 耗散性
• 2.2 无源性与能量成形
• 2.3 端口受控哈密顿系统
• 2.3.1 欧拉-拉格朗日（EL）方程与哈密顿方程
• 2.3.2 端口受控哈密顿系统
• 2.3.3 端口受控耗散哈密顿系统
• 2.4 哈密顿系统的能量成形控制方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 永磁同步电动机的端口受控哈密顿模型
• 3.1 坐标变换
• 3.1.1 坐标变换的约束条件
• 3.1.2 三相/二相静止变换
• 3.1.3 二相/二相旋转变换
• 3.2 永磁同步电动机的一般数学模型
• 3.2.1 PMSM的原始数学模型
• 3.2.2 PMSM在两相静止坐标系上的数学模型
• 3.2.3 PMSM在两相同步旋转坐标系上的数学模型
• 3.3 建立永磁同步电动机的PCH模型
• 3.4 本章小结
• 第四章 永磁同步电动机能量成形控制
• 4.1 永磁同步电动机最大输出功率控制原理
• 4.2 基于能量成形的PMSM最大输出功率速度控制
• 4.2.1 平衡点的确定
• 4.2.2 负载恒定已知时控制器的设计
• 4.2.3 负载未知可变时控制器的设计
• 4.3 基于能量成形的PMSM最大输出功率位置控制
• 4.3.1 平衡点的确定
• 4.3.2 负载恒定已知时控制器的设计
• 4.3.3 负载未知可变时控制器的设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 仿真研究及结果分析
• 5.1 永磁同步电动机PCH控制系统仿真实现
• 5.1.1 控制系统总体框图
• 5.1.2 控制系统各模块的仿真实现
• 5.2 仿真结果及分析
• 5.2.1 PMSM最大输出功率速度控制仿真结果及分析
• 5.2.2 PMSM最大输出功率位置控制仿真结果及分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢