基于FPGA的永磁同步电机参数辨识的研究

论文摘要

永磁同步电机(PMSM)因其结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高和恒功率运行时调速范围宽等特点,在高效能驱动系统中应用广泛。永磁同步电机伺服系统中,转动惯量的变化对系统的机械性能有较大的影响,如能及时地辨识出转动惯量,并根据辨识结果对伺服系统的控制器参数进行相应调整,使伺服系统具有更好的控制特性,将对永磁同步电机伺服系统的应用具有重要意义。本文在研究已有辨识算法的基础上,对PMSM的转动惯量的辨识方案进行了深入研究,提出了改进型方案,并用Matlab和SG实现了辨识算法的仿真验证。首先,本文在对PMSM的数学模型进行分析的基础上,提出了一种新型的模糊PI控制器,基于Matlab/Simulink的仿真结果表明:与永磁同步电机PI控制伺服系统相比,永磁同步电机模糊PI控制系统鲁棒性强、响应快、对被控对象参数变化具有较好的适应能力,但是其性能仍然受PMSM转动惯量变化的影响较大。为此开展了对PMSM转动惯量辨识的一系列研究工作。分析了遗忘因子最小二乘法和模型参考自适应法在永磁同步电机转动惯量辨识中应用,针对带遗忘因子的最小二乘法辨识结果波动大的问题,引入开关控制器,提出了一种新型的最小二乘参数辨识器,当转动惯量发生变化时,通过开关控制对辨识器进行初始化,实现了对参数更快更好的在线辨识。仿真实验表明:该方法克服了传统的带遗忘因子的最小二乘辨识器的波动现象,辨识速度快,精度高,可以有效地提高系统的性能。在模型参考自适应算法的基础上,引入辨识结果的反馈,根据辨识结果的状态实现增益的自适应调节,从而避免参数变化时辨识结果的波动,仿真实验表明:该方法消弱了原辨识算法在辨识时变参数时的波动,能更快的跟踪转动惯量的变化,表现出更好的辨识特性。最后基于SG仿真工具,对改进型辨识器的性能进行了仿真验证,为永磁同步电机的FPGA参数辨识器的设计奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及研究意义
• 1.2 常用的电机转动惯量的辨识方法
• 1.3 本文的主要内容及研究工作
• 第二章 永磁同步电机的数学模型及其模糊PI 控制系统
• 2.1 概述
• 2.2 PMSM 的数学模型
• 2.2.1 电压方程
• 2.2.2 转矩方程
• 2.2.3 转矩平衡方程
• 2.2.4 状态方程
• 2.3 PMSM 的模糊PI 控制系统的仿真建模
• 2.3.1 PMSM 模糊PI 控制系统的研究
• 2.3.2 仿真实验
• 2.4 本章小结
• 第三章 参数辨识算法原理及其应用
• 3.1 概述
• 3.2 最小二乘法理论
• 3.2.1 一次完成算法
• 3.2.2 递推最小二乘法
• 3.2.3 遗忘因子最小二乘法
• 3.3 模型参考自适应法
• 3.3.1 模型参考自适应算法
• 3.3.2 离散模型参考自适应辨识算法
• 3.4 参数辨识算法在PMSM 参数辨识中的应用
• 3.4.1 最小二乘参数辨识器的建立及仿真实验
• 3.4.2 模型参考自适应参数辨识器的建立及仿真实验
• 3.5 本章小结
• 第四章 改进型辨识算法及其在PMSM 参数辨识中的应用
• 4.1 概述
• 4.2 改进型最小二乘法及其在PMSM 参数辨识中的应用
• 4.2.1 改进型最小二乘法
• 4.2.2 改进型最小二乘法在PMSM 参数辨识中的应用
• 4.3 改进型模型参考自适应法及其在PMSM 参数辨识中的应用
• 4.3.1 改进型模型参考自适应法
• 4.3.2 改进型模型参考自适应法在PMSM 参数辨识中的应用
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于SG 的改进型辨识算法的实现研究
• 5.1 概述
• 5.2 FPGA 的开发流程
• 5.3 System Generator 的 FPGA 的开发流程
• 5.4 PMSM 转动惯量辨识改进型算法的SG 仿真研究
• 5.4.1 改进型最小二乘法的SG 建模仿真
• 5.4.2 改进型模型参考自适应的SG 仿真研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文