基于FPGA的高性能永磁同步电机电流控制器研究

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交流伺服系统包括位置环、速度环、电流环三个控制回路。其中,电流环是整个系统的最内层,其控制性能的好坏直接影响到伺服系统速度环和位置环的响应性能。因此,电流环的设计对永磁同步电机的控制至关重要。为此,本文围绕高性能永磁同步电机电流控制器的设计展开深入研究。本文首先对永磁同步电机电流环的数学模型进行了分析,得到了制约电流环控制性能的两个主要因素:电流环带宽和d、q轴电流的动态耦合。然后分别对电流环带宽和电流的动态解耦两个关键点进行研究。为扩展电流环带宽,首先推导了电流环带宽与电流控制回路中延时的关系。然后对比分析了三种现有的电流环控制时序,得到了不同时序下电流控制回路中的延时。最后在现有电流环控制时序的基础上,提出了一种改进的电流环控制时序。改进后的电流环控制时序即能将电流控制回路延时减小到最小,还能克服原有电流环控制时序中的缺点,能够大大扩展电流环带宽。针对永磁同步电机定子电流励磁分量与转矩分量的动态耦合问题,首先对电流反馈解耦、内模解耦、偏差解耦三种电流动态解耦方法进行了理论推导和仿真对比,得知偏差解耦具有更强的鲁棒性和实用性,因此电流控制器采用偏差解耦方法。为防止逆变器电压饱和输出导致的电流超调和振荡,本文在电流偏差解耦的基础上提出了一种保留电流解耦补偿量的电压抗饱和设计方法,取得了较好的电流解耦效果。最后,在FPGA中实现了采用电流环带宽扩展和电流动态解耦控制方法的电流控制器。并对基于FPGA的高性能电流控制器进行了比较全面的测试。实验结果表明,本文所设计的电流控制器带宽高达3kHz左右,电流动态解耦效果明显,交流伺服系统整体性能得到明显改善。
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