无传感器直线伺服系统的观测器设计

论文摘要

永磁直线同步电机由于无需励磁电流、效率高、可靠性高等优点，在高速、高精度的直线伺服系统中得到了广泛的应用。高性能控制需要精确的转子位置和速度去实现磁场定向，在传统的伺服系统中，位置和速度的检测采用机械式传感器，然而，它们增加系统成本，降低系统的可靠性，因此，如何取消这些传感器以得到低成本、高可靠性无传感器伺服系统的研究逐渐成为热门。本文以永磁直线同步电机为研究对象，并基于滑模观测器、非线性观测器深入研究了几种位置和速度的估计方法。传统的滑模观测器对参数摄动和外部扰动具有完全的自适应性和鲁棒性，但是存在“抖振”现象，为了降低抖振幅度，采用二阶滑模Super-twisting估计算法对电机的线速度进行估计，该估计方法鲁棒性强，收敛速度快。基于“取消位置和速度传感器”的目的，文中提出了两种位置和速度的估计方案。利用奇异摄动的双时标分解理论将永磁直线同步电机在静止αβ坐标系下的数学模型分解成快时变和慢时变两个子系统，在快时变子系统中提出了滑模观测器-反电势（SMO-BEMF）位置估计法来估计电机的磁极位置，在慢时变子系统中采用二阶滑模观测器估计电机的线速度。考虑在dq坐标系下电机模型的非线性项满足Lipschitz条件，讨论了有界干扰下Lipschitz非线性系统观测器的设计问题，并以线性矩阵不等式的形式给出了新的判断观测误差稳定性的条件。基于此方法设计了速度观测器估计电机的线速度，磁极位置由SMO-BEMF位置估计法得到。依照永磁直线同步电机的工作原理和矢量控制原理，运用计算机的建模、仿真技术，在MATLAB／SIMULINK环境下建立了电流滞环跟踪型SPWM矢量控制的直线伺服系统仿真平台。基于该平台对每种状态估计方案进行了仿真研究，验证了每种状态估计方案实现直线伺服系统无传感器控制的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 无传感器技术在永磁同步电机中的应用状况
• 1.3 非线性系统观测器概述
• 1.4 滑模观测器概述
• 1.4.1 Utkin SMO
• 1.4.2 Walcott-Zak SMO
• 1.5 影响估计精度的因素
• 1.6 本文的研究内容
• 第二章 永磁直线同步电机数学模型及伺服系统矢量控制
• 2.1 PMLSM结构和工作原理
• 2.1.1 PMLSM的结构
• 2.1.2 PMLSM的工作原理
• 2.2 三相交流电动机中的坐标变换
• 2.3 永磁直线同步电机的数学模型
• 2.3.1 在dq坐标系下的数学模型
• 2.3.2 在αβ坐标系下的数学模型
• 2.4 PMLSM矢量控制
• 2.5 PMLSM伺服系统仿真平台
• 2.6 仿真结果
• 2.7 本章小节
• 第三章 二阶滑模观测器在电机状态观测中的应用
• 3.1 高阶滑模理论
• 3.1.1 高阶滑模定义
• 3.1.2 二阶滑动模态
• 3.2 二阶滑模SUPER-TWISTING估计算法
• 3.3 二阶滑模速度观测器设计
• 3.4 一阶滑模观测器设计
• 3.5 仿真结果
• 3.6 本章小节
• 第四章 基于SMO-BEMF和二阶SMO的PMLSM状态观测
• 4.1 问题的提出
• 4.2 奇异摄动的双时标分解
• 4.3 PMLSM基于双时标分解的数学模型
• 4.4 基于SMO-BEMF的位置估计方法
• 4.4.1 反电动势的估计
• 4.4.2 位置的估计
• 4.5 速度估计
• 4.6 仿真结果
• 4.7 本章小节
• 第五章 基于LIPSCHITZ非线性观测器的PMLSM状态观测
• 5.1 问题的提出
• 5.2 LIPSCHITZ非线性系统观测器的设计方法
• 5.3 有界干扰下LIPSCHITZ非线性系统的观测器设计
• 5.3.1 常规设计方法的性能分析
• 5.3.2 一类Lipschitz非线性系统的观测器设计
• 5.4 位置估计
• 5.5 仿真结果
• 5.6 本章小节
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录