高速永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统研究

论文摘要

近年来,随着分布式发电系统的深入研究与广泛应用,以高速永磁同步电机为核心的微型燃气轮机发电系统受到了人们的广泛关注。高速永磁同步电机控制性能决定了微型燃气轮机发电系统供能指标,而高性能高速永磁同步电机控制系统依赖于可靠的位置传感器和精确的检测技术。但是机械传感器的安装不但会增加系统成本,而且还会降低系统可靠性能。因此,无位置传感器控制技术研究深受学者青睐。在众多无位置传感器控制方案中,滑模观测器以其鲁棒性能好、算法简单、工程易实现等优点成为高速永磁电机无位置传感器控制技术首选方案。但是滑模观测器应用尚需解决高频抖振问题,抖振问题能否得到有效抑制直接决定了观测精度。为此,本文从滑模变结构控制理论出发,以抑制抖振、改善观测性能为目标,针对高速永磁同步电机滑模观测器的无位置传感器矢量控制系统展开了研究。首先,本文研究了永磁同步电机矢量控制系统,分析阐述了永磁同步电机数学模型、矢量控制策略和空间矢量脉宽调制方法。并研究了滑模变结构控制理论,着重分析了滑模变结构控制的鲁棒性能和抖振抑制问题。构建了永磁同步电机滑模观测器的无位置传感器矢量控制系统。其次,为有效抑制滑模观测器固有抖振问题,本文应用滑模变结构控制设计了一种新型S函数滑模观测器,该观测器具有边界层自适应能力,可充分抑制抖振。在抑制抖振的同时考虑反电动势滤波问题,并设计了具有EKF结构的扩展滑模观测器,该观测器可获得精确的转子信息。再次,为了改善高速时电机电阻参数变化对观测器观测性能的影响,本文设计了电阻参数自适应滑模观测器。在此基础上,分析了电阻参数变化对滑模观测器估算信息的影响,评估电阻参数变化对转子信息估算方法的影响,最终证实了电阻参数自适应滑模观测器可提高滑模观测器观测精度。最后,应用MATLAB仿真软件对所设观测器进行建模仿真,并搭建了永磁同步电机控制系统实验平台,仿真和实验验证所设计的改进滑模观测器正确性和可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 PMSM 无位置传感器控制技术发展概况
• 1.3 PMSM 无位置传感器控制技术关键问题
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 PMSM 滑模观测器无位置传感器矢量控制系统
• 2.1 引言
• 2.2 PMSM 矢量控制
• 2.2.1 PMSM 数学模型
• 2.2.2 PMSM 矢量控制策略
• 2.2.3 SVPWM 调制技术
• 2.3 滑模变结构控制理论
• 2.3.1 滑模变结构控制基本理论
• 2.3.2 滑模变结构控制抖振问题
• 2.4 PMSM 无位置传感器矢量控制系统的设计
• 2.4.1 滑模观测器设计
• 2.4.2 PMSM 无位置传感器矢量控制系统仿真
• 2.5 本章小结
• 第3章 改进滑模观测器研究
• 3.1 引言
• 3.2 准滑模观测器
• 3.2.1 饱和函数
• 3.2.2 新型S 函数
• 3.3 扩展滑模观测器
• 3.4 改进滑模观测器仿真
• 3.4.1 新型S 函数滑模观测器仿真
• 3.4.2 扩展滑模观测器仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 电阻参数自适应滑模观测器研究
• 4.1 引言
• 4.2 电阻参数自适应滑模观测器设计
• 4.3 电阻参数变化对估算精度的影响
• 4.3.1 电阻参数变化对估算转子位置的影响
• 4.3.2 电阻参数变化对估算转子转速的影响
• 4.4 电阻参数自适应滑模观测器仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统设计与实验验证
• 5.1 引言
• 5.2 系统硬件设计
• 5.2.1 功率电路设计
• 5.2.2 控制电路设计
• 5.3 系统软件设计
• 5.3.1 主程序设计
• 5.3.2 子程序设计
• 5.4 实验结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢