基于滑模变结构的永磁同步电机直接转矩控制系统研究

论文摘要

永磁同步电机(PMSM)以其具有转矩／惯量比高、效率高、体积小、可靠性高、易于维护等优点,广泛应用于各种高性能驱动系统中。永磁同步电机无速度传感器控制技术不仅可以降低系统成本,而且提高了系统可靠性,成为当前电机控制领域的研究热点之一与矢量控制方式相比,直接转矩控制(DTC)具有控制方法简单、转矩响应快速、受电机内部参数影响小等优点。基于开关表的传统直接转矩控制方法由于定子相电流脉动较大,不利于电机的无速度传感器控制。为改善系统的控制性能,本研究采用转矩角控制策略实现了对永磁同步电机的直接转矩控制,为后续研究无速度传感器控制提供了良好的平台。由于传统滑模观测器存在较大抖动,对电机稳态运行性能有一定的不良影响,为获取反电动势而采用低通滤波器导致的相位滞后无法精确补偿,造成了控制系统响应滞后。本研究利用高阶滑模控制方法,在传统滑模面的基础上引入非线性滑模面,并设计适当控制率,构成高阶非奇异终端滑模观测器,最后利用Lyapunov稳定性定理证明了系统的稳定性和鲁棒性。仿真结果表明,与传统滑模观测器相比较,非奇异终端滑模观测器削弱了传统滑模观测器的抖动,提高了速度估算精度,改善了系统静态和动态特性。最后,由于常规PI速度控制器存在对系统参数依赖性强、鲁棒性差等不足,已无法满足电机高性能控制的要求,本研究采用非奇异终端滑模控制方法设计速度控制器,并在基于非奇异终端滑模观测器的PMSM无速度传感器直接转矩控制系统的基础上进行综合仿真,仿真结果表明了本研究所采用的控制策略能进一步改善控制系统的性能,整个系统具有较强的鲁棒性。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 交流调速系统发展概况
• 1.1.2 直接转矩控制技术的产生
• 1.2 永磁同步电机控制策略
• 1.2.1 变压变频控制（VVVF）
• 1.2.2 矢量控制（VC）
• 1.2.3 直接转矩控制（DTC）
• 1.2.4 现代控制理论
• 1.3 永磁同步电机无速度传感器控制研究意义和现状
• 1.3.1 基于电机数学模型的开环算法
• 1.3.2 基于电机非理想特性方法
• 1.3.3 基于各种观测器模型的闭环算法
• 1.4 论文研究的主要内容
• 第二章 永磁同步电机直接转矩控制系统
• 2.1 永磁同步电机简介
• 2.2 面贴式永磁同步电机数学模型
• 2.2.1 三相定子坐标系下数学模型
• 2.2.2 坐标变换
• 2.2.3 两相静止坐标系下数学模型
• 2.2.4 两相旋转坐标系下数学模型
• 2.3 基于转矩角控制的永磁同步电机直接转矩控制系统
• 2.3.1 基于转矩角控制策略
• 2.3.2 转矩调节器设计
• 2.3.3 空间电压矢量的计算
• 2.4 永磁同步电机直接转矩控制系统的建模与仿真
• 2.4.1 系统建模
• 2.4.2 仿真结果及分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于滑模观测器的PMSM无速度传感器控制
• 3.1 滑模变结构控制基本原理
• 3.1.1 滑动模态定义及数学表达
• 3.1.2 滑模变结构控制的基本问题
• 3.2 滑模控制策略
• 3.2.1 线性滑模
• 3.2.2 终端滑模
• 3.2.3 非奇异终端滑模
• 3.2.4 高阶滑模
• 3.3 PMSM无速度传感器控制实现
• 3.3.1 传统滑模观测器设计
• 3.3.2 非奇异终端滑模观测器设计
• 3.4 无速度传感器控制系统建模与仿真
• 3.4.1 系统建模
• 3.4.2 仿真结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 滑模变结构速度控制器设计
• 4.1 PI速度控制器
• 4.2 非奇异终端滑模速度控制器
• 4.2.1 非奇异终端滑模面设计
• 4.2.2 滑模控制律设计
• 4.2.3 稳定性分析
• 4.3 系统综合建模与仿真
• 4.3.1 系统建模
• 4.3.2 仿真结果分析
• 4.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 在读期间已发表和录用的论文
• 致谢
• 个人简历