无传感器永磁同步电机控制系统的设计

论文摘要

近年来,随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)得到了迅速推广和应用。PMSM体积小、损耗低、效率高,在节约能源和环境保护日益受到重视的今天,对它的研究显得更为迫切。为了更好地实现对PMSM调速系统的控制,获取转子位置和速度信号变得至关重要。传统的PMSM都是通过在转子轴上安装位置传感器(如霍尔传感器)来获取这些信号的,但这样增加了系统成本,降低了系统的可靠性和耐用性。因此,如何在不安装位置传感器的情况下实现对PMSM调速系统的控制成为了研究重点。本文以无位置传感器PMSM及其控制系统为研究对象,研究并设计了基于滑模变结构控制方式的PMSM矢量控制调速系统。在分析PMSM工作原理与特性的基础上,构建了PMSM的数学模型。通过详细研究空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)技术、波形的产生机制以及滑模变结构控制方法的特点,提出了一种将滑模变结构原理应用于无位置传感器PMSM矢量控制系统的设计方法。该方法可测量电机的电流、电压等物理量,通过滑模变结构估算转子位置,提取转子的位置和速度信息。本文介绍了STM32F103芯片的基本结构和性能,并给出了使用该芯片作为主控芯片的PMSM调速系统的软硬件设计。理论分析和仿真结果表明,该设计具有较强的鲁棒性和较高的控制精度。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 无位置传感器PMSM 控制系统
• 1.2.1 无位置传感器PMSM 概述
• 1.2.2 无位置传感器PMSM 控制方法
• 1.3 本课题研究的主要工作
• 第二章 PMSM 控制系统
• 2.1 矢量控制概述
• 2.2 坐标变换
• 2.2.1 CLARKE 变换
• 2.2.2 PARK 变换
• 2.3 矢量控制实现方式
• 2.4 速度和电流PI 调节器设计
• 2.5 SVPWM 控制
• 2.5.1 SVPWM 的提出
• 2.5.2 SVPWM 原理
• 2.5.3 SVPWM 实现步骤
• 2.6 滑模观测器的应用
• 2.6.1 滑模变结构控制概述
• 2.6.2 SMO 的设计
• 2.7 本章小结
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 控制器系统设计
• 3.2 STM32F103XX 芯片简介
• 3.3 电机控制模块
• 3.4 电流电压检测模块
• 3.4.1 检测电路
• 3.4.2 提高ADC 的转换精度
• 3.5 电机驱动模块
• 3.5.1 SPM 芯片简介
• 3.5.2 SPM 与处理器连接电路
• 3.6 串口通信模块
• 3.7 电源模块
• 3.8 本章小结
• 第四章 系统软件设计
• 4.1 系统软件模块与流程图
• 4.2 坐标的软件实现
• 4.2.1 CLARKE 变换软件实现
• 4.2.2 PARK 变换软件实现
• 4.2.3 PARK 反变换软件实现
• 4.3 SVPWM 算法的实现
• 4.4 速度和电流PI 调节器
• 4.5 SMO 的软件实现
• 4.6 本章小结
• 第五章 实验与结论
• 5.1 实验设备
• 5.2 实验数据及图像
• 5.2.1 仿真波形图
• 5.2.2 串口调试窗口
• 5.2.3 SVPWM 管脚波形
• 5.3 总结
• 5.4 课题展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间公开发表的论文
• 附录1 STM32F103 电路图
• 附录2 驱动模块电路图
• 致谢