永磁同步电机无传感器矢量控制系统设计

论文摘要

随着电力电子器件和微处理器的推出,现代控制理论和计算机技术的发展,交流传动系统在工业中得到了广泛应用。永磁同步电机(PMSM)由于具有效率高、密度大、转子损耗小等优点而成为交流传动系统的主流电机。检测磁极位置和转速的传感器的安装,会给永磁同步电机传动系统带来造价提高、体积增大、易受干扰等一系列问题。因此,无位置传感器已经成为电气传动领域的一个研究热点。本文在深入研究永磁同步电机和矢量控制原理的基础上,提出了实现永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统的方法。本文首先建立了永磁同步电机在各个坐标系下的数学模型,分析了转子磁场定向矢量控制(FOC)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)的原理,建立了永磁同步电机矢量控制系统的数学模型。提出了基于反电动势(EMF)方案和基于模型参考自适应(MRAS)超稳定性方案两种应用于永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统的方案,实现对转子位置角和转速实时在线估算。基于电机反电动势方案根据永磁同步电机的数学模型,从易于测量的电机的定子电压、电流估算出电机的反电动势,进而推算出转子的位置和转速。MRAS超稳定性方案选择永磁同步电机作为参考模型,电机的电流模型作为可调模型,采用并联结构对转速和转子位置角进行辨识。对两种估算方案分别进行了Matlab/Simulink仿真和分析,针对两种估算方案在动态性能和稳态精度上各自的优缺点,提出了一种联合估算方案。仿真结果表明,该方案既具有MRAS超稳定性方案稳态误差小的特点,又具有反电动势方案动态响应快的特点,具有较好的转速和转角跟踪性能。本文最后实现了基于TMS320LF2407A DSP的功率驱动功能。实验结果表明,采用五段式SVPWM算法的PWM波形可以减小开关损耗,减小谐波,电流波形接近于理想的正弦波。而且实现硬件电路简单、有较高的精度和可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 永磁同步电机矢量控制的研究现状
• 1.1.1 交流电机传动的发展
• 1.1.2 永磁同步电机的发展
• 1.1.3 矢量控制的发展
• 1.2 无位置传感器控制技术的研究意义和现状
• 1.2.1 无位置传感器问题的提出
• 1.2.2 无位置传感器控制技术研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 永磁同步电机矢量控制系统的数学模型
• 2.1 坐标变换
• 2.2 永磁同步电机的数学模型
• 2.2.1 在三相静止坐标系下的数学模型
• 2.2.2 在两相静止坐标系下的数学模型
• 2.2.3 在两相旋转坐标系下的数学模型
• 2.3 转子磁场定向矢量控制
• 2.4 空间电压矢量PWM原理
• 2.5 本章小结
• 第3章 永磁同步电机无位置传感器控制算法研究
• 3.1 基于电机反电动势的位置和转速估算
• 3.2 基于MRAS超稳定性的位置和转速估算
• 3.2.1 MRAS的超稳定性理论基本原理
• 3.2.2 MRAS理论在永磁同步电机位置和转速估算中的运用
• 3.3 本章小结
• 第4章 永磁同步电机无位置传感器控制仿真研究
• 4.1 Matlab/Simulink仿真工具简介
• 4.2 SVPWM的仿真分析
• 4.3 无位置传感器的PMSM矢量控制系统仿真研究
• 4.3.1 基于电机反电动势的仿真模型的建立
• 4.3.2 基于MRAS的超稳定性理论的仿真模型的建立
• 4.3.3 两种无位置传感器方案仿真结果分析
• 4.3.4 反电动势和MRAS联合方案的提出
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于DSP的功率驱动功能的实现
• 5.1 基于DSP的功率驱动的整体结构
• 5.2 功率驱动电路的设计
• 5.3 功率驱动电路的DSP实现
• 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