永磁同步电机无传感器矢量控制系统研究

论文摘要

随着现代电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的飞速发展,特别是新型永磁材料的出现,极大的促进了调速永磁同步电动机的发展。PMSM控制系统的稳定运行是建立在闭环控制基础之上,因此如何获取转子位置和速度信号是整个系统中相当重要的一个环节。目前,在大多数调速驱动系统中,最常用的方法是在转子轴上安装位置传感器。但这些传感器增加了系统的成本,降低了系统的可靠性和耐用性。无传感器控制是指通过测量电动机的电流、电压等可测量的物理量,通过特定的观测器策略估算转子位置,提取永磁同步电机转子的位置和速度信息,完成闭环控制。无传感器永磁同步电动机调速系统不仅结构简单、易维护、运行效率高、调速性能好,而且体积小、成本低、可靠性高,且能应用于一些特殊场合。本文以永磁同步电动机为研究对象,采用滑模观测器(Sliding Mode Observer,SMO)方法,研究并实现了永磁同步电动机驱动控制系统的无传感器矢量控制。论文主要完成了以下工作:(1)首先,对永磁同步电动机数学模型进行研究,阐述了坐标变换的基本理论,并完成了坐标变换在Matlab/Simulink中的模块化设计;其次给出了永磁同步电机在两相静止坐标系和两相旋转坐标系上的数学模型,在此基础上引出永磁同步电动机矢量控制原理。(2)电压空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)物理概念清晰、算法简单、对直流电压利用率高,易于实现数字化,是交流电机控制中最常用的方法之一。本文对SVPWM做了详细的理论阐述和推导,并与SPWM相比较,给出了SVPWM的算法实现及其在Matlab/Simulink中的模块化设计,并给出了其仿真结果。(3)在PMSM矢量控制系统中,电机调速范围很宽时,电阻、电抗等参数变化对d、q轴电流控制产生较大误差,从而影响控制精度和动态响应速度,为此,采用内模控制原理设计了电流内模调节器。仿真结果表明,与传统的基于PI控制的矢量控制方法相比,采用电流内模控制的矢量控制系统具有快速的动态响应和抗干扰性能,且在模型失配的情况下也具有较好的动态和静态性能,提高了系统的鲁棒性。(4)深入分析了滑模变结构控制的基本原理与滑模变结构控制器设计方法,根据PMSM在两相静止坐标系αβ下的数学模型构建滑模观测器。在滑模观测器中引入等效控制的自适应反馈增益用于扩大SMO的观测范围,改善转角估计性能,且由于等效控制的幅值为常值(等于转子磁链ψf),SMO中不连续控制的开关增益也更易于选取。传统的SMO在低速时由于高开关增益所产生的抖振现象也可以抑制甚至消除。最后,利用Matlab/Simulink软件对提出的基于滑模观测器的PMSM转子位置估计算法进行仿真,证明本文提出控制方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 永磁同步电机的特点及分类
• 1.2.1 永磁同步电机的特点
• 1.2.2 永磁同步电机的分类
• 1.3 永磁同步电机控制策略
• 1.4 无传感器控制技术国内外研究现状及研究水平
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 永磁同步电机基本结构及其数学模型
• 2.1 永磁同步电机的基本结构
• 2.2 PMSM 的数学模型及坐标变换
• 2.2.1 永磁同步电机在三相静止坐标系（abc ）中的数学模型
• 2.2.2 永磁同步电机在两相旋转坐标系（dq ）中的数学模型
• 2.2.3 永磁同步电机在两相静止坐标系（αβ ）中的数学模型
• 2.2.4 三种坐标系下数学模型的变换关系
• 2.2.5 三种坐标系下数学模型的变换关系的仿真研究
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于 SVPWM 的永磁同步电机矢量控制
• 3.1 永磁同步电机矢量控制系统
• 3.1.1 PMSM 矢量控制原理
• 3.1.2 PMSM 控制策略
• 3.1.3 矢量控制常用三种电流控制策略的比较
• 3.2 电压空间矢量PWM（SVPWM）调制技术
• 3.2.1 SVPWM 的基本原理
• 3.2.2 SVPWM 和SPWM 的比较
• 3.2.3 SVPWM 算法实现与Simulink 仿真
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于电流环内模控制的永磁同步电机矢量控制系统研究
• 4.1 内模控制
• 4.1.1 内模控制的基本原理及控制特性
• 4.1.2 稳定内模控制器设计
• 4.1.3 滤波器设计
• 4.1.4 鲁棒性问题
• 4.2 电流内模控制器设计
• 4.3 基于电流环内模控制的PMSM 矢量控制系统仿真建模与结果分析
• 4.3.1 基于电流环内模控制的PMSM 矢量控制系统建模
• 4.3.2 仿真结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于 SMO 的永磁同步电机无传感器矢量控制系统研究
• 5.1 滑模变结构控制
• 5.1.1 滑模变结构控制基本原理
• 5.1.2 滑模变结构控制器设计
• 5.2 PMSM 无位置传感器矢量控制系统中滑模观测器的设计及仿真
• 5.2.1 滑模观测器设计
• 5.2.2 稳定性分析
• 5.2.3 自适应等效控制反馈增益选择
• 5.2.4 基于滑模观测器的PMSM 矢量控制建模与仿真
• 5.2.5 仿真结果与分析
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录