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基于滑模观测器的PMSM矢量控制系统研究与设计

作　者: 韩杰
导　师: 张化光
学　校: 东北大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 永磁同步电机矢量控制滑模观测器硬件设计软件设计
分类号: TM341
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着近年来永磁材料的飞速发展以及控制技术在同步电机中的应用,永磁同步电机以其高效性,高转矩惯量比,高能量密度等诸多优点,在电气传动中的发展和应用越来越受到关注。为了降低系统的成本,增加系统的可靠性,永磁同步电机的无传感器控制技术成为目前电机控制技术领域的研究热点之一,但国内在大中功率永磁同步电机电气传动系统的研究颇少。基于这些问题并在国家863课题的背景下,本文进行了基于滑模观测器的永磁同步电机矢量控制研究与设计,本文的主要研究内容如下：首先,在阅读了大量国内外相关文献资料的基础上,建立了永磁同步电机在不同坐标系下的模型,分析了永磁同步电机的各种控制策略,并结合实际确定了控制策略,对SVPWM进行了分析与实现。在深入的研究和分析滑模观测器原理的基础上,进行了滑模观测器的设计,在只需电机的定子电压和相电流的条件下,实现对电机转子位置的估计和转速的自适应估计。其次,根据控制系统的要求进行了硬件和软件设计,在实现基本功能的同时进行了进一步的研究。硬件设计中进行了器件选型和电路设计等,如处理器的选择、传感器的选择,以DSP TMS320F2812为核心的最小系统电路、检测电路、保护电路、驱动电路等；同时采用模块化编程思想进行了软件设计,如中断程序、SVPWM实现程序、滑模观测器程序、故障检测与处理程序、通信程序、M／T法测速程序、温漂自校正程序、变截止频率数字滤波器程序、改进的PI控制器程序、电压滞环检测程序等,实际调试验证了软硬件的实时性与可靠性。最后,在理论分析的基础上进行了MATLAB/Simulink仿真与实际系统调试,仿真和实验结果均验证了所实现的控制系统达到了预期效果。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题研究的背景及意义  10-11
    1.1.1 课题研究的背景  10
    1.1.2 课题研究的意义  10-11
  1.2 永磁同步电机控制系统概述  11-13
    1.2.1 永磁同步电机的结构  11-12
    1.2.2 永磁同步电机控制系统的国内外发展现状  12-13
  1.3 永磁同步电机无位置传感器控制研究现状  13
  1.4 滑模观测器的原理与特性  13-16
  1.5 论文的研究内容及本人任务  16-18
第2章基于滑模观测器的PMSM矢量控制系统研究  18-38
  2.1 永磁同步电机的数学模型  18-21
    2.1.1 永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型  18-20
    2.1.2 永磁同步电机在αβ坐标系下的数学模型  20-21
  2.2 永磁同步电机矢量控制策略的选择  21-23
    2.2.1 i_d=0控制  21-22
    2.2.2 最大转矩电流比控制  22
    2.2.3 最大功率因数控制  22-23
    2.2.4 恒磁链控制  23
    2.2.5 弱磁控制  23
  2.3 SVPWM的实现  23-27
  2.4 滑模观测器的设计方法  27-29
  2.5 基于滑模观测器的PMSM转子位置与转速自适应估计  29-36
    2.5.1 PMSM转子位置估计  29-32
    2.5.2 PMSM转速自适应估计  32-35
    2.5.3 滑模观测器的数字化实现  35-36
  2.6 本章小节  36-38
第3章控制系统的硬件设计  38-56
  3.1 控制系统硬件结构  38-39
    3.1.1 主电路  38
    3.1.2 控制电路  38-39
  3.2 主要器件选型  39-43
    3.2.1 微处理器  39-41
    3.2.2 电流传感器  41
    3.2.3 电压传感器  41-42
    3.2.4 位置传感器  42
    3.2.5 功率驱动模块  42-43
  3.3 TMS320F2812最小系统设计  43-45
    3.3.1 存储电路  43-44
    3.3.2 电平转换电路  44
    3.3.3 电压转换电路  44
    3.3.4 复位及电压监控电路  44-45
  3.4 外围检测与驱动电路  45-54
    3.4.1 电机相电流检测电路  45-47
    3.4.2 直流母线电压检测电路  47-48
    3.4.3 模拟开关电路  48-49
    3.4.4 码盘信号检测电路  49-50
    3.4.5 开关量输入输出接口电路  50
    3.4.6 驱动前端电路  50-51
    3.4.7 故障检测与保护电路  51-52
    3.4.8 通信接口电路  52-54
  3.5 电源电路  54
  3.6 硬件抗干扰措施  54
  3.7 本章小节  54-56
第4章控制系统的软件设计  56-76
  4.1 软件开发环境  56-57
  4.2 软件设计中的数据处理  57-58
  4.3 软件设计思想与整体结构  58-60
  4.4 主要软件程序  60-74
    4.4.1 主程序  60-61
    4.4.2 T1中断子程序  61-62
    4.4.3 码盘信号处理子程序  62-64
    4.4.4 转速检测子程序  64-67
    4.4.5 SVPWM子程序  67
    4.4.6 改进的PI算法子程序  67-69
    4.4.7 滑模观测器子程序  69-70
    4.4.8 数字滤波器子程序  70-71
    4.4.9 温漂自校正子程序  71-72
    4.4.10 故障监测与处理子程序  72-74
    4.4.11 通信子程序  74
  4.5 本章小节  74-76
第5章控制系统的仿真与实验  76-88
  5.1 基于滑模观测器的PMSM矢量控制系统仿真研究  76-82
    5.1.1 PMSM的参数  76
    5.1.2 控制系统整体仿真模型  76-77
    5.1.3 SVPWM模块的仿真设计  77-79
    5.1.4 滑模观测器模块的仿真设计  79-82
  5.2 仿真结果  82-85
  5.3 实验结果  85-87
  5.4 本章小节  87-88
第6章结论与展望  88-90
参考文献  90-94
致谢  94

基于滑模观测器的PMSM矢量控制系统研究与设计

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