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基于滑模观测器的PMSM无速度传感器控制

作　者: 孙少伟
导　师: 郭兴众
学　校: 安徽工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 永磁同步电机无速度传感器控制滑模观测器 SVPWM DSP
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

永磁同步电机(PMSM)具有体积小、结构简单、低能耗、高功率密度和免维护等特点,使得在交流调速系统中占据了重要地位。永磁同步电机的发展与永磁材料的发展总是息息相关,近年来,随着永磁材料性能的不断提高,高性能PMSM的出现,使其被广泛的应用在许多运动控制系统。过去,在PMSM控制系统中,为了使PMSM获得高性能的调速,需要在电机的转轴上安装位置传感器来获得转子的位置和速度信息,由于这些机械传感器的存在,增大了电机的体积,降低了系统的可靠性,增加了系统的成本。为了解决由机械传感器带来的不变,无传感器控制技术应运而生。无速度传感器控制技术是通过获得电机的电流、电压等可测量的物理量,经过特定的算法估算转子位置,提取永磁转子的位置和速度信息,完成闭环控制。目前,滑模变结构控制算法已经成为了PMSM无速度传感器控制研究的热门,滑模变结构控制本身是一种不连续的控制策略,系统结构随着时间的变化而变化,使得会引起系统“抖振”。传统滑模观测器以定子电流误差作为滑模面,通过估算电机的反电势,从而求得电动机的位置和速度。然而反电势是在低速条件下幅值小,噪声干扰大,严重影响了其在低速范围的应用。本文以永磁同步电动机为研究对象,首先简单的介绍了永磁同步电机的结构及其数学模型,详细地阐述了空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的理论基础,并选取了id=0的矢量控制策略来驱动永磁同步电机。在基础上提出新型滑模观测器方法,切换函数采用饱和函数替代开关函数以减小“抖振”,并利用卡尔曼滤波器滤除反电势噪声,调高反电势估算精度。运用MATLAB/Simulink软件建立系统的仿真模型,对传统和新型观测器策略分别进行仿真实验,仿真结果表明,文中所提出的新型滑模观测器控制策略能够有效的抑制“抖振”,使整个系统具有较好的调速性能和鲁棒性。最后本文采用TI公司的一款电机专用控制芯片DSP(TMS320LF2812)作为控制系统核心处理芯片,采用智能功率模块IPM作为系统的功率开关元件开发控制系统的硬件,并对基于滑模观测器的PMSM无速度传感器控制系统进行了软件设计。结果证明了本文采用基于滑模观测器的无速度传感器控制策略,具有鲁棒性好、控制算法简单和易于工程实现等特点,并且拓展了PMSM无速度传感器方法的应用范围。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第1章绪论  11-18
  1.1 课题研究的背景及意义  11-13
  1.2 永磁同步电机无速度传感器技术的发展状况  13-16
    1.2.1 永磁同步电机无速度传感器控制系统的国内外研究现状  13-14
    1.2.2 基于滑模观测器的PMSM无速度传感器控制方法  14-16
  1.3 论文研究的主要内容  16-18
第2章永磁同步电机的数学模型和矢量控制原理  18-29
  2.1 引言  18
  2.2 永磁同步电动机的坐标变换  18-20
  2.3 永磁同步电机的数学模型  20-21
    2.3.1 永磁同步电动机在三相定子坐标系下的数学模型  20-21
    2.3.2 永磁同步电动机在两相定子坐标系下的数学模型  21
    2.3.3 永磁同步电动机在两相旋转坐标系下的数学模型  21
  2.4 永磁同步电机矢量控制原理  21-23
  2.5 永磁同步电动机的SVPWM技术  23-28
    2.5.1 SVPWM的基本思想  23-24
    2.5.2 SVPWM的实现  24-28
  2.6 本章小结  28-29
第3章基于滑模观测器的PMSM无速度传感器控制系统设计  29-51
  3.1 引言  29
  3.2 滑模变结构控制的基本原理  29-32
    3.2.1 变结构控制的发展历史  29-30
    3.2.2 变结构控制的基本原理  30
    3.2.3 滑模变结构控制的基本原理  30-32
  3.3 滑模变结构控制器的设计  32-33
    3.3.1 滑模面的设计  32-33
    3.3.2 控制律的选取  33
  3.4 滑模变结构控制的核心问题  33-36
    3.4.1 “抖振”的产生  34-35
    3.4.2 “抖振”的削弱  35-36
  3.5 基于滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制  36-42
    3.5.1 传统滑模观测器的控制策略  36-39
    3.5.2 新型滑模观测器的控制策略  39-41
    3.5.3 基于滑模观测器的PMSM无速度传感器控制方案  41-42
  3.6 基于滑模观测器的PMSM无速度感器控制仿真研究  42-50
    3.6.1 系统仿真模型的建立  42-47
    3.6.2 仿真结果及分析  47-50
  3.7 本章小结  50-51
第4章控制系统软硬件设计  51-61
  4.1 引言  51
  4.2 控制系统的硬件设计  51-55
    4.2.1 TMS320F2812简介  51-52
    4.2.2 控制系统主电路  52-55
  4.3 控制系统的软件设计  55-60
    4.3.1 软件开发环境  55-56
    4.3.2 软件设计流程  56
    4.3.3 主程序  56-57
    4.3.4 系统中断服务子程序  57-58
    4.3.5 滑模观测器子程序  58
    4.3.6 SVPWM实现子程序  58-60
  4.4 本章小结  60-61
第5章结论与展望  61-63
参考文献  63-67
攻读学位期间取得科研成果目录  67-68
致谢  68

基于滑模观测器的PMSM无速度传感器控制

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