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永磁同步电机无位置传感器矢量控制的研究

作　者: 陈灵勇
导　师: 陈德荣
学　校: 上海交通大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 永磁同步电机 SVPWM 矢量控制弱磁控制无位置传感器控制技术线性状态观测器
分类号: TM341
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着电力电子技术、微电子技术、自动化技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电机控制理论的飞速发展,永磁同步电机在中低容量的运动控制系统中得到了广泛的应用,尤其是在伺服传动领域。永磁同步电动机具有功率密度高、运行效率高和无需励磁电流等优点,正在逐步取代直流电机、步进电机而成为伺服传动的发展方向。在传统的伺服控制系统中,通常采用光电编码器或测速发电机等来检测转子的位置和速度来实现转子位置定向和速度的调节。然而这些位置传感器的安装,增加了系统的维护要求、成本及电机转子轴上的转动惯量,加大了电机尺寸,增加了电机与控制系统之间的连接线路和接口电路,使系统易受环境干扰,降低了系统的可靠性,限制了永磁同步电动机的应用范围。而近些年发展起来的无位置传感器控制技术为解决这些问题提供了良好途径,它利用电机运行中检测到的电压、电流和电机的数学模型来确定电机转子位置和速度,具有不改造电机结构、省去昂贵的机械传感器、降低维护费用和不怕粉尘与潮湿等优点。本文首先介绍了坐标变换理论,建立了不同坐标系下的PMSM的数学模型,并阐述了空间电压矢量的PWM原理,扇区判断的方法和三相SVPWM的调制。接着论述了PMSM的弱磁控制原理,即在电机转速低于额定转速时采用最大转矩/电流控制策略,高于额定转速采用弱磁控制策略,使得电机具有更大的调速范围。最后阐述了PMSM调速系统的原理和无位置传感器控制算法的原理,提出了无位置传感器控制技术的线性状态观测器,利用两相静止坐标系下的定子电压和定子电流作为状态变量,通过线性状态观测器估算出转子的转角和转速,从而实现PMSM的矢量控制。本系统采用STM32F103的MCU为控制核心,以Shinano永磁同步电机为控制对象,进行了电源模块、驱动模块、电流检测模块、HALL/ENCODER检测模块、过温保护模块、RS232驱动模块等系统硬件设计。本文重点介绍了无位置传感器矢量控制的软件实现,主要包括软件系统结构、SVPWM中断服务程序、PMSM状态机图、电机启动处理、定点算法、三角函数、坐标变换、PID调节器器、电流采样和滤波算法、RS232串口通讯实现等。通过对PMSM的无位置传感器算法反复调试修改与优化,得出了电机的PWM驱动、定子电流、转速、转矩和SVPWM相电压等实验波形,并对实验结果进行了分析,结果表明,本系统设计的无位置传感器算法具有算法简单,系统调节性好,能在中高速稳定运行等优点,并且实现了永磁同步电机的弱磁升速,扩大了电机的调速范围,符合系统设计的要求。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-10
第一章绪论  10-17
  1.1 课题研究的目的和意义  10-11
  1.2 永磁同步伺服系统控制策略  11-13
    1.2.1 矢量控制技术  11-12
    1.2.2 直接转距控制  12-13
  1.3 永磁同步电机的无位置传感器技术的研究现状  13-16
  1.4 论文主要研究内容  16-17
第二章 PMSM 的数学模型和理论基础  17-24
  2.1 坐标变换原理  17-21
    2.1.1 三相定子坐标系和两相定子坐标系之间坐标变换  17-19
    2.1.2 两相定子坐标系和两相旋转坐标系之间坐标变换  19-20
    2.1.3 三相定子坐标系和两相旋转坐标系之间坐标变换  20-21
  2.2 永磁同步电机的数学模型  21-24
第三章基于空间电压矢量的PWM 技术  24-34
  3.1 基于空间电压矢量的PWM 原理  24-29
  3.2 扇区判断方法  29-31
  3.3 三相PWM 调制与波形  31-34
第四章永磁同步电机的弱磁控制  34-41
  4.1 引言  34
  4.2 最大转矩/电流控制策略  34-37
  4.3 弱磁控制  37-41
    4.3.1 普通弱磁控制  38-40
    4.3.2 最大输入功率弱磁控制  40-41
第五章基于线性状态观测器的无位置传感器控制技术  41-47
  5.1 引言  41
  5.2 永磁同步电机矢量控制调速系统原理图  41-42
  5.3 无位置传感器算法原理图  42-43
  5.4 线性状态观测器原理  43-47
    5.4.1 PMSM 的状态方程  43-44
    5.4.2 线性状态观测器的设计  44-46
    5.4.3 线性状态观测器的设计分析  46-47
第六章永磁同步电机控制系统的硬件设计  47-54
  6.1 系统硬件结构框图  47
  6.2 MCU 特性介绍  47-49
  6.3 系统硬件设计  49-54
    6.3.1 电源模块设计  49-50
    6.3.2 驱动电路设计  50-51
    6.3.3 电流检测电路  51-52
    6.3.4 HALL/ENCODER 检测电路  52-53
    6.3.5 过温保护电路  53
    6.3.6 RS232 接口电路  53-54
第七章永磁同步电机控制系统的软件设计  54-68
  7.1 开发环境简介  54-55
  7.2 软件系统结构  55
  7.3 SVPWM 中断服务程序  55-56
  7.4 PMSM 状态机图  56-57
  7.5 电机起动  57-59
  7.6 定点算法  59
  7.7 三角函数  59-60
  7.8 坐标变换  60-61
  7.9 PID 调节器  61-64
    7.9.1 PID 调节器采样周期确定  62
    7.9.2 分段线性PID 调节  62-63
    7.9.3 PID 参数整定  63-64
  7.10 电流采样及滤波算法  64-65
  7.11 RS232 通讯  65-68
    7.11.1 硬件传输格式  65
    7.11.2 通讯桢格式  65-66
    7.11.3 数据应答机理  66
    7.11.4 上位机实现  66-68
第八章实验结果及分析  68-76
  8.1 引言  68
  8.2 实验结果及分析  68-76
    8.2.1 电机起动  68-70
    8.2.2 最大转矩/电流控制  70-72
    8.2.3 系统响应性测试  72-73
    8.2.4 弱磁调速控制  73-75
    8.2.5 SVPWM 相电压波形  75-76
第九章结论与展望  76-78
  9.1 结论  76-77
  9.2 展望  77-78
参考文献  78-80
致谢  80-81
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  81-84
上海交通大学学位论文答辩决议书  84

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