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基于滑模观测器的永磁同步电机矢量控制研究

胡蓉  
【摘要】:由于具有结构简单、体积小、效率高、运行可靠、维护方便等优点,永磁同步电机现今被广泛应用于民用和工业传动领域。在永磁同步电机控制系统中,为获得准确的转子位置与速度信息以实现电机高性能闭环控制,常常需要在转子上安装位置或速度传感器实现转子位置与速度信号的采集。传感器的安装一方面增加了系统成本,另一方面提高了系统复杂度导致了系统可靠性的降低,在一定程度上限制了永磁同步电机的应用推广。因此,开展基于无传感器的永磁同步电机控制技术研究十分必要。对比对各种无传感器控制策略,本文采用滑模变结构理论实现永磁同步电机转子位置与速度的估算。 论文首先介绍了永磁同步电机的发展现状,着重对现有无传感器控制策略做了对比分析。随后,分别在三种坐标系下建立了永磁电机的数学模型,研究了永磁电机矢量控制的基本原理,重点探讨了空间电压矢量脉宽调制实现过程。为实现系统高性能控制,本文采用id=0的永磁电机矢量控制策略。 其次,深入研究了滑模变结构控制理论,探讨了基于滑模观测器的转子位置与速度估算过程。分析了传统观测器存在的抖振、相位延迟与速度估算不够精确等问题,针对这些问题进行了改进研究。采用饱和函数替代开关函数削弱抖振;通过两相静止坐标系下的反电势数学模型构建反电势观测器,以得到更为精确的反电势值用于位置与转速估算;针对滑模观测系数与反电势观测系数的设置,使之与转速相关联,以实现对转速变化的适应性,提高观测器估算性能;采用跟随转速变化的低通滤波截止频率,应用于低通滤波器,得到良好的滤波效果,应用于转子位置补偿,提高补偿效果降低DSP计算量。在MATLAB环境下建立了永磁同步电机矢量控制系统仿真模型,同时搭建传统观测器与改进观测器的算法仿真模型,分别进行仿真分析,对比仿真结果证明了算法改进的有效性。 通过理论分析,采用模块化思想编写了基于滑模观测器的永磁同步电机无传感器矢量控制算法程序。为降低系统成本提高系统稳定性,采用LabVIEW8.6编写了虚拟示波仪器用于对电机运行过程中关键波形的实时监测。最后,在实验室基于TMS320F2812控制芯片的交流调速实验平台上进行了永磁同步电机有位置传感器与无传感器矢量控制实验,分别在恒定转速,突增转速,负载扰动的情况下对两种算法进行了实验研究。对比实验结果表明,本文改进的滑模观测算法,能有效地估算转子位置与速度信息,用于无传感器控制具有正确性与可靠性。


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