基于扩张状态观测器的永磁同步电机无传感器控制技术研究

发布时间：2017-11-01 21:13

  本文关键词：基于扩张状态观测器的永磁同步电机无传感器控制技术研究

  更多相关文章： 永磁同步电机 无位置传感器控制 扩张状态观测器 I/F起动控制 平滑切换

【摘要】：目前,在中小功率伺服驱动领域,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因其结构简单、功率密度大、效率高、运行平稳等优点,已经成为主流之选。矢量控制作为实际工业应用中最广泛的永磁同步电机控制策略,它能够同时满足对速度和电流的精确控制,实现高精度、高动态性能、大范围的速度和位置控制。在高性能永磁同步电机控制系统中,需要随时获取精确的转子位置和速度信息,一般在转子轴上安装机械式传感器直接测量电机的转速和位置,以实现高性能的转速和位置闭环控制。高精度位置传感器的安装不仅降低了系统的可靠性和抗扰能力,同时还增加了控制系统的体积重量和成本。因此无位置传感器控制技术的研究成为目前的研究热点和关键技术。本文基于一台表贴式永磁同步电机,针对观测器技术在PMSM无位置传感器控制系统中的应用及实现进行了相关研究。本文首先从一阶状态观测器的设计出发,介绍了非光滑反馈控制相较于线性反馈控制对状态观测器稳态精度和动态性能的影响,设计了一阶线性状态观测器、滑模观测器以及改进型滑模观测器,通过实验进行对比分析。针对一阶观测器动态响应慢,滑模观测器的“抖振”问题,利用扩张状态观测器(Extended State Observer,ESO)理论对传统观测器进行改造,将电流变量和反电势变量作为状态量进行观测,形成二阶系统,提升了观测精度和动态响应速度。另外,本文针对基于正交锁相环速度信号提取法提出改进措施,利用状态微分器结构取代传统的PI结构,通过理论分析和实验验证了改进型的速度信号提取方法提升了观测精度,增强了观测器对系统噪声的抗干扰性能。其次,本文针对无传感器起动过程,分析了传统的V/F起动方法的缺点,采用I/F单电流闭环控制替代V/F控制实现永磁同步电机无传感器的起动,对起动电流阀值和加速曲线的设计进行了理论推导。最后本文对低速区至高速区的无传感器控制方法切换的动态过程进行了分析和研究,分别采用了基于虚拟坐标系加速和电机自平衡原理的两种方法实现了过渡过程的平滑切换,通过仿真和实验对比分析了两种方法的优缺点。
【关键词】：永磁同步电机 无位置传感器控制 扩张状态观测器 I/F起动控制 平滑切换
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM341;TP273
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 注释表10-11
• 缩略词11-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 课题研究的背景和意义12
• 1.2 永磁同步电机无位置传感器控制技术的研究现状12-17
• 1.3 国内外无位置传感器控制产品的发展与现状17
• 1.4 本文的主要研究内容17-19
• 第二章 永磁同步电机的数学模型与矢量控制策略19-25
• 2.1 引言19
• 2.2 永磁同步电机的数学模型19-21
• 2.2.1 永磁同步电机的基本结构19-20
• 2.2.2 永磁同步电机在旋转坐标系下的基本方程20-21
• 2.3 永磁同步电机矢量控制技术21-22
• 2.4 无位置传感器控制技术原理22-24
• 2.4.1 永磁同步电机静止坐标系下的数学模型23
• 2.4.2 无位置传感器控制系统的基本结构23-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第三章 基于ESO的PMSM无位置传感器控制技术研究25-47
• 3.1 引言25
• 3.2 基于观测器理论的反电势估算25-34
• 3.2.1 状态观测器理论25-26
• 3.2.2 线性反馈与非光滑反馈理论26-28
• 3.2.3 基于状态观测器的计算方法28-32
• 3.2.4 基于扩张状态观测器计算方法32-34
• 3.3 基于不同结构的位置、转速信号的提取34-39
• 3.3.1 基于锁相环结构的转速提取34-36
• 3.3.2 基于状态观测器结构的转速提取36-37
• 3.3.3 基于非光滑反馈状态观测器结构的转速提取37-39
• 3.4 实验验证39-46
• 3.4.1 不同观测器结构下的实验对比39-44
• 3.4.2 不同位置、转速信号提取结构的实验对比44-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第四章 PMSM无位置传感器起动控制与平滑切换策略研究47-57
• 4.1 引言47
• 4.2 I/F起动控制环节设计与实现47-50
• 4.2.1 转子预定位47
• 4.2.2 基于电流-频率单闭环的自起动控制策略47-48
• 4.2.3 加速过程研究48-50
• 4.3 平滑切换过程研究50-54
• 4.3.1 I/F起动切换至双闭环运行50
• 4.3.2 基于虚拟坐标系角度误差补偿的切换方案50-51
• 4.3.3 基于电机自平衡原理的切换方案51-54
• 4.4 实验验证54-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 总结与展望57-59
• 5.1 本文的主要工作57
• 5.2 下一步工作展望57-59
• 参考文献59-63
• 致谢63-64
• 在学期间的科研成果及获奖情况64

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张懿;杨康;魏海峰;茅露露;;基于滑模观测器的永磁同步电动机无位置传感器运行[J];微特电机;2014年11期

2 易伯瑜;康龙云;陶思念;赵先娴;郭红霞;;基于两段卡尔曼滤波器的内置式永磁电机观测器设计[J];电工技术学报;2014年09期

3 金光哲;徐殿国;高强;寇佳宝;李志城;;高频注入电压预估同步电机转子位置检测方法[J];中国电机工程学报;2014年09期

4 刘颖;周波;冯瑛;赵承亮;;基于脉振高频电流注入SPMSM低速无位置传感器控制[J];电工技术学报;2012年07期

5 王子辉;叶云岳;;反电势算法的永磁同步电机无位置传感器自启动过程[J];电机与控制学报;2011年10期

6 鲁文其;胡育文;杜栩杨;黄文新;;永磁同步电机新型滑模观测器无传感器矢量控制调速系统[J];中国电机工程学报;2010年33期

7 刘颖;周波;方斯琛;;基于新型扰动观测器的永磁同步电机滑模控制[J];中国电机工程学报;2010年09期

8 汪海波;周波;方斯琛;;永磁同步电机调速系统的滑模控制[J];电工技术学报;2009年09期

9 郝雯娟;邓智泉;王晓琳;;基于增强型自适应观测器的永磁同步电机无速度传感器[J];电工技术学报;2009年03期

10 王庆龙;张崇巍;张兴;;基于变结构模型参考自适应系统的永磁同步电机转速辨识[J];中国电机工程学报;2008年09期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 卢达;永磁同步电机调速系统控制策略研究[D];浙江大学;2013年

2 王子辉;永磁同步电机全速度范围无位置传感器控制策略研究[D];浙江大学;2012年

3 陈荣;永磁同步电机伺服系统研究[D];南京航空航天大学;2005年

，

本文编号：1128544