无位置传感器无刷电机的状态估计及其在扰动不确定情况下的控制

发布时间：2017-10-23 03:15

  本文关键词：无位置传感器无刷电机的状态估计及其在扰动不确定情况下的控制

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【摘要】：无刷电机主要分为永磁同步电机和直流无刷电机两类，这两类无刷电机在电机结构、工作原理和控制方式方面都具有极大的相似性。在实际应用中，在控制系统设计方面也都存在扰动不确定性等问题的影响。无刷电机具有转矩体积比高的特性，更快的动态响应，高效和高稳定性，更加长寿等优点而被广泛应用。而取消无刷电机控制系统中的位置传感器，通过软件的方式估计出电机的位置和速度等状态，则进一步提高了系统在极端环境下的稳定性，，节约空间，缩减成本。因此，无传感器无刷电机控制系统在消除扰动不确定性影响和状态估计这两方面成为了研究热点。 本文以无刷电机中性能特点更具代表性的永磁同步电机为例，首先针对永磁同步电机在实际应用中存在的扰动不确定性问题，本文提出了一种基于线性扩展状态观测器的扰动观测器和基于Lyapunov稳定性的非奇异终端滑模位置控制器复合控制器。其中，基于线性扩展状态观测器的扰动观测器通过前馈补偿来抑制扰动。为了进一步提高控制系统存在正弦形式扰动情况下的性能，文中采用一种具非奇异终端滑模位置控制器，该控制器能够确保状态误差在有限时间内收敛至零。另外，文中还考虑了负载转矩、铰链力矩和正弦力矩扰动的特殊形式。通过仿真验证了该复合控制器的性能，证明了其对于位置跟踪、负载扰动鲁棒性和电机参数不确定性上具有很好的性能。 然后本文针对无传感器永磁同步电机控制系统状态估计这一问题，提出了一种基于自适应非线性扩展观测器的永磁同步电机无传感器速率控制策略。在本文中，一种具有更简单结构和更高精度扩展状态观测器被用于估计转子的位置和速率。文中分别讨论了使用线性扩展观测器和非线性扩展观测器来估计永磁同步电机的反电动势，后者，由于其具有更好的收敛性而被采用。并使用Lyapunov理论来分析状态观测器估计误差的收敛特性。为了同时顾及稳定性和稳态误差，提出了一种自适应非线性状态观测器，该观测器将非线性扩展状态观测器的参数自适应调整到一个折衷值。并通过仿真和实验论证了该方法的性能。 最后构建了基于F28335MCU处理器的实验系统，通过实验对本文设计的状态方法进行了验证，结果表明了相比于传统滑模状态估计算法，非线性扩展观测器状态估计具有抖振更小，没有时延等优点，为以后的理论研究以及工程实现打下了基础。
【关键词】：无刷电机 永磁同步电机 无位置传感器 扩展观测器 非奇异终端滑模控制器
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM35
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-24
• 1.1 本论文研究的背景及意义11-12
• 1.2 无传感器无刷电机控制系统国内外研究现状及发展趋势12-18
• 1.2.1 电机参数摄动及负载扰动不确定补偿控制13-16
• 1.2.2 负载扰动不确定形式16-17
• 1.2.3 无刷电机转子位置检测17-18
• 1.3 本文研究对象的数学模型18-22
• 1.4 论文的主要工作22-24
• 第2章 无刷电机控制系统的控制原理及 SIMULINK 模型仿真24-49
• 2.1 无刷电机控制系统的系统结构及控制原理24-31
• 2.1.2 无刷直流电机的控制原理26-29
• 2.1.3 基于空间矢量的永磁同步电机的控制原理29-31
• 2.2 无位置传感器无刷电机控制系统的 MATLAB 仿真31-43
• 2.2.1 电流环及脉冲产生模块32-41
• 2.2.1.1 直流无刷电机电流环及脉冲产生模块设计32-34
• 2.2.1.2 直流无刷电机电流环及脉冲产生模块设计34-41
• 2.2.2 无刷电机本体模块41-42
• 2.2.3 电压逆变器模块42-43
• 2.3 Matlab 仿真结果及分析43-49
• 第3章 无刷电机扰动情况下的复合控制49-57
• 3.1 无刷电机扰动不确定情况的问题描述与数学模型49-50
• 3.2 针对扰动不确定情况下的复合控制器设计50-54
• 3.2.1 基于线性扩展观测器的前馈补偿50-52
• 3.2.2 非奇异终端滑模控制器52-54
• 3.3 复合控制器及其 Matlab 仿真验证及分析54-57
• 第4章 基于自适应非线性扩展观测器的无传感器无刷电机状态估计57-74
• 4.1 无刷电机的线性 ESO 状态估计器分析58-59
• 4.2 无刷电机的非线性扩展观测器的设计及 Lyapunov 稳定性证明59-64
• 4.3 自适应非线性扩展观测器设计及无传感器无刷电机的状态估计64-65
• 4.3.1 非线性扩展观测器的参数自适应调整算法64-65
• 4.3.2 无传感器无刷电机转子位置与转子速度的估计65
• 4.4 自适应非线性扩展观测器的 MATLAB 仿真实现及结果分析65-74
• 第5章 无位置传感器无刷电机控制系统设计与实验74-91
• 5.1 无位置传感器无刷电机控制系统硬件设计74-81
• 5.1.1 控制电路设计75-76
• 5.1.2 系统电源及整流电路76-77
• 5.1.3 三相逆变电路77-79
• 5.1.4 电流采样电路79-81
• 5.2 无位置传感器无刷电机控制系统软件设计81-82
• 5.3 实验结果及分析82-91
• 结论91-93
• 参考文献93-101
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单101-102
• 致谢102

【参考文献】

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本文编号：1081337