基于模糊控制的永磁同步电机无位置传感器驱动系统硕士学位论文
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I
硕士学位论文
摘 要
随着微处理器技术、电力电子技术和永磁材料制造工艺的发展，以及永磁同步电机(PMSM)自身的结构和运行特点，PMSM驱动系统在工农业生产和航天等领域的应用越来越广泛。但是永磁同步电机驱动系统的良好性能都是建立在闭环控制基础之上的，因此如何获取转子位置和速度信号是整个系统中相当重要的一个环节。传统控制系统中位置主要由旋转变压器或者光电编码盘提供，但此类位置传感器均有着成本高，维护困难，恶劣工况适用性差等本质上的缺陷。因此，在一些特殊及精度要求不高的场合，由只根据采样电流、电压等易测量，通过特定方法估算转子位置和转速的无位置传感器控制策略将得到广泛应用。为进一步提高PMSM调速系统的快速性、稳定性和鲁棒性，具有易于构造、输出量连续、可靠性高、超调量小、鲁棒性强、能够克服非线性因素的影响等特点的模糊控制方法得到了越来越多的关注。
本文以永磁同步电机无位置传感器驱动控制系统为研究对象，主要工作分为MATLAB/SIMULINK仿真与系统的软、硬件实现两部。第一部分工作建立了永磁同步电机的数学模型，并在此基础上介绍了相关矢量控制原理，尤其是本文所采用的定子电流最优控制策略。同时根据无位置传感器相关原理建立了用于替代传统机械位置传感器的滑模观测器，并引入基于模糊控制理论的模糊PI来替代传统PI，完成了系统的MATLAB仿真。第二部分工作制作了以TMS320F2808DSP为核心控制芯片的硬件平台，软件的编写和工厂现场调试。
MATLAB仿真和实验结果均表明了系统的有效性以及良好的控制性能，是一种较为理想的控制方案。
关键词: 永磁同步电机；无位置传感器；定子电流最优；模糊PI；DSP
II
基于模糊控制的永磁同步电机无位置传感器驱动系统硕士学位论文
Abstract
With the development of microprocessor technology, power electronics technology and permanent magnetic materials manufacturing techniques, as well as tructure and operating characteristics of permanent magnet synchronous motor (PMSM), the PMSM drive system is widely applied in the areas of industrial and agricultural production. But the good performances of PMSM drive system are based on closed-loop control, it is quite important of how to obtain the rotor position and speed signals in this system. Traditionally, the rotor position of the control system is mainly supplied by the resolver or optical encoder disk, but such position sensors have the nature defects of high costs, maintenance difficulties and poor performances in bad working conditions. Thus, sensorless control strategy which only according the sampling of the current and voltage to estimate the rotor position and speed by specific methods will be widely applied. To enhance the speed, stability and robustness of PMSM drive system further, fuzzy control method which has the characteristic of easy configuration, continue output, high reliability, small overshoot and strong robustness has gained more and more attention.
In this paper, sensorless permanent magnet synchronous motor drive system for the study is mainly divided into two parts of MATLAB/SIMULINK simulation and system software and hardware achievement. In the first part, the auther established a mathematical model of PMSM, and on this basis, introduced the relevant principles of vector control, particularly the optimal control strategy used in this paper. At the same time, the author not only established a sliding mode observer to replace traditional mechanical position sensors according to the relevant principles, but also fuzzy PI to replace traditional PI under the introduction of fuzzy control theory, and then completed MATLAB simulation of the system. The second part included the designing of a hardware experiment platform using TMS320F2808DSP for core control chip, software development and plant debugging.
The results of MATLAB simulation and experiment, which show the prime control performance of the program and effectiveness of the system, prove that this program is an ideal control method．
Key Words: PMSM; Sensorless; Vector Control; Fuzzy PI; DSP
III
硕士学位论文
目 录
学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书 ................... 错误！未定义书签。 摘 要 .......................................................................................................................... II Abstract .................................................................................................................... III 目 录 ........................................................................................................................ IV 第1章 绪 论 ............................................................................................................. 1
1.1 选题背景及意义 ............................................................................................ 1 1.2交流控制系统现状及发展趋势 ...................................................................... 2
1.2.1国内外研究概况 ................................................................................... 2 1.2.2发展趋势 ............................................................................................... 3 1.3交流系统控制策略概述 .................................................................................. 4 1.4本文研究的主要内容 ..................................................................................... 6 第2章 永磁同步电机的控制原理 ............................................................................. 7
2.1 永磁同步电机的结构..................................................................................... 7 2.2永磁同步电机的数学模型 .............................................................................. 8
2.2.1 永磁同步电机在三相静止坐标系下的模型 ........................................ 8 2.2.2 坐标变换 .............................................................................................. 9 2.2.3 永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型 ........................................ 11 2.3 永磁同步电机的矢量控制技术 ................................................................... 12 2.4 定子电流最优控制 ...................................................................................... 14 2.5 空间电压矢量调制原理 ............................................................................... 15
2.5.1电压空间矢量脉宽调制技术 .............................................................. 16 2.5.2磁链轨迹控制 ..................................................................................... 19 2.5.3扇区的确定 ......................................................................................... 22 2.6本章小结 ....................................................................................................... 22 第3章 基于滑模观测器的无位置传感器控制 ........................................................ 23
3.1 滑模变结构控制基本原理 ........................................................................... 23
3.1.1 变结构控制概述 ................................................................................ 23 3.1.2滑动模态及数学表达 .......................................................................... 24 3.2滑模观测器的转子位置估算方法 ................................................................ 25 3.3 滑模观测器仿真及分析 ............................................................................... 28
3.3.1整体框架 ............................................................................................. 28
IV