磁通切换型永磁直线电机无位置传感器驱动控制系统研究

摘要

随着经济的飞速发展，科技的快速进步，像直线电机这种能够直接产生持续的单向或者往复机械运动，省去了中间传动环节的执行机构，获得了日益广泛的应用。本文以模块化磁通切换永磁直线电机(CMLFSPM电机)为研究对象，此种电机将绕组置于动子侧，大大降低电机成本，为远距离应用场合提供了一种高效率、高可靠性且低成本的解决方案。而要实现CMLFSPM电机高精度的矢量控制需要安装直线光栅编码器，不但增加了电机的尺寸、体积和成本，还降低了系统的可靠性。为了解决这种问题，本文研究CMLFSPM电机的无位置传感器控制，不仅具有重要的理论意义，而且有工程应用价值。
　　论文主要研究内容分为以下几个方面:
　　1)阐述了论文的研究背景与意义。对定子永磁型直线电机的海内外研究近况以及无位置传感器控制算法进行了概述。
　　2)详细介绍了磁通切换永磁直线电机的基本结构以及工作原理。建立了三相定子坐标系下CMLFSPM电机的数学模型以及d-q轴旋转坐标系下的数学模型。对磁通切换直线电机的基本控制策略，包括矢量控制、直接推力控制，电流滞环控制和空间电压矢量控制进行了简要介绍。
　　3)对自适应算法的原理进行了简单的说明，并详细介绍了模型参考自适应系统的基本结构和基本原理。分析了基于模型参考自适应算法的模块化磁通切换永磁直线电机无位置传感器算法，推算出了速度的辨识公式，并对CMLFSPM电机的模型参考自适应无位置传感器控制系统速度估算误差进行了分析。
　　4)在Matlab/Simulink环境下分别搭建了CMLFSPM电机的本体模型，基于模型参考自适应磁通切换永磁直线电机无位置传感器滞环控制模型、基于模型参考自适应算法的磁通切换永磁直线电机无位置传感器空间电压矢量控制仿真模型。
　　5)设计了CMLFSPM电机无位置传感器控制驱动系统的软硬件。对控制系统所需的硬件电路进行了详细的说明。软件部分主要介绍了主程序流程以及速度位移估算程序流程、速度PI调节程序流程和位移控制程序流程。
　　6)根据基于模型参考自适应系统CMLFSPM电机无位置传感器控制的电流滞环控制策略、SVPWM控制策略，利用建立的MATLAB/Simulink的电机无位置传感器控制系统模型和CMLFSPM电机无位置传感器驱动控制平台，进行了仿真与实验研究。首次研究了针对CMLFSPM电机无位置传感器控制的位移闭环控制、速度闭环控制。实验与仿真证明论是在空载或者负载突变的工况下，基于模型参考自适应CMLFSPM电机无位置传感器控制系统无都具有良好的动静态特性，速度闭环和位移闭环控制性能优越，响应迅速，速度估算准确。
　　7)研究了基于模型参考自适应CMLFSPM电机无位置传感器控制在电梯门机上的应用，详细介绍了电梯门机用CMLFSPM电机性能以及门机系统运行需求，此外，对门机控制系统的实验结果进行了详细的分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 定子永磁型直线电机研究现状

1．3 无位置传感器控制研究概况

1．3．1 适用于中高速运行时的转子位置自检测技术

1．3．2 适用于转子静止以及低速情况下的转子位置自检测技术

1．4 本文主要研究内容

第2章 CMLFSPM电机结构、工作原理、数学模型、控制策略

2．1 引言

2．2 电机结构

2．3 工作原理

2．4 电机数学模型

2．4．1 基于三相定子坐标系下的CMLFSPM电机数学方程

2．4．2 基于d-q旋转坐标系下的CMLFSPM电机数学模型

2．5 电机控制策略

2．5．1 矢量控制

2．5．2 直接推力控制

2．5．3 电流滞环控制

2．5．4 空间电压矢量控制

2．6 本章小结

第3章 CMLFSPM电机无位置传感器控制

3．1 引言

3．2 模型参考自适应系统(MRAS)原理

3．3 基于模型参考自适应磁通切换永磁直线电机(CMLFSPM-MRAS)无位置传感器控制

3．3．1 CMLFSPM电机速度辨识

3．3．2 CMLFSPM电机模型参考自适应误差分析

3．4 CMLFSPM-MRAS Matlab／Simulink建模

3．4．1 基于Matlab／Simulink的CMLFSPM电机本体建模

3．4．2 CMLFSPM-MRAS滞环Matlab／Simulink建模

3．4．3 CMLFSPM-MRAS空间电压矢量控制系统Matlab／Simulink建模

3．5 总结

第4章 CMLFSPM电机无位置传感器系统软硬件设计与实现

4．1 引言

4．2 硬件电路设计

4．2．1 控制器的选择

4．2．2 主电路设计

4．2．3 电压、电流采样电路设计

4．2．4 驱动电路设计

4．3 软件设计

4．3．1 主程序的设计

4．3．2 转子位置和速度估算程序的设计

4．3．3 速度控制程序的设计

4．3．4 位移控制程序的设计

4．4 实验平台

4．5 总结

第5章 CMLFSPM-MRAS系统仿真与实验研究

5．1 引言

5．2 CMLFSPM-MRAS滞环控制仿真与实验

5．2．1 速度闭环控制仿真研究

5．2．2 速度闭环控制实验研究

5．2．3 位移闭环仿真研究

5．2．4 位移闭环实验研究

5．3 CMLFSPM-MRAS空间电压矢量控制仿真与实验

5．3．1 速度闭环仿真研究

5．3．2 速度闭环实验研究

5．4 总结

第6章 CMLFSPM电机无位置控制算法工程应用

6．1 引言

6．2 电梯门机用CMLFSPM电机

6．3 门机系统运行需求

6．4 门机系统实验波形

6．5 总结

第7章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 课题展望

参考文献

攻读硕士研究生期间学术成果

致谢