基于自适应滑模的船舶推进PMSM无速度传感器矢量控制研究

摘要

随着电力电子技术的发展和大功率交流电机变频调速技术的日趋成熟，船舶交流电力推进系统逐渐体现出其优越性，并成为船舶未来推进装置的发展方向。然而，高性能交流伺服系统中需要安装机械传感器，以获得精确的电机转子反馈信息。考虑到船舶推进电机的实际工作环境以及传感器安装维护的困难性，机械传感器不适合应用于船舶推进电机控制系统中。因此，研究基于先进无速度传感器的船舶推进电机矢量控制技术，具有极高的学术价值和广阔的应用前景。
　　本文首先深入分析了船舶推进永磁同步电机的基本结构和数学模型，并结合螺旋桨负载特性和船舶运动数学模型研究，建立了采用永磁同步电机推进系统的船舶整体运动数学模型。并且，采用矢量控制理论、坐标变换和电压空间矢量技术等，建立了基于Matlab/Simulink的船舶推进系统仿真模型。
　　进而，针对基于传统滑模观测器的无速度传感器技术中的转子位置与转速估算信息存在较大抖振的缺点，本文分别提出了加权滑模观测器和自适应滑模观测器，并引入高频滤波算法，实现了转子估算信息更为精确的无速度传感器技术，抖振现象同时得以明显抑制。
　　最后，结合矢量控制技术和所得船桨整体模型、永磁同步电机推进模型和基于自适应滑模的无速度传感器技术，设计了船舶推进永磁同步点矢量控制系统，并针对多种工况，进行了大量仿真研究和比较分析，结果验证了本文所提出的基于自适应滑模的船舶推进永磁同步电机无速度传感器矢量控制系统的有效性和优越性。
　　本文提出的基于自适应滑模的无速度传感器技术，进一步丰富了船舶推进永磁同步电机无速度传感器控制理论。同时，相应的理论分析和建模仿真，为该领域的进一步深入理论研究和工程实践奠定了坚实基础。

目录

声明

论文说明

摘要

第1章 绪论

1．1 本文研究背景和意义

1．2 相关领域研究现状

1．2．1 电力推进船舶研究现状

1．2．2 矢量控制技术研究现状

1．2．3 无速度传感器研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 船舶推进永磁同步电机系统

2．1 船舶推进PMSM数学模型

2．1．1 永磁同步电机结构和分类

2．1．2 PMSM数学模型及坐标变换

2．2 船桨数学模型

2．2．1 螺旋桨负载数学模型

2．2．2 螺旋桨与船体的相互作用

2．2．3 船舶运动数学模型

2．3 推进电机矢量控制

2．3．1 矢量控制基本原理与控制策略

2．3．2 空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术

2．4 基于滑模观测器的无速度传感器

2．4．1 滑模观测器基本原理

2．4．2 反电动势估算转子位置和转速原理

2．5 本章小结

第3章 基于自适应滑模观测器的PMSM无速度传感器设计

3．1 基于传统滑模观测器的无速度传感器

3．1．1 传统滑模观测器的设计

3．1．2 基于传统滑模观测器的转子信息估计

3．1．3 传统滑模观测器存在的缺点

3．2 加权滑模观测器的设计

3．2．1 加权滑模观测器的设计

3．2．2 加权滑模观测器稳定性分析

3．3 自适应滑模观测器的设计

3．3．1 自适应滑模观测器

3．3．2 自适应滑模观测器稳定性分析

3．4 基于自适应滑模观测器无速度传感器设计

3．4．1 基于自适应滑模观测器转子信息估计

3．4．2 自适应滑模观测信息中高频抖振的削弱

3．5 仿真研究

3．6 本章小结

第4章 基于自适应滑模的无速度传感器矢量控制

4．1 基于自适应滑模观测器的PMSM控制方案

4．2 基于自适应滑模观测器的PMSM矢量控制系统设计

4．2．1 坐标变换子模块

4．2．2 空间电压矢量子模块

4．2．3 永磁同步电机及其螺旋桨负载子模块

4．2．4 基于ASMO的无速度传感器子模块

4．3 仿真研究与结果分析

4．3．1 恒负载恒转矩仿真结果与分析

4．3．2 考虑外部扰动的仿真结果与分析

4．3．3 船舶螺旋桨负载下仿真结果与分析

4．4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文和专利

致谢