卡尔曼滤波器在永磁同步电机矢量控制磁同中的应用研究

摘要

伺服控制系统在工业控制和家用电气等领域的应用越来越广泛，人们对伺服控制产品的性能、功能及性价比要求也越来越高。以数字信号处理技术为基础、以永磁同步电机为执行电机、采用高性能控制策略的全数字化永磁同步交流伺服控制系统必将成为伺服控制系统发展的趋势。 本文首先分析了永磁同步电机矢量控制原理和特点，选取了基于id=0的转子磁场定向控制方式，确立了基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）的双闭环矢量控制系统实施方案，并在Matlab/Simulink中建立了永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型。在分析了永磁同步电机的数学模型后，针对矢量控制系统在低速下由于在单位时间中编码器反馈脉冲信号的很少导致低速下系统稳定性降低的情况，本文设计了一种有位置反馈的卡尔曼速度观测器和转矩观测器，仿真结果显示此策略的可行性，极大的改善了矢量控制系统的低速性能。与此同时，在无位置反馈情况下，本文设计了无位置卡尔曼观测器，建立了其仿真模型，实现对于永磁同步电机的无位置传感器的稳定运行，其有效性也在仿真中得到验证。 结合上述研究，本文以Freescale公司DSP56F8357为硬件核心，在Codewarrior集成开发环境中完成了基于有位置卡尔曼滤波器的矢量控制系统的软件设计，构建了实际电机控制的实验平台。通过PCMaster对电机运行状态进行观测，实验结果证明了有位置反馈卡尔曼滤波器的有效性和实用性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景和意义

1.2交流伺服控制系统

1.2.1伺服系统介绍

1.2.2永磁同步电机伺服控制系统研究现状

1.2.3伺服系统的发展

1.3伺服系统控制方法的发展

1.4本文主要研究内容

第二章永磁同步电机的矢量控制模型

2.1永磁同步电机的数学模型

2.1.1三相永磁同步电机在定子三相坐标系统中的数学方程

2.1.2永磁同步电机在旋转坐标系dq0上的数学方程

2.1.3永磁同步电机在静止αβ0坐标系上的数学方程

2.2永磁同步电机矢量控制模型

2.2.1 PMSM矢量控制原理

2.2.2 id=0控制方式

2.2.3电压空间矢量SVPWM调制技术

2.2.4 id=0 PMSM欠量控制模型

2.3本章小结

第三章卡尔曼滤波器的原理及应用

3.1离散卡尔曼滤波器

3.2扩展膏尔曼滤波器(EKF)

3.3连续系统方程的离散化

3.4本章小结

第四章PMSM矢量控制中卡尔曼滤波器应用仿真

4.1 PASM有位置传感器矢量控制中速度和转矩观测

4.1.1卡尔曼滤波器速度观测的应用模型

4.1.2卡尔曼滤波器负载转矩观测的应用模型

4.1.3 PMSM有位置传感器矢量控制系统模型

4.1.4不考虑系统误差时仿真模型及结果

4.1.5考虑系统误差时仿真模型及结果

4.2 PMSM无位置传感器矢量控制系统的建模与仿真

4.2.1扩展卡尔曼滤波器无位置传感器控制中的应用模型

4.2.2 PMSM无位置传感器矢量控制系统仿真模型

4.2.3仿真模型及结果

4.3本章小结

第五章实验结果及其分析

5.1矢量控制系统实验平台

5.2软件设计

5.2.1 Codewarrior集成开发环境介绍

5.2.2主程序设计

5.2.3定时中断程序设计

5.3有位置传感器速度卡尔曼滤波器实验结果及分析

5.4本章小结

总结与展望

附录矢量控制系统的硬件设计

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢