自抗扰控制技术在永磁同步电机调速系统中的应用

摘要

近年来，永磁同步电机以其高功率密度、结构简单以及高可靠性等优点，在交流调速领域得到了广泛的应用。对于永磁同步电机调速系统，有两方面内容值得研究:无传感器控制技术和控制算法。针对无传感器控制技术，本文利用自抗扰控制技术中的扩张状态观测器对反电动势进行估计，并从中解算出转子位置和转速信息，为永磁同步电机提供了一种新的转速估计算法;针对控制算法，本文利用自抗扰控制器对模型不确定性和扰动鲁棒性极强的特点，为永磁同步电机设计了四种自抗扰控制算法，提高了调速系统的鲁棒性。
　　首先，为了后文进行无传感器控制和控制算法的研究，本文介绍了永磁同步电机在三类坐标系（分别是ABC自然坐标系、α-β静止坐标系和d-q同步旋转坐标系）下的数学模型，分析了id=0矢量控制的基本原理和框架结构，阐述了自抗扰控制技术的组成和实现细节。
　　其次，针对永磁同步电机无传感器控制，本文设计了基于扩张状态观测器的转子位置和转速估计算法，并与常用的滑模观测器法进行了对比。将永磁同步电机α-β静止坐标系下的电流方程作为参考，将其中的反电动势项扩张成为一个新的状态，利用扩张状态观测器对其进行实时估计，然后设计了锁相环系统，从估计得到的反电动势中解算出转子位置和转速信息。仿真结果表明，相比于滑模观测器，扩张状态观测器对反电动势、转子位置和转速均具有更好的估计效果和更高的估计精度，可以为永磁同步电机的无传感器控制提供支持。
　　再者，针对传统PI调节器难以满足永磁同步电机高稳态控制精度和对负载变化的强鲁棒性的需求，本文设计了四种自抗扰控制器。针对矢量控制转速环，设计转速环自抗扰控制器取代PI转速调节器，为了进一步提高自抗扰控制器的鲁棒性，引入了卡尔曼观测器，设计了基于卡尔曼观测器的自抗扰控制器。针对矢量控制电流环，设计电流环自抗扰控制器取代PI电流调节器，使得电流环能更加谁确快速地对指令电流进行跟随。将转速环和电流环合二为一，设计了二阶自抗扰控制器。仿真结果表明，相比于传统的PI调节器，使用自抗扰控制器的调速系统具有更高的控制精度和对负载变化更强的鲁棒性。
　　最后，为了验证本文提出的各种算法，搭建了永磁同步电机实验平台，通过实验验证了无论是在无传感器控制技术还是在控制算法方面，自抗扰控制技术在永磁同步电机调速系统中都具有极大的应用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 永磁同步电机控制策略及算法

1．2．2 永磁同步电机无传感器控制技术

1．2．3 自抗扰控制技术

1．3 本文组织结构

第2章 基础知识

2．1 永磁同步电机数学模型

2．1．1 永磁同步电机基本方程

2．1．2 坐标变换理论

2．1．3 永磁同步电机数学模型

2．2 永磁同步电机矢量控制系统

2．3 自抗扰控制技术

2．3．1 跟踪微分器

2．3．2 扩张状态观测器

2．3．3 非线性状态误差反馈

2．4 本章小结

第3章 基于ESO的转子位置和转速估计算法

3．1 数学模型

3．2 基于观测器法的反电动势估计

3．2．1 滑模观测器法

3．2．2 扩张状态观测器法

3．3 转子位置和转速估计

3．4 仿真分析

3．4．1 反电动势估计

3．4．2 转子位置估计

3．4．3 转速估计

3．5 本章小结

第4章 永磁同步电机自抗扰控制器设计

4．1 转速环自抗扰控制器

4．1．1 数学模型

4．1．2 自抗扰控制器设计

4．1．3 基于卡尔曼观测器的自抗扰控制器

4．1．4 仿真分析

4．2 电流环自抗扰控制器

4．2．1 数学模型

4．2．2 自抗扰控制器设计

4．2．3 仿真分析

4．3 二阶自抗扰控制器

4．3．2 自抗扰控制器设计

4．3．3 仿真分析

4．4 本章小结

第5章 永磁同步电机调速系统实验平台设计

5．1．1 TMS320F28335 DSP数字信号处理器

5．1．2 功率驱动主回路

5．1．3 信号采集电路

5．2 系统软件

5．2．1 主程序

5．2．2 中断服务子程序

5．3 实验结果及分析

5．3．1 转子位置和转速估计实验

5．3．2 自抗扰控制器实验

5．4 本章小结

第6章 结束语

6．1 本文的主要工作和贡献

6．2 工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果