现代控制技术论文提纲

论文题目：基于滑模观测器的永磁同步电机（PMSM）无速度传感器矢量控制研究

摘要：永磁同步电机（PMSM）及系统具有功率密度大、效率高、可控性好和转矩响应速度快等优点。随着功率半导体器件技术的发展,大规模集成电路、微处理器控制技术和电力电子技术得到了迅速的发展,这为永磁同步电机调速控制的实现提供了有利条件。近年来,永磁同步电机在现代家用电器和高性能工业驱动上得到了广泛的应用。 永磁同步电机具有非线性、多耦合的特点,实现各种条件下电机的转速和转角的准确控制一直是学术界和工业界要解决的难题,随着矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）等现代电机控制技术的应用,永磁同步电机的控制已部分能满足现代工业的需求。但随着工业朝着高、精、尖方向的发展,永磁同步电机的控制还存在着很多需要研究的理论和攻克的技术。永磁同步电机控制的另外一个特点是需要实时获取转子的位置,现在成熟的方案是在转子轴上安装位置传感器,但这样无疑增加了系统的成本,也降低了系统的可靠性。现代控制理论的发展为永磁同步电机的无速度传感器控制提供了可能,越来越多的人开始研究将现代控制理论如滑模控制（Slide Model Control）和状态观测器（State Observer）应用的无速度传感器控制上,因此基于滑模观测器的（Slide Model Observer）永磁同步电机无速度传感器控制成为研究热点。 本文主要研究基于滑模观测器的永磁同步电机无速度传感器矢量控制技术,滑模观测器的实质是状态重构,其原理是重新构造一个系统,利用原系统可直接测量的变量作为输入信号,并使其输出信号在一定条件下等于原系统的状态。在永磁同步电机控制中,滑模观测器的本质是在转子位置观测时利用结构变换开关,以很高的频率来回切换,快速地修正反电势,使估算电流等于实际电流。由于PMSM的反电势中包含有转子位置和转速信息,从而可以利用观测器获取反电势信号就能得到转子位置和转速信息。文章在永磁同步电机矢量控制技术的基础上,在理论上对基于滑模观测器的无速度传感器控制技术进行了介绍和分析,在Matlab/simulink环境中建立了仿真模型并进行了仿真分析,最后进行了系统的实验验证,仿真分析和实验结果均验证了文章应用的基于滑模观测器的无速度传感器控制技术的可行性。 本文第一章首先介绍了永磁同步电机控制的相关技术背景,重点介绍了永磁同步电机无速度传感器控制的基本原理和当前的研究进展,指出了无速度传感器控制技术的主要关键技术和问题,从而引出本文研究的主要内容和意义。 第二章主要介绍了永磁同步电机的矢量控制技术,介绍了坐标变换和空间矢量调制（SVPWM）等技术,推导了永磁同步电机的电压、转矩和运动等数学模型,并介绍了如id=0控制等控制策略,该部分内容为后续的无速度传感器控制的实现提供了基础。 本文第三章重点研究了基于滑模观测器的无速度传感器矢量控制。文中首先介绍了滑模观测器的相关理论,根据相关理论建立了滑模观测器的仿真模型,并将其应用到永磁同步电机的系统仿真模型中。仿真结果表明,本文研究的基于滑模观测器的无速度传感器技术能够在高速和低速区段能很好地辨识永磁同步电机的转子位置和速度,并且具有较高的精度,系统也有很好的可行性。 本文第四章主要介绍了系统的实现和实验验证。论文该部分完成了基于滑模观测器的永磁同步电机无速度传感器矢量控制硬件平台的搭建,完成了系统控制算法的软件实现,最后进行了系统的实验验证。 本文最后一章对论文进行了总结和展望。作者认为从仿真和实验结果来看,论文研究的基于滑模观测器的无速度传感器控制技术具有良好的性能,能够实现在高速、低速、空载和负载等条件下对永磁同步电机转子位置和速度较精确的辨识,对永磁同步电机无速度传感器控制的研究和应用有一定借鉴作用。

关键词：永磁同步电机（PMSM）;无速度传感器矢量控制;滑模观测器;转子位置和速度估计;数学模型

学科专业：电气工程

ABSTRACT

摘要

TABLE OF CONTENTS

CHAPTER 1 INTRODUCTION

1.1 The Research Background

1.1.1 The Development of Power Electronics Devices

1.1.2 Characteristics of PMSM and its Application Status

1.2 Control Methodology for PMSM

1.3 Fundamental Principle of Speed Sensorless Vector Control PMSM

1.4 Current Status of Research on Sensorless Vector Control

1.4.1 Use of Stator Terminal Voltage and Current to Calculate Rotor Speed and Position

1.4.2. Phase Locked Loop Algorithm Based on the Speed Estimation Method

1.4.3 State Observer Based on the Speed/Position Estimation Method

1.4.4 Model Reference Adaptive Control

1.4.5 High Frequency Injection Method

1.4.6 Estimation Method Based on Artificial Intelligence Theory

1.5 Key Problems in Sensorless Vector control

1.6 Aims and Objective of the Research

1.7 Summary

CHAPTER 2 VECTOR CONTROL THEORY FOR PERMANENT MAGNETSYNCHRONOUS MOTOR (PMSM)

2.1 Basic Principle of Coordinates Transformation

2.2 Space Vector Modulation and Its Switching Pattern

2.3 Mathematical Model of Three-Phase Permanent Magnet Synchronous Motors

2.4 Vector Control Strategies for Permanent Magnet Synchronous Motor

2.4.1 i_d=0Control

2.4.2 Maximum Torque with Minimum Current Control

2.4.3 Flux Weakening Speed Control

2.4.4 The Maximum Mower Output Control

2.5 Summary of the Chapter

CHAPTER 3 SPEED SENSORLESS CONTROL OF PERMANENT MAGNETSYNCHRONOUS MOTOR BASED ON SLIDING MODE OBSERVER

3.1 Sliding Model Observer (SMO) back ground

3.2 Sliding Model Observer Method of Application

3.2.1 Back-EMF Observer

3.3 SVPWM Generation with Vector Control Process

3.4 Simulation Analysis

3.5 Summary of the Chapter

CHAPTER 4 DESIGN, IMPLEMENTATION AND EXPERIMENTATION OF THECONTROL SYSTEM

4.1 Schematic Design and Board Layout Rules

4.1.1 Board Design Tips to Get the Best Performance from the F2808 ADCs

4.1.2 Power Supply Recommendation

4.1.3 Board Layout

4.2 The System Hardware Structure

4.2.1 IGBT Drive Circuit

4.2.2 The DSP TI TMS320F2808 and peripherals Controller circuits

4.2.3 Experimental System Hardware Platform Setup

4.3 System Software Program Design

4.3.1 System Initialization Program Design

4.3.2 Control System Programming Design

4.3.3 SMO program Flowchart for Rotor Position and Speed estimation

4.3.4 PWM Interrupt Flowchart

4.4 The Experimental Results

4.5 Chapter Summary

CHAPTER 5 SUMMARY, CONCLUSIONS AND RECOMMENDATION

5.1 Summary

5.2 Recommendation

5.3 Conclusion

5.4 Future Works

References

ACKNOLEGEMENT

Appendix A DSP-code

Appendix B Research papers

Appendix C Projects participated