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1、 工学硕士学位论文 永磁同步电机无传感器矢量控制系统设计 王菲菲 哈尔滨工业大学 2008 年 6 月 国内图书分类号：TM301.2 国际图书分类号：621.3 工学硕士学位论文 永磁同步电机无传感器矢量控制系统设计 硕 士 研究生：王菲菲 导 师：王新生副教授 申 请 学 位：工学硕士 学 科 专 业：电气工程 所 在 单 位：信息科学与工程学院 答 辩 日 期：2008 年 6 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 Classified Index:TM301.2 U.D.C:621.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering DE

2、SIGN OF SENSORLESS VECTOR CONTROL SYSTEM OF PMSM Candidate:Wang Feifei Supervisor:Associate Prof.Wang Xinsheng Academic Degree Applied for:Master of Engineering Specialty:Electrical Engineering Affiliation：School of Information Science and Engineering Date of Defense:June,2008 Degree-Conferring-Inst

3、itution:Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 随着电力电子器件和微处理器的推出，现代控制理论和计算机技术的发展，交流传动系统在工业中得到了广泛应用。永磁同步电机(PMSM)由于具有效率高、密度大、转子损耗小等优点而成为交流传动系统的主流电机。检测磁极位置和转速的传感器的安装，会给永磁同步电机传动系统带来造价提高、体积增大、易受干扰等一系列问题。因此，无位置传感器已经成为电气传动领域的一个研究热点。本文在深入研究永磁同步电机和矢量控制原理的基础上，提出了实现永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统的方法。本文首先建立了永磁同步电

4、机在各个坐标系下的数学模型，分析了转子磁场定向矢量控制(FOC)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)的原理，建立了永磁同步电机矢量控制系统的数学模型。提出了基于反电动势(EMF)方案和基于模型参考自适应(MRAS)超稳定性方案两种应用于永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统的方案，实现对转子位置角和转速实时在线估算。基于电机反电动势方案根据永磁同步电机的数学模型，从易于测量的电机的定子电压、电流估算出电机的反电动势，进而推算出转子的位置和转速。MRAS 超稳定性方案选择永磁同步电机作为参考模型，电机的电流模型作为可调模型，采用并联结构对转速和转子位置角进行辨识。对两种估算方案分别进行了 Matlab

5、/Simulink 仿真和分析，针对两种估算方案在动态性能和稳态精度上各自的优缺点，提出了一种联合估算方案。仿真结果表明，该方案既具有 MRAS 超稳定性方案稳态误差小的特点，又具有反电动势方案动态响应快的特点，具有较好的转速和转角跟踪性能。本文最后实现了基于 TMS320LF2407A DSP 的功率驱动功能。实验结果表明，采用五段式 SVPWM 算法的 PWM 波形可以减小开关损耗，减小谐波，电流波形接近于理想的正弦波。而且实现硬件电路简单、有较高的精度和可靠性。关键词 永磁同步电机；无位置传感器；空间矢量脉宽调制；数字信号处理器-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract Wi

6、th the appearance of the new power electron apparatus and microprocessor,and the development of the modern control theory and computer technology,the control system of AC drives has been widely used in industry.Permanent magnet synchronous motor(PMSM),due to the high power efficiency and density,low

7、 rotor loss,has become the mainstream of AC drives.The installment of sensor will bring a range of issues such as high cost,large volume and easily disturbed.Therefore,sensorless system has become a research focus.Based upon the depth study of PMSM and vector control theory,a method of sensorless ve

8、ctor control system of PMSM is proposed in this paper.At first,the mathematical models of PMSM in various coordinates are established.The principle of field oriented control(FOC)and space vector PWM(SVPWM)is proposed.Two methods of sensorless control based on electromotive force(EMF)and model refere

9、nce adaptive system(MRAS)are proposed in this paper.They are employed to estimate rotor position and speed on-line.The estimation based on EMF take the stator as the starting point,and then derives the rotor position and speed through estimating the EMF.The estimation based on MRAS chooses PMSM as a

10、 reference model and motor current model as an adjustable model when identifying parameters with parallel structure.Two estimation methods are simulated and analyzed in Matlab/Simulink.According to the merits and demerits of two methods,a combined estimation is proposed.The simulation result proves

11、that the combined method has good dynamic and steady performance at the same time.At last,a power drive function based on TMS320LF2407A DSP is realized,experiment results demonstrate the five section SVPWM algorithm can reduce switching loss and harmonic wave,the current waveform is close to the sin

12、e wave.The hardware is simple,the precision and reliability is improved.Keywords Permanent Magnet Synchronous Motor;Sensorless;Space Vector Pulse Width Modulation;DSP-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘 要.I Abstract.II 第 1 章 绪论.1 1.1 永磁同步电机矢量控制的研究现状.1 1.1.1 交流电机传动的发展.1 1.1.2 永磁同步电机的发展.3 1.1.3 矢量控制的发展.4 1.2 无位置

13、传感器控制技术的研究意义和现状.5 1.2.1 无位置传感器问题的提出.5 1.2.2 无位置传感器控制技术研究现状.6 1.3 本文主要研究内容.8 第 2 章 永磁同步电机矢量控制系统的数学模型.9 2.1 坐标变换.9 2.2 永磁同步电机的数学模型.11 2.2.1 在三相静止坐标系下的数学模型.11 2.2.2 在两相静止坐标系下的数学模型.12 2.2.3 在两相旋转坐标系下的数学模型.12 2.3 转子磁场定向矢量控制.13 2.4 空间电压矢量PWM原理.15 2.5 本章小结.19 第 3 章 永磁同步电机无位置传感器控制算法研究.20 3.1 基于电机反电动势的位置和转速估

14、算.20 3.2 基于MRAS超稳定性的位置和转速估算.21 3.2.1 MRAS的超稳定性理论基本原理.21 3.2.2 MRAS理论在永磁同步电机位置和转速估算中的运用.22 3.3 本章小结.25 第 4 章 永磁同步电机无位置传感器控制仿真研究.26 4.1 Matlab/Simulink仿真工具简介.26 4.2 SVPWM的仿真分析.26-III-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4.3 无位置传感器的PMSM矢量控制系统仿真研究.32 4.3.1 基于电机反电动势的仿真模型的建立.32 4.3.2 基于MRAS的超稳定性理论的仿真模型的建立.34 4.3.3 两种无位置传感器方案仿

15、真结果分析.36 4.3.4 反电动势和MRAS联合方案的提出.44 4.4 本章小结.45 第 5 章 基于DSP的功率驱动功能的实现.46 5.1 基于DSP的功率驱动的整体结构.46 5.2 功率驱动电路的设计.47 5.3 功率驱动电路的DSP实现.48 5.4 实验结果.50 5.5 本章小结.51 结论.52 参考文献.53 攻读学位期间发表的学术论文.57 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.58 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.58 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理.58 致谢.59-IV-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪论 1.1 永磁同步电机矢量控制的研

16、究现状 1.1.1 交流电机传动的发展 在现代电气传动中，长期以来工程上存在直流电气传动和交流电气传动两大类方案。电气传动是以电动机的转速和转矩为控制对象，按生产机械的工艺要求对电动机的转速或位置进行控制的自动化系统。交流电动机比直流电动机结构简单，成本低，维护方便。但由于变频装置昂贵及交流电气传动调速性能稍差，而直流电气传动控制简单、调速性能好、变流装置(晶闸管整流装置)容量小，因此在传动领域里一直是直流传动占统治地位。然而直流电气传动自身存在着以下缺点：(1)直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护困难，经常因火花大而影响生产。(2)换向器的换向能力限制了电动机的容量和速度。直流电动机的极限容量和速度之和是 106kWr/min，许多大型机械的传动电动机已接近或超过该值，导致设计制造困难，甚至制造不出来。(3)为改善换向能力，要求电枢漏感小，转子短粗，影响系统动态性能。在动态性能要求高的场合，不得不采用双电枢或三电枢，带来造价高、占面积大、易共振等一系列问题。(4)直流电动机除励磁外，全部输入功率都通过换向器流入电枢，电动机效率低，由于转子散热条件差，冷却费用高。近年来，随着电力电