基于速度估计的PMSM控制器设计与实现

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近几年,电动汽车的发展模式正在从廉价低质到高性价比品质化转变。电动汽车厂商开始采用永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor,简称PMSM)作为电动汽车的动力来源。传统的PMSM运动控制系统,依靠光电编码器等机构获取电机的转速信息作为闭环系统的反馈信号,不但增加了成本,而且不利于产品的轻量化,同时降低了系统的可靠性。为了解决这个问题,研究者们提出了PMSM的无传感器控制方法,利用电机模型中其他易于测量的参数估计出转子的转速和位置,实现精确稳定的运动控制。本课题对永磁同步电机无传感器调速控制做了研究,采用基于双观测器的方法设计了基于速度估计的PMSM控制器;基于低速电动汽车设计了一种PMSM控制器;并将上述控制算法在所设计的控制器实验平台上进行了实现,获得了良好的控制性能。完成的主要工作如下:第一,大量阅读领域内相关文献,了解了PMSM控制方法的研究现状,分析了不同控制方法的理论基础和实现方法,讨论了PMSM无传感器控制的意义及方法,比较了目前不同PMSM控制器实现方案的优缺点,总结了控制器实现的理论基础和总体思路。第二,通过阅读文献,建立了PMSM的数学模型,理解了坐标变换原理,研究了以坐标变换为基础的PMSM的矢量控制,以电动汽车为背景介绍了PMSM控制器的结构原理。第三,提出了一种基于双观测器的PMSM无传感器调速控制方法,采用滑模观测器来估计电流,通过反电动势观测器实现对速度的估计,提高了转速估计的速度和精度。用Lyapunov稳定性理论证明了双观测器的稳定性。并用Matlab对算法进行了仿真。第四,通过大量阅读PMSM控制器相关技术文档以及芯片厂商给出的控制器评估系统的技术文档,总结不同控制器的实现方法,根据各种方法的优缺点比较,确定了基于速度估计的PMSM控制器的实现方案,并根据方案对控制器进行了硬件设计。完成了控制器的调试,并在此基础上对基于双观测器的控制方法进行了实现。第五,通过搭建的控制器实验平台对系统的各项性能指标进行了实验测试,实验结果表明所设计的控制器和控制算法相结合能够达到快速平稳的速度跟踪性能。最后,对研究中发现的不足之处进行了分析,提出了解决这些不足的思路和方案。
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