摘 要

永磁同步电机由于其在功率效能以及转子转速控制上的非常出色的表现和性能上的数据，以及其在尺寸与重量，高速性能等方面的出色优点，得到了许多科技工作者和工程师的青睐。传统的同步电机矢量控制通常通过安装一些机械传感器例如旋转编码器和光电编码装置在电机旋转时来获取转子的位置信息和速度信息。但是，加装机械传感器使得电机的体积以及安装成本大大增加，维护也较为复杂。因此，现阶段已经存在这样的无传感器的永磁同步电机既能准确获得转子位置和速度信息，又能节约成本，大大提高电机的可靠性，那么，其成为21世纪电机控制的炙手可热的产物也在人们的意料之中。

本文采用滑膜观测器法实现永磁同步电机在高速度范围的控制，主要研究方向是如何在没有机械传感器的检测下，怎样识别并能够得出电机在高速运行下的一些工作数据和运行状态。并且对传统的滑膜观测器法做了一些改进，例如使用更加新型的开关函数以及引入锁相环来估算转子位置。并且在MATLAB上对改进的滑膜观测器控制下的永磁同步电机进行仿真，得到与预计工作状态相符的数据曲线和工作曲线。

关键词：永磁同步电机；滑膜观测器；矢量控制；无传感器；锁相环

Abstract

Because of its excellent performance and performance data in power efficiency and rotor speed control, as well as its excellent advantages in size and weight, high-speed performance and so on, PMSM has been favored by many scientists and engineers. Traditional vector control of synchronous motor usually obtains the position and speed information of rotor by installing some mechanical sensors, such as rotary encoder and photoelectric encoder. However, the installation of mechanical sensors makes the motor volume and installation cost greatly increased, and the maintenance is also more complex. Therefore, at this stage, there are such senserless permanent magnet synchronous motor, which can not only accurately obtain the rotor position and speed information, but also save cost and greatly improve the reliability of the motor. Then, it has become a hot product of motor control in the 21st century, and it is also in people's expectation.

In this paper, the sliding film observer method is used to realize the control of permanent magnet synchronous motor in high speed range. The main research direction is how to identify and get some working data and operating state of the motor in high speed without the detection of mechanical sensors. In addition, some improvements have been made to the traditional sliding film observer method, such as using a new switch function and introducing a phase-locked loop to estimate the rotor position. The simulation of PMSM under the control of the improved sliding film observer is carried out on MATLAB, and the data curve and working curve which are consistent with the predicted working state are obtained.

Key words: permanent magnet synchronous motor; sliding film observer; vector control; sensorless; PLL

目录

摘要 I

Abstract II

目录 1

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及发展 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 永磁同步电机控制综述 2

1.2.2 PMSM在无传感器下的电机控制方法 4

1.3 本论文的主要工作 6

第2章 永磁同步电机的结构与数学模型 6

2.1 PMSM的不同结构特点 6

2.2 PMSM数学模型的建立 7

2.2.1 三相坐标系下的PMSM模型 7

2.2.2 两相静止坐标系下的PMSM模型 8

2.2.3 旋转坐标系下的PMSM数学模型 9

2.3 本章小结 10

第3章 基于滑膜观测器法的永磁同步电机控制 12

3.1 SLO的原理分析与设计 12

3.1.1 SL0中的滑动模型控制 12

3.1.2 滑膜控制结构的控制设计 14

3.2 滑膜观测器的原理及模型 15

3.2.1 滑膜观测器的数学模型 15

3.2.2 对电机转子工作状态信息的估算 17

3.3 改进型滑膜控制结构 19

3.3.1 改进控制函数 19

3.3.2 滑膜增益的整定 20

3.3.3 PLL对转子信息的获取 21

3.4 仿真与分析 23

3.4.1 仿真模型的建立 24

3.4.2 仿真结果与分析 25

3.5 本章小结 27

第4章 结论 29

参考文献 29

致谢 29

绪论

研究背景及发展

永磁同步电机作为交流感应电机，首先它没有像普通的非感应电机一样拥有机械上的缺陷，少了客观机械上的一些不必要的零部件，那么，使得永磁同步电机在机械损耗以及制造成本上具有一定的优势^[1]。并且，其尺寸小，重量轻，损耗小，效率高，电机外观漂亮，尺寸多，灵活。我国的产业快速发展和政府实施“中国第2025”的背景下，电动汽车、CNC机床、空调、智能洗衣机等很多情况下也开始使用永磁同步电动机。因此，航天几乎大部分、国防、工业、农业生产和生活中各领永磁电机的开发与世纪时代世界上第一种永磁材料的开发密切相关，但当时使用的永磁材料性能相对较低，即被电动励磁电机一代采用。近年来，随着高磁力和低价格Nd-Fe-b永磁体的发展，磁性的持续提高和降价，国内外研究开发重点开始转向产业和人民使用永磁电机的方向。随着社会生产力的提高以及科技的进步，使得永磁同步电机这样的感应电机在硬件材料上获得了更进一步的发展^[2]。例如永磁同步电机的机壳散热和铁心永磁材料等等，都有了不同于过去的长远发展。国内外很多专家提出了几种控制策略，取得了很好的效果。其中高精度控制和无传感器控制是近年来的主要研究方向。

表1.1 各类电机参数对比

正如我们前面所提到的，在过去，永磁同步电机在硬件上的要求很高，例如一些机械传感器的装配等等，有时候机械传感器的工作状态在电机的整个运行过程中占有很重要的地位，随着社会和制造业的发展，同时也衍生出了诸多问题：