基于滑模观测器的高速永磁同步电机矢量控制系统的设计与实现

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近年来,高速永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)凭借其自身的诸多优点,在现代工业与生活中应用越来越广泛。但其中的机械传感器会带来系统体积、成本的增加,并降低系统可靠性。在诸多无传感器控制方案中,滑模观测器(Sliding Mode Observer,SMO)凭借其具有的物理实现简单、鲁棒性好和动态响应速度快等优点备受关注,但是滑模观测器的观测结果容易受到其自身的滑模抖振干扰,降低控制效果。本文从抖振产生抑制和传播抑制两个角度来设计抖振抑制策略。首先,在抖振产生抑制阶段,依据准滑动模态控制理论,设计了新型的S型切换函数,同时设计实现了滑模增益和边界层宽度随转速自适应变化的效果,进一步减少滑模抖振的产生。其次,在抖振传播抑制阶段,考虑到传统方法会将估算反电势中的抖振引入到观测结果中,本文设计了基于锁相环(Phase Locked Loop,PLL)的转速位置计算环节,减少从估算反电势中提取转速等信息时受到的抖振干扰,可以更精确地获得转子转速位置角等信息。本文借助Matlab/Simulink平台对改进的控制算法进行了仿真,分析并验证了本文设计的控制算法的有效性和可行性。最后完成了具有较好抖振抑制效果的高速永磁同步电机无感矢量控制系统的软硬件设计,并进行性能指标测试。测试结果表明:(1)新型滑模观测器观测精度高,位置估算误差在±3°以内,达到了预期的设计指标;(2)控制系统最高转速在达到48000rpm的同时,运行平稳,速度波动小。
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