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基于STM32的空调压缩机无位置传感器矢量控制

作　者: 曹健安
导　师: 张中炜
学　校: 东华大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 永磁同步电机无传感器控制滑模观测器隆伯格观测器空间矢量脉宽调制
分类号: TB652
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来,随着我国经济的发展,能源问题与环境问题的日益严重,国家对节能减排越来越重视。永磁同步电机由于体积小、功率密度高、效率和功率因素高等优点得到了国内外相关领域学者和研究人员的广泛重视,越来越多的空调厂商把永磁同步电动机应用在变频空调压缩机中。永磁同步电机(PMSM)变频驱动压缩机是家用空调节能技术发展的主流方向,随着人们对汽车舒适性要求的提高,汽车空调系统正逐渐成为各大汽车制造商所关注的重要问题。在新能源汽车以及工程车辆中,迫切需要可以电驱动的电动空调系统。汽车用电动空调压缩机驱动系统一般由三部分组成(即电机、驱动器和压缩机),为了适应电动汽车的发展要求,同时解决汽车现有空调驱动系统效率低的问题,本课题研究了一种适合汽车电动空调使用的驱动系统。在传统的永磁同步电机驱动控制系统中,一般需要转子位置和速度信息作为反馈信号,而转子位置、速度的取得几乎都是利用光电编码器、旋转变压器等精密的机械装置获得。在空调压缩机中,由于制冷剂的强腐蚀性,常规的位置传感器很难正常工作,因此研究一种可靠的、低成本的无位置传感器的控制方法,便成了永磁电机控制器研究的热点之一本文的主要内容包括：深入分析了表贴式永磁同步电机(SPMSM,隐极性)和内嵌式(IPM,凸极性)在不同坐标系下永磁同步电机的数学模型和相互转换方法。介绍了永磁同步电机的矢量控制原理和电压空间矢量调制技术以及单电阻母线电流采样方法。对滑模观测器和Luenberger观测器原理分别做了深入的研究和分析。利用滑模观测器原理,采用αβ坐标系下的电机模型,对隐极性永磁同步电机的转子位置和转速进行了实时的在线观测。同时,考虑到对于IPM电机在αβ坐标系下模型较为复杂,为简化应用,我们采取平均交直轴电感的方法,获取αβ坐标系下的模型电感,并使用了一种基于Luenberger观测器和锁相环相结合的转子位置估算方法,同时满足了对(SPMSM和IPM电机)的转子位置和速度检测。最后利用MATLAB/Simulink平台对基于滑模观测器和Luenberger观测器的PMSM转子位置估算算法进行仿真,验证了本文提出的两种控制方法的可行性。在仿真实验的基础上,以ST公司的近年来推出的低成本、高性能的基于arm-cortex-m3内核的STM32微处理器作为控制核心,设计了控制电路及外围辅助电路,采用Luenberger状态观测器,编写了软件,研究结果表明,该驱动系统能够很好地满足车用空调运行要求。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-11
第1章绪论  11-17
  1.1 课题的研究背景与意义  11-12
  1.2 永磁同步电动机调速系统发展概况  12-13
  1.3 无位置传感器控制的发展  13-15
  1.4 本论文研究的主要内容  15-17
第2章永磁同步电机的数学模型和矢量控制的研究  17-41
  2.1 永磁同步电机的结构与分类  17-18
  2.2 CLARK变换和PARK变换  18-20
  2.3 永磁同步电机在三相静止坐标系下的数学模型  20-23
  2.4 两相静止坐标系上的数学模型  23-26
    2.4.1 凸极性永磁同步电机数学模型  23-24
    2.4.2 隐极性永磁同步电机数学模型  24-26
  2.5 旋转坐标系下的数学模型  26-29
    2.5.1 旋转坐标系下凸极性电机数学模型  26-29
    2.5.2 旋转坐标系下隐极性电机数学模型  29
  2.6 永磁同步电机矢量控制  29-33
    2.6.1 永磁同步机的运行特性  29-30
    2.6.2 永磁同步电机的转子磁场定向控制  30-31
    2.6.3 永磁同步电机的电流控制策略  31-33
  2.7 电压空间矢量脉宽调制技术  33-38
  2.8 基于母线采样的电流电压重构方法  38-41
    2.8.1 定子电流和电压的重构原理  38-40
    2.8.2 空间矢量PWM一个周期内的电流采样方法  40-41
第3章永磁同步电机无位置传感器控制方法研究  41-51
  3.1 滑模变结构控制原理  41-46
    3.1.1 滑模变结构的基本概念  41-43
    3.1.2 滑模变结构的控制特性  43-44
    3.1.3 滑模变结构控制器的设计  44-45
    3.1.4 滑模控制的优缺点  45-46
  3.2 Luenberger状态观测器的原理  46-51
    3.2.1 状态重构问题  46-48
    3.2.2 观测器的定义及存在条件  48-49
    3.2.3 状态观测器的设计  49-51
第4章永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统仿真  51-73
  4.1 matlab仿真工具箱简介  51-52
  4.2 基于滑模观测器的PMSM转子位置和速度估算  52-55
  4.3 基于滑模观测器的PMSM无位置传感器矢量控制系统的建模与仿真  55-63
    4.3.1 基于滑模观测器的PMSM无位置传感器矢量控制系统的建模  55-60
    4.3.2 仿真实验结果分析  60-63
  4.4 基于luenberger状态观测器的PMSM转子位置和速度估算  63-66
  4.5 基于luenberger状态观测器无位置传感器矢量控制系统的建模与仿真  66-73
    4.5.1 基于luenberger状态观测器的矢量控制系统建模  66-68
    4.5.2 仿真实验结果分析  68-73
第5章无位置传感器控制方法的具体实现  73-89
  5.1 系统的硬件设计  73-76
    5.1.1 STM32F103VBT6芯片的介绍  73
    5.1.2 STM32F103VBT6芯片的主要特点  73-74
    5.1.3 STM32F103VBT6的外设资源  74-76
  5.2 基于STM32F103VBT6的永磁同步电机调速系统的硬件实现  76-80
    5.2.1 调速系统的硬件框图  76
    5.2.2 电源电路  76-78
    5.2.3 驱动电路  78
    5.2.4 单电阻电流采样电路  78-79
    5.2.5 保护电路  79-80
  5.3 系统软件设计  80-86
    5.3.1 程序的整体结构  81-82
    5.3.2 初始化子程序  82-83
    5.3.3 中断服务子程序  83
    5.3.4 转子位置估算程序  83
    5.3.5 电机转速计算程序  83-84
    5.3.6 坐标变换程序  84-85
    5.3.7 PI调节器  85-86
  5.4 实验系统组成  86
  5.5 实验结果及分析  86-89
总结与展望  89-90
参考文献  90-93
致谢  93
攻读学位期间发表的学术论文  93

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