基于滑模观测器无刷直流电机无传感器控制研究与设计

作     者：孟令尚 

作者单位：吉林化工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：刘伟;王明鑫

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：无刷直流电机 矢量控制 滑模观测器 STM32 无位置传感器 

摘      要：在现代工业自动化和电机控制系统中,无刷直流电机(Brushless DC Motor,BLDC)因其高效率、高动态响应和长寿命而备受青睐。然而,传统的无刷直流电机电机控制策略依赖于位置传感器来获取转子位置信息,这不仅增加了系统的成本和复杂性,而且限制了其在一些极端或紧凑空间场合的应用。因此,开发一种可靠的无传感器控制技术对于拓展无刷直流电机的应用范围至关重要。本研究针对无刷直流电机基于滑模观测器的无感控制策略进行研究,主要做了以下工作: 首先,分析并建立了无刷直流电机(BLDC)的控制机制及其数学模型,主要阐述了无刷直流电机的结构组成、工作原理以及在不同坐标系下的数学描述。通过详细解析其内部结构和工作机制,并通过数学模型的构建,为后续的无传感器控制系统设计奠定了理论基础。并以此设计了电机控制器的实验样机,控制器硬件电路主要由STM32F407VET6单片机核心控制电路、三相半桥逆变驱动电路、电流电压检测电路、速度检测电路、电磁隔离RS485通信电路以及系统供电电源等电路组成,文中详细阐述了各单元硬件电路的工作原理、主要元件选型以及电路参数计算等设计过程,为算法的理论研究提供了测试基础平台。 其次,深入研究了无刷直流电机的矢量控制方法,提出改进的滑模观测器速度预测设计方案;采用空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)技术和PI(Proportional Integral)控制器,优化电流环和速度环的控制效果;采用改进的滑模观测器,估计电机的转速和位置。经实验测试,该观测器通过调整变趋近律滑模反电动势观测器与锁相环相结合的策略,有效提高了估算的精度和系统的稳定性;与以往经典滑模观测器的方法对比,通过MATLAB/Simulink进行仿真验证,并构建实验样机测试平台。 最后,经仿真与硬件实验平台测试,并对实验现象及实验数据进行详细分析,结果表明,改进的滑模观测器能准确估计电机的转速和位置,且在动态性能和抗干扰能力方面表现优异,验证了本研究提出的方案的可行性,实验过程也表明以此方案设计的无刷直流电机控制器良好的控制精度与可靠性。