基于高频注入法的永磁同步电动机无位置传感器控制研究

论文摘要

永磁同步电动机由于其效率高、功率密度高以及转子中无需励磁绕组,使得它在过去的几十年中得到广泛应用。只有知道了转子位置信息,才能实现永磁同步电动机转子磁场定向的运动控制。传统上一般采用旋转变压器或光电编码器来检测转子的位置,但这些传感器会增加系统的成本,降低可靠性。论文以内埋式永磁同步电动机作为对象,对包括极低速状态在内的全速度范围内的永磁同步电机无位置传感器转子位置角估计方法进行了研究。当高频电压信号注入到电机定子中,旋转的转子凸极对高频旋转电压所产生的电流具有调制作用,高频电流是凸极转子位置的函数,含有转子位置信息。在转子位置观测器之前使用外差法,将电流响应里面的负相序电流中包含转子位置的信息以转子位置误差角的形式提取出来,输入到后面的转子位置观测器中。接着,提出了应用龙贝格转子位置角观测器来得到估计的转子位置信息,并对该观测器进行了改进,为进一步提高观测器的性能,将速度调节器输出的转矩指令作为龙贝格转子位置角观测器的前馈输入,以获得转子位置角的零相位滞后估计,而且加入一个额外的积分环节,提高低频时的扰动抑制能力。通过建立转子位置估计系统来完成位置估算,得到的估算位置信息反馈给矢量控制环节,完成对永磁同步电动机的运动控制。根据信号前馈位置的不同,提出了高频电流信号注入法,阐述其原理并与高频电压信号注入法进行了对比。在矢量控制策略上,应用最大转矩电流比控制,充分利用电机转矩中凸极效应分量,使定子输入电流能产生最大的电磁转矩,以达到最佳控制效果。介绍了空间电压矢量PWM的生成原理,并给出了SVPWM的计算方法,在此基础上实现了三相调制的PWM波。采用MATLAB/Simulink软件对系统进行了仿真,仿真实验结果证实了所提出方法的可行性,它适合于低速和零速时的转子位置的估计。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的国内外背景
• 1.2 永磁同步电动机的无位置传感器控制方法
• 1.3 永磁同步电动机无位置传感器控制的难点
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 永磁同步电动机的数学模型及其矢量控制
• 2.1 引言
• 2.2 永磁同步电动机的基本结构
• 2.3 永磁同步电动机的数学模型和等效电路
• 2.3.1 坐标变换
• 2.3.2 α-β坐标系下的永磁同步电动机数学模型
• 2.3.3 d-q 坐标系下的永磁同步电动机数学模型
• 2.3.4 永磁同步电动机的等效电路
• 2.4 永磁同步电动机矢量控制
• 2.4.1 矢量控制的基本原理
• 2.4.2 永磁同步电动机矢量控制的基本电磁关系
• 2.4.3 永磁同步电动机的最大转矩/电流比控制
• 2.5 空间电压矢量PWM 技术
• 2.5.1 PWM 控制的基本原理
• 2.5.2 空间电压矢量PWM 技术
• 2.6 本章小结
• 第三章 永磁同步电动机的高频电压注入法
• 3.1 内埋式永磁同步电动机的数学模型
• 3.1.1 应用高频注入法进行转子位置角估计的前提
• 3.2 永磁同步电动机高频旋转电压注入法基本原理
• 3.2.1 高频旋转电压信号注入
• 3.2.2 高频旋转载波电流信号的解调
• 3.2.3 高频旋转电压注入信号的产生
• 3.2.4 对转子永磁磁极不同极性的判断
• 3.3 转子位置观测器的设计
• 3.4 永磁同步电动机高频电流注入法
• 3.5 本章小结
• 第四章 采用高频旋转电压注入法的永磁同步电动机系统仿真研究
• 4.1 仿真结果及其分析
• 4.2 仿真过程需要的注意的问题
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢