PMSM DTC无传感器运行及传感器集成研究

论文摘要

目前,电力电子技术的发展已处于十分关键时刻,电力电子系统集成技术、标准化和模块化技术是解决电力电子技术发展面临的障碍、进一步拓展电力电子技术应用领域最有希望的出路,系统集成已成为电力电子技术新的发展方向。电力电子系统集成包含电力电子子系统的集成和电力电子应用系统的集成两个层次的含义。作为电力电子应用系统集成的高性能的电力电子集成传动系统,不仅应包含集成化的电力电子功率变换模块和滤波器模块,还应包含集成化的传感器模块,用它将电机转子位置和速度的估计、端电压和电流的检测、转矩和磁链的观测等三类传感器的功能集成于一体。其中,电压和电流信号可通过霍尔器件直接检测获得,而转子位置和转速、磁链和转矩信号须通过一定的算法估算获取。本论文从系统集成的角度对永磁同步电机直接转矩控制无传感器运行和传感器集成技术进行了深入研究,研究的基本理论问题主要包括:①PMSM转子初始位置自检测;②高精度的PMSM定子磁链观测器;③PMSM DTC转矩、磁链、电流脉动的消减技术;④适合PMSM DTC无传感器运行的速度估算算法;⑤传动系统用概念性集成传感器模块。具体内容如下: 1.研究传统PMSM DTC的运行机理,进行数学建模并进行仿真和实验验证,以总结、归纳出PMSM DTC无传感器运行研究中需要解决的问题。 2.将有限元仿真和实验相结合研究了基于脉振高频电压信号注入的PMSM转子初始位置自检测。利用注入电机中的高频信号引起d、q轴磁路饱和程度的差异实现了隐极、凸极两种PMSM转子初始位置自检测,再利用定子铁芯的非线性磁化特性,通过注入脉冲的方法,进一步判断出永磁体的N、S极极性。实验结果表明,转子初始位置自检测误差小于5°电角度,满足PMSM起动、定位要求,为PMSM高性能控制策略的实现创造了前提条件。 3.提出适合PMSM DTC应用的非线性正交反馈补偿磁链观测器。在PMSM DTC及其无传感器运行中,定子磁链的准确观测十分重要,磁链观测的准确性可通过与反电势的正交性来判断。若观测的磁链和反电势不正交,则必须进行磁链补偿;若观测的磁链和反电势正交,则无需磁链补偿。但这必须基于磁链及反电势为连续函数的条件才能实现。考虑到PMSM DTC下定子磁链和反电势非连续的特点,必须对其加以平滑使之连续才可进行矢量点积,本文对定子磁链和反电势信号设计了平滑处理电路,并通过正交性判断确定磁链补偿程度,实现了定子磁链的准确观测。

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第一章绪论

1.1 电力电子系统集成研究

1.1.1 电力电子系统集成的概念

1.1.2 电力电子系统集成的目标

1.1.3 电力电子系统集成的研究现状

1.2 集成传动系统中的传感器集成技术

1.3 永磁同步电机高性能控制及无传感器运行

1.3.1 恒压频比控制

1.3.2 磁场定向控制

1.3.3 直接转矩控制

1.3.4 非线性控制和智能控制

1.4 本文主要研究内容

第二章 PMSM DTC运行研究

2.1 空间矢量

2.2 PMSM数学模型

2.3 PMSM DTC运行理论

2.3.1 空间电压矢量

2.3.2 DTC中的磁链和转矩控制

2.4 PMSM DTC仿真及实验

2.5 本章小结

第三章 PMSM转子初始位置自检测

3.1 PMSM转子初始位置检测方法

3.2 高频激励下的PMSM数学模型

3.3 高频信号注入与幅值提取

3.4 高频激励下的隐极PMSM电磁场分析

3.5 隐极PMSM的转子初始位置自检测实验

3.6 凸极PMSM的转子初始位置自检测实验

3.7 本章小结

第四章 PMSM定子磁链观测器的研究

4.1 定子磁链观测的重要意义

4.2 PMSM定子磁链观测方法

4.2.1 直接计算法

4.2.2 各种观测器方法

4.2.3 反电势积分方法

4.3 适合PMSM DTC的两种磁链观测器

4.3.1 自适应正交反馈补偿磁链观测器

4.3.2 非线性正交反馈补偿磁链观测器

4.3.3 非线性正交反馈补偿磁链观测器仿真

4.3.4 非线性正交反馈补偿磁链观测器实验

4.4 本章小结

第五章 PMSM DTC无传感器运行研究

5.1 滑模控制理论基础

5.2 滑模控制在电机中的应用

5.3 PMSM VSS-DTC理论基础

5.3.1 PMSM数学模型

5.3.2 滑模控制律分析

5.3.3 鲁棒性证明

5.3.4 抖动减小处理

5.4 PMSM VSS-DTC仿真

5.5 PMSM VSS-DTC实验

5.6 PMSM VSS-DTC无传感器运行速度估算方法

5.7 基于瞬时功角检测的速度估算方法

5.8 PMSM VSS-DTC无传感器运行仿真

5.9 PMSM VSS-DTC无传感器运行实验

5.10 本章小结

第六章概念性传感器集成模块实验研究

6.1 概念性传感器集成模块的构思

6.2 概念性传感器集成模块的硬件电路

6.3 概念性传感器集成模块的软件功能

6.4 传感器集成模块在电力电子集成传动系统中的应用

6.4.1 采用传感器集成模块的PMSM DTC运行实验

6.4.2 采用传感器集成模块的PMSM矢量控制运行实验

6.5 本章小结

第七章总结与展望

7.1 本文的创新点和结论

7.2 本课题后续工作展望

附录: 电机参数

攻读博士学位期间发表与录用的论文

致谢

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