内置式永磁同步电机无位置传感器控制研究

发布时间：2018-06-15 21:08

  本文选题：内置式永磁同步电机 + 无位置传感器　； 参考：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文

【摘要】：内置式永磁同步电机具有效率高、功率密度大、易于弱磁扩速等优势,已经广泛应用于工业、航天、交通和家用电器等诸多传动领域。无位置传感器(位置自检测)技术能够有效降低系统成本、提高系统可靠性;研究控制精度高、调速范围宽及鲁棒性强的高性能无位置传感器永磁同步电机控制系统具有重要意义。目前,永磁同步电机无位置传感器控制技术全速度范围运行仍然存在如下核心技术难点:低速高频注入法滤波环节限制了系统动态性能;模型法中位置误差脉动问题;逆变器非线性问题导致转矩(电流)脉动;低载波比运行条件下控制器和位置观测器稳定性问题。对永磁同步电机无位置传感器控制技术进行进一步深入研究,并突破上述核心技术难点,对拓宽永磁同步电机无位置传感器控制在工业控制中的应用场合具有重要意义。适合永磁同步电机无位置传感器低速/零速运行的传统信号注入方法需采用滤波环节实现位置误差信号解耦和转速/位置信息跟踪。针对滤波环节引入导致系统带宽和动态性能降低,并且高阶滤波器的应用会占用较多系统资源等问题,在分析注入方波电压信号和高频响应电流时序基础上,研究一种无滤波器载波分离策略,同时调整转速观测值获取方式,进而提高系统动态带宽。针对传统初始位置辨识技术收敛速度较慢,并且基于凸极跟踪的短脉冲电压注入法难于确定脉冲宽度和幅值、实现困难,二次谐波分量法信噪比低的缺点,在不中断方波注入基础上,基于磁饱和效应,通过施加方向相反的d轴电流偏置给定,比较d轴高频电流响应幅值大小实现磁极极性辨识。所提出方法收敛速度较快,能够在永磁同步电机转子静止或自由运行状态实现初始位置辨识。针对逆变器非线性和磁场空间谐波引起定子电流及反电动势产生1±6k次谐波,进而导致6k次转子位置观测误差脉动问题,在建立考虑反电动势谐波的永磁同步电机数学模型基础上,提出一种基于自适应线性神经元滤波的改进有效磁链模型转子位置观测方法,实现无位置传感器内置式永磁同步电机矢量控制系统准确解耦,改善其控制性能。基于自适应对消原理,自适应线性神经元能够滤除指定的反电动势观测值谐波分量,从而提高正交软件锁相环获得转子位置信息的精度。该方法根据谐波分析结果,通过最小均方算法或者递归最小二乘算法在线连续调整滤波器参数,保证了转子位置观测器的快速收敛性。考虑逆变器非线性效应产生误差电压,进而导致永磁同步电机无位置传感器运行出现转矩(电流)和转速脉动问题,在简单分析死区时间和开关器件固有特性对逆变器输出及整个系统影响基础上,提出一种基于双自适应矢量滤波器交叉反馈网络的死区补偿策略。通过一组自适应矢量滤波器交叉反馈网络实现永磁同步电机位置/转速信息跟踪,消除位置观测误差脉动影响。然后,采用另一组自适应矢量滤波器交叉反馈网络实现逆变器误差电压快速准确地实时检测,并通过前馈方式对其进行补偿,最终实现降低转矩(电流)和转速脉动,改善系统动态性能。所提出的基于双自适应矢量滤波器交叉反馈网络的死区补偿算法不需要检测定子电流极性,进而避免了零电流钳位效应导致的电流极性检测不准而引起的误差。同时,由于自适应矢量滤波器具有正负序分量判断能力,并且结构简单、易于低成本控制芯片实现。在中大功率和高频永磁同步电机驱动应用场合,为增加变频器出力、降低开关损耗,要求降低载波比(PWM载波频率与基波运行频率比)。然而,载波比降低,将会产生较大的数字控制延迟,进而影响电流调节器动态解耦效果,并且对位置观测器稳定性及动态性能造成不利影响。为了克服该问题,考虑PWM逆变器静止轴系输出电压钳位效应和数字控制延迟,建立永磁同步电机控制系统离散域下精确复矢量数学模型,基于零极点对消原理,采用直接离散化方法设计电流调节器,提高低载波比条件下系统动态解耦能力和鲁棒性。在此基础上,提出一种同步旋转轴系下全阶状态观测器,直接在z平面上完成观测器极点配置,进而实现永磁同步电机低载波比高性能无位置传感器控制。
[Abstract]:The present invention has the advantages of high efficiency , high power density , easy weak magnetic expansion and the like , and is widely used in many transmission fields such as industrial , aerospace , transportation and household appliances . In order to overcome this problem , it is proposed to design a current regulator by using direct discretization method to improve the dynamic decoupling ability and robustness of the system under the condition of low carrier ratio .
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM341

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本文编号：2023659