永磁同步电机中低速无位置传感器控制技术研究

发布时间：2020-08-18 16:50

【摘要】：永磁同步电机无位置传感器控制技术因其能有效地避免机械式编码器带来的系统成本增加、编码器安装困难以及受限的应用环境等缺陷而引起了学者们广泛的关注。目前通过检测电机反电动势来实现永磁同步电机转子位置检测的中高速方法已经较为成熟,且在实际应用中得到了较好的实验效果;而在电机低速控制方面,由于电机本身存在着参数不确定性、交叉饱和效应、逆变器的非线性特性以及硬件处理电路的延时等负面因素使转子位置估算的准确度被严重降低,甚至不能被使用,从而导致电机低速重载启动能力差、动态响应速度慢以及系统稳定性能差等缺陷。因此,本文的重点是改善永磁同步电机的中低速控制性能以及拓展其速度适用范围。本文在传统脉动高频信号注入法的基础上,通过改变脉动高频电压的形式和注入方向,提出了脉动复合高频信号注入法和脉动-旋转复合高频信号注入两种新型的高频信号注入方案。通过同时解调和处理d-q轴电流分量,可直接计算出转子的位置信息,不仅取消了具有潜在收敛失败风险的位置跟踪观测器,增强了系统的稳定性,也在很大程度上降低了由系统延时和电机的交叉耦合效应带来的转子角度偏差,提高了转子位置估算的准确度。又根据电机固有的饱和效应,提出了基于单高频正弦信号注入的电流均值判断法和基于二次饱和凸极谐波电流检测法,实现了快速、简单的永磁体极性辨识。为了进一步提高转子位置估计精度,增强系统的控制性能,在考虑系统延时,定子电阻,交叉饱和效应和逆变器的非线性特性等多种负面因素的情况下,提出了一种旋转复合高频信号注入方案。通过适当地提取和解调反馈的高频响应电流,可得到四个与转子位置信息相关的线性无关方程;再通过求解这四个方程式可直接求得准确的转子位置。为了消除高频信号注入法中产生的高频噪声干扰,本文又提出了一种基波矢量和测试矢量相结合的瞬态电流检测方案。通过在基波电压矢量基础上再插入额外的测试电压矢量以满足求取转子位置所需要的有效电压矢量类型,再借助DSP等微控制器的PWM子模块双(波峰-波谷)更新机制,利用四矢量SVPWM(FSVPWM)合成的实施策略实现了单PWM周期内的转子位置获取,从而拓展这类基于瞬态电流检测法的转速适用范围。实际的物理系统实验验证了所提出的无位置传感器控制方法的有效性和可行性,本文方法已经成功用到了实际的空调压缩机、液压机以及纺织机等工业系统之中,也表明控制方法具有较好的普遍适用性。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM341;TP212
【图文】：

框图,永磁同步电机,矢量控制,框图

华中科技大学博士学位论文宽，使系统在重载启动或突然加减负载的情况下，出现较大的系定时间；2) 锁相环等位置跟踪观测器的收敛二义性问题限制了系当电机突加减负载时，转子位置变化过大而导致收敛失败；3) 逆定子电阻、电机定子间交叉饱和效应以及系统延时等负面因素都估算精度，从而降低系统控制性能。鉴于这些因素，对高性能永传感器控制的研究仍然是当前电机驱动领域最为热门的研究方向之*r *qi*qU

永磁同步电机,励磁电流,磁链

图1.2 永磁同步电机磁链与励磁电流的关系最简单的短脉冲注入法[65]是双向电压脉冲注入，一个电压脉冲施加在永磁体磁极的正向，通过增加定子铁芯的磁化强度减小d轴电感值；另一个相同幅值和作用时间的电压脉冲施加在永磁体磁极的反向，降低定子铁芯的磁化强度来增加d轴电感值。再通过采用并比较两个方向上的定子响应电流幅值大小就可简单地、准确地辨识出电机磁极极性。尽管这种短脉冲注入法具有简单的原理且易于操作，当电压脉冲矢量的持续时间使电机饱和效应明显时，也具有很强的鲁棒性和可靠的辨识性能。但永磁体极性辨识需要一个单独的过程，即当进行磁极检测时，需要停止转子位置检测，这将增大转子位置检测时间。此外，当电机转子处于运动状态时，由于转子位置总是在变化

信号处理,偏差角,转子位置,三相静止

0 11cos 2sinsin 2sincd cc d qcq cc d qV L Li tL LV Li tL L 0和 L1分别为交、直轴电感的平均值(Ld+Lq)/2 和半差值(Lq-Ld)/2相对于实际转子 d 轴位置的偏差角。由式(1.2)可知，转子位置的形式出现在高频响应电流中的，并且当偏差角 Δθ 趋近于零时因此，常采用 PLL 来不断调整假定转子位置角 r使响应电流 qi得到了转子位置的估计值。整个过程如图 1.3 所示，其中 T( 相定子电流从三相静止 ABC 坐标系变换至两相假定 d q 坐标波器。ABCidqI q rPLLqI dqi

【参考文献】