基于扩展卡尔曼滤波的永磁同步电机无速度传感器控制

发布时间：2020-08-19 19:12

【摘要】：高效率、高功率因数、高功率密度的永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)近年来已经越来越成为工业领域应用的焦点,而随着电力电子技术以及无速度传感器矢量控制理论的发展成熟,使得交流电机的控制变得越来越高效稳定。如今,永磁同步电机在电动汽车、数控机床、天空航天领域都得到了广泛应用,研究永磁同步电机的控制系统对进一步推动社会生产力发展具有非凡意义。针对机械式速度传感器存在的系统复杂、适应性低以及成本高的问题,本文主要研究了一种基于扩展卡尔曼滤波的永磁同步电机无速度传感器矢量控制系统,具体内容如下:首先,介绍了永磁同步电机研究现状,表明PMSM无速度控制方法有很多种,这些方法在电机不同运行阶段的表现不一,有的适应于电机的中高速运行,有的适应于低速运行;并且在分析PMSM结构的基础上建立其数学模型,并进行坐标的推导与变换,阐述了永磁同步电机空间电压矢量调制原理。其次,分析了永磁同步电机矢量控制系统仿真模型的建立方法,包括双闭环调速系统框架设计、电流环与速度环PI调节器的参数设计,研究了永磁同步电机基于直轴电流为零的转子磁场定向控制策略,以及该控制策略下空间矢量脉宽调制波形(SVPWM)的产生机理以及产生方法。建立了MATLAB/Simulink下的永磁同步电机无速度传感器矢量控制仿真模型,进行了仿真结果分析。然后,给出了卡尔曼滤波算法的原理,对EKF模型进行详尽地推导分析,介绍了EKF在离散和连续系统中的使用方法,给出了利用扩展卡尔曼滤波器作为观测器的永磁同步电机无速度传感器矢量控制模型,在MATLAB中进行仿真,分析仿真结果,论证了EKF算法在永磁同步电机无速度传感器矢量控制中的有效性和良好的跟随性能,同时在改变电机参数条件下,验证了EKF算法的鲁棒性。最后,以TMS320F28335型号DSP芯片为核心,设计控制系统软、硬件结构和主要功能模块的原理及其实现方法。硬件部分设计控制系统的控制电路和辅助电路,软件部分编写系统的主程序、中断子程序和各部分的软件实现程序,并在实验平台上完成了系统的调试。
【学位授予单位】：湖南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM341
【图文】：

永磁同步电机,基本工作原理,结构示意图,极对数

2.1.1 永磁同步电机基本工作原理图 2.1 永磁同步电机基本工作原理结构示意图如图2.1所示为一个永磁同步电机基本工作原理结构示意图。在定子绕组中通入对称三相电流，由磁阻最小原理[28]，即磁通总是沿磁阻最小路径闭合，可知永磁转子将被吸引产生旋转，其转速为60 /s pn = f n(2-1)其中Sn 为转子转速（rpm/min）， f 为三相电流频率（Hz），pn 为定子极对数。由式（2-1）可知，永磁同步电动机转速与定子三相电流频率成正比，与极对数成反比。由于电机设计完成后，极对数就不再变化，一般仅认为转速与定子电流频率成正比。2.1.2 永磁同步电机结构及其分类与大多数同步电机相同

结构分类,永磁同步电机

(a) 表贴式 (b) 嵌入式 (a) 内埋式图 2-2 永磁同步电机结构分类磁同步电机转子永磁体的安装方式主要有表贴式、嵌入式、内图 2-2 所示。表贴式安装方式是指将瓦片状的永磁体贴于柱状其产生的磁场为径向磁场。由于永磁体的磁导率接近真空磁导安装的永磁电机转子类似隐极式的同步电机转子结构，由于永机结构简单，便于安装，但相对来说机械强度也较低，仅适用合。嵌入式安装方式则是把瓦片状的永磁体嵌入柱状铁心表面，这种安装方式比较类似凸极式的同步电机转子，其交轴与直等，与同步电机不同的是，其交轴气隙磁导比直轴气隙磁导大有内埋式的永磁体安装方式[31]。内埋式是指将条状永磁体整个部，其磁路结构一般不对称，能够提供比前述两种安装方式更因而内埋式转子一般可以提供更大的功率密度。文主要研究表贴式永磁同步电机。永磁同步电机又称正弦波永

示意图,三相静止,永磁同步电机,物理模型

（5）忽略温度与频率变化对绕组电参数以及永磁体参数产生的影响。根据如上假设，可以表述表贴式永磁同步电机在 A-B-C 三相静止坐标系下的数学模型。如图2-3所示为永磁同步电机在三相静止坐标系下的物理模型示意图。三相定子电压Au 、Bu 、Cu 分别通入 A、B、C 三相绕组，在绕组中产生三相定子电流。电机的转子由永磁体构成，在空间中产生一个幅值恒定、方向跟随转子旋转而变化的转子磁动势[6]。iaibico图 2-3 永磁同步电机在三相静止坐标系下的物理模型如图 2-3，有永磁同步电机的（1）定子电压平衡方程：0 00 00 0A s A AB s B Bcs C Cu R idu R idtuR iψψψ = + (2-2)其中Au 、Bu 、Cu 为三相定子电压，sR 为定子电阻，Ai 、Bi 、Ci 为定子电流，其参考方向与定子电压同向，Aψ 、Bψ 、Cψ 为三相定子磁链。（2）磁链方程：A AA AB AC A fAB AB BB BC B fBC AC BC CC C fCL M M iM L M iM M L iψ ψψ ψψ ψ = + (2-3)

【参考文献】