基于自适应UKF的永磁同步电机无传感器控制研究
发布时间：2021-08-13 18:50
近年来永磁同步电机凭借其高效节能、结构简单、可靠性高和便于维护的优点,在风机水泵、空调、电动汽车甚至航空航天等诸多领域得到了广泛的应用。伴随着电力电子技术的发展以及人们节电、环保意识日益增强,永磁电机发展的前途一片光明,结构形式将日趋多样化,将会赢得更为广泛的发展空间。永磁同步电机的控制过程中需要实时测量转速和转子位置,针对机械传感器成本高、适应性低、系统复杂的问题,本文提出了一种基于自适应无迹卡尔曼滤波（AUKF）的永磁同步电机无传感器矢量控制方法,具体研究内容如下:首先,本文对永磁同步电机的数学模型做了简要的分析,介绍了Clark变换、Park变换。针对矢量控制详细介绍了空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术以及常用的电流控制策略,并在MATLAB/Simulink中选取了id=0的磁场定向控制策略,使用经典双闭环控制方法进行了仿真实验,并进行了仿真结果分析。其次,介绍了卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波（EKF）的原理,进一步提出使用无迹卡尔曼滤波（UKF）进行永磁同步电机的状态估计,该方法对非线性系统不需要进行线性化处理,而是使用无迹变换的方法来处理系统均值和方差...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
永磁同步电机转子结构
基于自适应UKF的永磁同步电机无传感器控制研究10构较强，适用于高速应用场合[36]，这种永磁体不直接接触气隙，只与转子的硅钢片接触，其气隙磁密较高，常应用于高功率密度的电机，凸极率能够达到3甚至更高。其缺点是加工工艺难度较大。三种转子结构的电机特点对比如表2-1所示：表2-1不同转子电机特点对比Table2-1Characteristicscomparisonofdifferentrotormotors内置式表面凸出式表面嵌入式凸极率3及以上约1.1~1.35约2~2.3应用转速高速中低速中高速加工工艺难易中应用范围少广中PMSM的定子结构与其他电机相同，有分布式和集中式两种。分布式绕组每极每相槽数有两槽及以上，分布式绕组有助于减小磁动势的谐波，因此谐波转矩及损耗较校集中式绕组每极每相一槽，能够减小导线长度，节约成本，并且加工简单，生成效率高。在性能上由于导线长度短，因此定子铜耗较小；由于槽数少，电机齿槽转矩小；自感较大，弱磁运行的范围较大，非常适用于对速度有较高要求的领域。其缺点是定子绕组产生的磁动势谐波较大。2.1.2永磁同步电机的工作原理图2-2永磁同步电机结构图Figure2-2Structureofpermanentmagnetsynchronousmotor永磁同步电机其实永磁式无刷直流电机中的一种，PMSM结构如图2-2所示，在转子结构上，PMSM电机不需要励磁线圈、电刷等，由汝铁硼永磁体构成，这样简化了电机的结构，提高了电机使用的可靠性，又没有转子铜耗，提高了电机效率。定子绕组一般为多相，本文以三相绕组为例，三相绕组沿着定子铁芯对称分布，两两相差120°，通入三相交流电可产生选择磁场[37]。永磁同步电机的工作原理是通过PWM控制的逆变电路在励磁绕组通入直流励
基于自适应UKF的永磁同步电机无传感器控制研究24表2-6仿真用电机参数Table2-6Simulationmotorparameters定子电阻同步电感转子磁通极对数转动惯量2.875Ω8.5mH0.3Wb40.0022kgm2在仿真过程中，初始转速为0，在0s给电机的给定转速为500r/min，此时转矩为2Nm，电机稳定后在0.15s时将给定转速增加到1000r/min，待转速稳定后，将转矩增加到8Nm，通过以上三组数据，分别观察永磁同步电机的转速响应和转矩响应以及不同转速及转矩下相电流的变化。仿真结果如图2-12所示，其中（a）为转速响应曲线，（b）为转矩曲线，（c）为A相电流曲线。(a)(b)(c)图2-12永磁同步电机矢量控制仿真结果Figure2-12SimulationresultsofPMSMVectorControl从仿真结果可以看出，当转速增加转矩不变时，A相电流幅值不变，频率增加，电机转速能跟达到给定转速。当转速不变，增加转矩时，A向电流频率不变，幅值
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于四元数卡尔曼滤波的四旋翼姿态测量系统设计与实现[J]. 钟雨露,周翟和,曾传伟,邹克臣. 电子测量技术. 2020(01)
[2]Unscented Kalman-filter-based sliding mode control for an underwater gliding snake-like robot[J]. Jingge TANG,Bin LI,Jian CHANG,Aiqun ZHANG. Science China（Information Sciences）. 2020(01)
[3]基于磁链观测的高速永磁同步电机控制方法研究[J]. 马河涛,黄守道. 电机与控制应用. 2019(06)
[4]2018年永磁电机概况及趋势分析[J]. 电器工业. 2019(06)
[5]电动车用多盘式永磁同步电机协同优化与容错控制方法[J]. 赵剑飞,花敏琪,刘廷章. 中国电机工程学报. 2019(02)
[6]组合磁极结构的永磁电机解析法建模与分析[J]. 倪有源,刘跃斌,王群京. 电机与控制学报. 2019(01)
[7]基于SVPWM电动汽车永磁同步电机控制系统仿真研究[J]. 陈方辉. 机械工程与自动化. 2018(06)
[8]永磁同步电机无速度传感器控制技术综述[J]. 潘森林,高瑾. 微电机. 2018(03)
[9]基于垂直轴风力机的盘式永磁电机的试验研究[J]. 柯赟,袁春旺,蒋佳炜,王太友,胡以怀. 节能. 2018(01)
[10]基于DSP的永磁同步电机控制系统硬件设计[J]. 胡宇,张兴华. 电机与控制应用. 2017(12)
博士论文
[1]永磁同步电机调速系统无位置传感器控制技术研究[D]. 吴春.西北工业大学 2016
[2]永磁同步电机多采样率辨识与控制方法研究[D]. 徐鹏.西南交通大学 2015
[3]基于观测器的永磁同步电机鲁棒稳定性分析与控制器设计[D]. 陈才学.华南理工大学 2014
[4]基于自适应UKF及位速测量辅助的大椭圆轨道卫星自主导航[D]. 李璟璟.哈尔滨工业大学 2012
[5]车用高功率密度永磁同步电机的研究[D]. 沈启平.沈阳工业大学 2012
[6]永磁同步电机无位置传感器运行控制技术研究[D]. 李冉.浙江大学 2012
硕士论文
[1]永磁同步电机的无传感器控制研究[D]. 洪帅.广西科技大学 2019
[2]永磁同步电机无传感器直接转矩滑模控制研究[D]. 郑大伟.河北工程大学 2019
[3]基于自适应UKF的SINS/GPS紧组合导航系统的应用研究[D]. 田甜.青岛科技大学 2019
[4]电动汽车驱动用永磁同步电机矢量控制的研究[D]. 解宝纯.辽宁石油化工大学 2019
[5]基于STM32的电梯门开绕组永磁同步电机控制系统[D]. 柳瑶瑶.东南大学 2018
[6]基于碳化硅功率器件的永磁同步电机驱动系统研究[D]. 石宏康.哈尔滨工业大学 2018
[7]带式输送机永磁变频自动张紧装置研究设计[D]. 宋瑾瑾.山东科技大学 2018
[8]无位置传感器永磁同步电机的参数辨识与仿真研究[D]. 杨灵艺.中北大学 2018
[9]基于UKF的永磁同步电动机永磁磁链在线监测研究[D]. 崔伟华.湖南工业大学 2016
[10]叉车永磁同步电机驱动器设计[D]. 王超尘.南京理工大学 2012
本文编号：3340956
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
永磁同步电机转子结构
基于自适应UKF的永磁同步电机无传感器控制研究10构较强，适用于高速应用场合[36]，这种永磁体不直接接触气隙，只与转子的硅钢片接触，其气隙磁密较高，常应用于高功率密度的电机，凸极率能够达到3甚至更高。其缺点是加工工艺难度较大。三种转子结构的电机特点对比如表2-1所示：表2-1不同转子电机特点对比Table2-1Characteristicscomparisonofdifferentrotormotors内置式表面凸出式表面嵌入式凸极率3及以上约1.1~1.35约2~2.3应用转速高速中低速中高速加工工艺难易中应用范围少广中PMSM的定子结构与其他电机相同，有分布式和集中式两种。分布式绕组每极每相槽数有两槽及以上，分布式绕组有助于减小磁动势的谐波，因此谐波转矩及损耗较校集中式绕组每极每相一槽，能够减小导线长度，节约成本，并且加工简单，生成效率高。在性能上由于导线长度短，因此定子铜耗较小；由于槽数少，电机齿槽转矩小；自感较大，弱磁运行的范围较大，非常适用于对速度有较高要求的领域。其缺点是定子绕组产生的磁动势谐波较大。2.1.2永磁同步电机的工作原理图2-2永磁同步电机结构图Figure2-2Structureofpermanentmagnetsynchronousmotor永磁同步电机其实永磁式无刷直流电机中的一种，PMSM结构如图2-2所示，在转子结构上，PMSM电机不需要励磁线圈、电刷等，由汝铁硼永磁体构成，这样简化了电机的结构，提高了电机使用的可靠性，又没有转子铜耗，提高了电机效率。定子绕组一般为多相，本文以三相绕组为例，三相绕组沿着定子铁芯对称分布，两两相差120°，通入三相交流电可产生选择磁场[37]。永磁同步电机的工作原理是通过PWM控制的逆变电路在励磁绕组通入直流励
基于自适应UKF的永磁同步电机无传感器控制研究24表2-6仿真用电机参数Table2-6Simulationmotorparameters定子电阻同步电感转子磁通极对数转动惯量2.875Ω8.5mH0.3Wb40.0022kgm2在仿真过程中，初始转速为0，在0s给电机的给定转速为500r/min，此时转矩为2Nm，电机稳定后在0.15s时将给定转速增加到1000r/min，待转速稳定后，将转矩增加到8Nm，通过以上三组数据，分别观察永磁同步电机的转速响应和转矩响应以及不同转速及转矩下相电流的变化。仿真结果如图2-12所示，其中（a）为转速响应曲线，（b）为转矩曲线，（c）为A相电流曲线。(a)(b)(c)图2-12永磁同步电机矢量控制仿真结果Figure2-12SimulationresultsofPMSMVectorControl从仿真结果可以看出，当转速增加转矩不变时，A相电流幅值不变，频率增加，电机转速能跟达到给定转速。当转速不变，增加转矩时，A向电流频率不变，幅值
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于四元数卡尔曼滤波的四旋翼姿态测量系统设计与实现[J]. 钟雨露,周翟和,曾传伟,邹克臣. 电子测量技术. 2020(01)
[2]Unscented Kalman-filter-based sliding mode control for an underwater gliding snake-like robot[J]. Jingge TANG,Bin LI,Jian CHANG,Aiqun ZHANG. Science China（Information Sciences）. 2020(01)
[3]基于磁链观测的高速永磁同步电机控制方法研究[J]. 马河涛,黄守道. 电机与控制应用. 2019(06)
[4]2018年永磁电机概况及趋势分析[J]. 电器工业. 2019(06)
[5]电动车用多盘式永磁同步电机协同优化与容错控制方法[J]. 赵剑飞,花敏琪,刘廷章. 中国电机工程学报. 2019(02)
[6]组合磁极结构的永磁电机解析法建模与分析[J]. 倪有源,刘跃斌,王群京. 电机与控制学报. 2019(01)
[7]基于SVPWM电动汽车永磁同步电机控制系统仿真研究[J]. 陈方辉. 机械工程与自动化. 2018(06)
[8]永磁同步电机无速度传感器控制技术综述[J]. 潘森林,高瑾. 微电机. 2018(03)
[9]基于垂直轴风力机的盘式永磁电机的试验研究[J]. 柯赟,袁春旺,蒋佳炜,王太友,胡以怀. 节能. 2018(01)
[10]基于DSP的永磁同步电机控制系统硬件设计[J]. 胡宇,张兴华. 电机与控制应用. 2017(12)
博士论文
[1]永磁同步电机调速系统无位置传感器控制技术研究[D]. 吴春.西北工业大学 2016
[2]永磁同步电机多采样率辨识与控制方法研究[D]. 徐鹏.西南交通大学 2015
[3]基于观测器的永磁同步电机鲁棒稳定性分析与控制器设计[D]. 陈才学.华南理工大学 2014
[4]基于自适应UKF及位速测量辅助的大椭圆轨道卫星自主导航[D]. 李璟璟.哈尔滨工业大学 2012
[5]车用高功率密度永磁同步电机的研究[D]. 沈启平.沈阳工业大学 2012
[6]永磁同步电机无位置传感器运行控制技术研究[D]. 李冉.浙江大学 2012
硕士论文
[1]永磁同步电机的无传感器控制研究[D]. 洪帅.广西科技大学 2019
[2]永磁同步电机无传感器直接转矩滑模控制研究[D]. 郑大伟.河北工程大学 2019
[3]基于自适应UKF的SINS/GPS紧组合导航系统的应用研究[D]. 田甜.青岛科技大学 2019
[4]电动汽车驱动用永磁同步电机矢量控制的研究[D]. 解宝纯.辽宁石油化工大学 2019
[5]基于STM32的电梯门开绕组永磁同步电机控制系统[D]. 柳瑶瑶.东南大学 2018
[6]基于碳化硅功率器件的永磁同步电机驱动系统研究[D]. 石宏康.哈尔滨工业大学 2018
[7]带式输送机永磁变频自动张紧装置研究设计[D]. 宋瑾瑾.山东科技大学 2018
[8]无位置传感器永磁同步电机的参数辨识与仿真研究[D]. 杨灵艺.中北大学 2018
[9]基于UKF的永磁同步电动机永磁磁链在线监测研究[D]. 崔伟华.湖南工业大学 2016
[10]叉车永磁同步电机驱动器设计[D]. 王超尘.南京理工大学 2012
本文编号：3340956
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