永磁同步电机控制系统无电流传感器技术的研究

发布时间：2020-08-08 00:00

【摘要】：永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因其众所周知的优点被广泛用于高性能的调速系统。为了实现PMSM高精度控制,需要对电流进行反馈控制,因此就需要在逆变器交流侧安装两个相电流传感器。如果电流传感器出现突然的故障,会导致系统过载电流,假如对驱动门电路不采取正确的保护措施,就会使得逆变器功率半导体出现不可恢复的失效,由此造成电机性能的恶化。因此,有必要考虑对相电流传感器的容错控制。本文采用扩张状态观测器(extended state observer,ESO)方法对PMSM驱动控制系统进行了无电流传感器技术的研究。本文采用的PMSM驱动系统控制策略有矢量控制(Vector Control,VC)和有限控制集模型预测控制(Finite Control Set-model Predictive Control,FCS-MPC)。VC通过坐标变换对电机的转矩和磁链进行解耦控制,使系统具有好的转矩特性。FCS-MPC策略是一种通过使用系统模型来对控制变量未来时刻进行预测的控制算法,其优势在于无需复杂的PWM调制器,可以减小磁链和转矩脉动,从而改善系统的动态和稳态性能。主要研究内容分为以下几个部分:(1)针对PMSM驱动系统单相电流传感器故障情况,构造基于ESO单电流观测器的滑模-模型预测转矩控制系统。考虑到定子电阻变化,采用ESO理论设计了单电流观测器,以替代故障相电流传感器,从而实时估计相电流和定子电阻;对PMSM驱动系统采用模型预测转矩控制策略,以减小转矩和磁链脉动,从而实现对控制系统的高性能控制;设计基于幂次函数的滑模转速调节器,以提高对控制系统的鲁棒性。(2)针对PMSM驱动系统无任何电流传感器的情况,构造基于ESO无电流观测器的模型预测转矩控制系统。考虑到定子电阻变化,采用ESO理论设计了无电流观测器,以实时估计三相定子电流和定子电阻;对PMSM驱动系统采用模型预测转矩控制策略,以减小转矩和磁链脉动,从而实现对控制系统的高性能控制。(3)针对PMSM驱动系统无任何电流传感器情况,构造了基于双ESOs无电流观测器矢量控制系统。考虑对定子电阻变化和定子电感变化的鲁棒性,采用双ESOs理论设计了无电流观测器,以实时估计三相定子电流。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM341;TP212
【图文】：

系统框图,系统框图,模型预测控制

缺点是设计过程中对参数整定还没有理论支持且不易整定，计制(Fuzzy Control,FC)是由L.A.Zadeh学者在1965年首次提出了模的实质是一种将专家经验采用模糊规则形式表示的智能控制算传统的模型构建过程，通过模糊逻辑推理机的机制来实现控制计不依赖系统精确的数学模型。集模型预测控制集模型预测控制[26-36](Finite Control Set-Model Predictive Cont用系统模型来对控制变量未来时刻进行预测的控制算法。图 PC 基于电机模型来预测每个采样周期内逆变器(voltage source下控制量，根据控制目标建立相应的成本函数，再通过评价成现对 PMSM 驱动系统的控制。FCS-MPC 优势在于无需复杂的的动态和稳态性能。 ry k 1y k

拓扑结构图,三相电压,逆变器,电机

近年来相电流估计器的方法越来越受到广电流信息，且具有诸如增加可靠性、降低成境限制等优点。目前电机驱动系统中相电流法过直流母线电流信息和逆变器开关管状态来流信息与开关状态的关系如表 1.1。该方法电流传感器需要一定的时间对当前信息进行，因此可能出现采样不到直流母线电流信息法得到的相电流谐波较大。电流，多种基于 PWM 调制策略的改进直流善了相电流估计精度，但算法复杂。bScS

永磁同步电机

图(a) 面装式图(b) 表面内埋式图(c) 内嵌式图 2.1 永磁同步电机结构面装式的转子磁路对称，交、直轴电感基本相等(即 Ld=Lq)，而表面内埋式和的转子磁路结构不对称，因此其产生的交、直轴电感不相等，本文采用面装式进研究。2 PMSM的数学模型在设计 PMSM 控制系统时，为了尽可能地避免 PMSM 不确定因素，做如下假(1) 不考虑磁滞损耗和涡流损耗；(2) PMSM 三相定子绕组轴线在空间上呈 120。电角度差；(3) 不考虑磁路饱且磁路呈线性；(4) PMSM 定子绕组产生的磁势及反电势呈正弦形式。2.1 两相旋转坐标系下数学模型为了便于对面装式 PMSM 的控制，通常会用到两相旋转坐标系下的数学模型

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