电动汽车永磁同步电机无位置传感器矢量控制研究

发布时间：2020-09-28 20:33

　　在环境保护和能源危机的影响下,电动汽车作为一种节能环保型交通工具,近年来得到了工业界的青睐。作为电动汽车的心脏,电机驱动系统在电动汽车中有着举足重轻地位,深刻影响着整车的性能指标。永磁同步电机凭借其高效率运行区间广、功率密度高的优势被广泛用作电动汽车的驱动执行机构。高性能的矢量控制技术被广泛应用于永磁同步电机的控制当中,但为了实现磁场定向,需要安装机械传感器来检测转子位置,这会增加系统的成本和复杂性,降低系统的可靠性与环境适应能力。因此,开展永磁同步电机无位置传感器矢量控制技术的研究具有重要的理论与现实意义。本文以表贴式永磁同步电机双闭环矢量控制系统为研究对象,针对电机全速度范围内的无位置传感器控制方法展开研究。具体研究内容如下:改进了永磁同步电机矢量控制系统的转速环控制器和电流环控制器,提高了复杂工作环境下系统的抗扰动能力,改善了系统的动态响应性能,为后续的无位置传感器控制奠定了坚实的基础。首先,在详尽分析传统滑模趋近律优缺点的基础上,结合滑模变结构控制理论,设计了基于新型双幂次趋近律的滑模速度控制器。然后,详细地分析了传统永磁同步电机矢量控制系统中电流环的耦合现象,为了避免d-q轴电流的相互影响、改善系统的动态响应品质,设计了基于内模原理的电流解耦控制器。最后,进行了仿真分析验证。针对永磁同步电机中高速阶段的无位置传感器控制,研究了一种具有电机参数在线估计的基于自适应二阶滑模观测器的转子位置检测方法。首先,根据永磁同步电机的数学模型和Super-Twisting Algorithm理论,设计了自适应二阶滑模观测器,完成了定子电阻和转子转速的实时估计,避免了低通滤波环节的使用,消除定子电阻参数摄动对观测器的影响。然后,在同步旋转坐标系下,设计了二阶滑模观测器来估计转子永磁磁链,消除了转子永磁磁链的变化对位置跟踪观测器的不良影响,采用位置跟踪观测器实现了转子位置的精确估计。最后,在理论分析的基础上进行了仿真对比研究。针对永磁同步电机低速阶段的无位置传感器控制,研究了两种基于无滤波器信号分离策略的脉振高频方波电压注入法。首先,分析了传统脉振高频正弦电压信号注入法存在的缺点,基于此,提出了两种脉振高频方波电压信号注入策略——方波电压信号注入估计同步旋转坐标系和方波电压信号注入静止坐标系。然后,对比分析了所提出的两种方波电压信号注入策略的优缺点。其次,针对滤波器带来的衰减与延迟问题,对信号处理过程进行了改进,提出了一种无滤波器信号分离策略,用于所提出的两种脉振高频方波电压信号注入法,实现了电机低速阶段的高性能无位置传感器控制。最后,进行了仿真对比研究。针对永磁同步电机全速范围内的无位置传感器控制,研究了一种复合控制算法,实现了脉振高频方波电压信号注入法与自适应二阶滑模观测器法的有效融合。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM341
【部分图文】：

瞬态波形,瞬态波形,轴电流,阶跃

图 2.4 转速阶跃给定时 dq 轴电流瞬态波形Fig.2.4 dq-axis current transient waveform when speed stepping对模型精度要求低且对参数变化不敏感，具有结构简单、参方便等优点。其基本原理是构建一个与实际系统相似的内部的输出与实际系统的输出之差作为反馈信号，与输入量叠加量。内模控制的主要优点是：①无需精确地数学模型；②引可能获得较好的鲁棒性；③控制器参数调节方便。a）为典型的内模控制结构图，其中，C s 为内模控制器，输入给定， Y s 为控制系统的输出， G s 为被控对象， G对图 2.5（a）进行适当的等效变换，可得到图 2.5（b）所示效控制器为： 1 s = - s s s F I C G C （ I 为单位矩阵。

波形,轴电流,解耦,波形

2 永磁同步电机矢量控制系统控制器设计计的基于内模原理的电流控制器下，分析电流闭环控制系波特图可知：随着转速的升高，该闭环系统变化的零点和极点的位置不变，系统的带宽和相移也不变，所以系统控变化的影响，实现了 d-q 轴电流的动态解耦。在 Simulink型进行验证，仿真工况设置为：电机给定电气角速度 400 5 N m，t=0.2s 时提高到 15 N m，t=0.4s 时降低到 10

变化曲线,矢量控制系统,时基,PI调节器

（c）电磁转矩变化曲线2.9 转速突变时基于传统 PI 调节器的 SPMSM 矢量控制系统仿真tion results of SPMSM vector control system based on traditional Pthe speed changed（a）转子电气角速度变化曲线

【参考文献】