永磁同步电机的无速度传感器控制算法研究

发布时间：2020-10-20 06:43

　　 随着近代电机技术的发展,永磁同步电机(PMSM)已经凭其自身的诸多优点越来越广泛地应用到日常生活中,因此掌握同步电机的调速方法就显得格外地重要。在永磁同步电机的控制系统中,转子位置信息和转速信息都非常重要,所以通常都需要在电机轴上安装编码器或者旋转变压器等传感器以得到转子的位置和速度信号,来提供速度偏差和转角做坐标变换。近来,无位置传感器控制技术近年来已经成为了永磁同步电机的研究热点之一,本文主要介绍高频注入法和扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter,EKF)两种方法。为了方便控制算法的设计,本文首先提出了坐标变换的相关理论,并得到了基于各个坐标系的PMSM模型,并介绍了常用的电机调速系统所使用的磁场定向控制理论,通过控制同步旋转坐标系电流,就可以将系统解耦,等效为直流电机控制。同时介绍了空间矢量调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)技术,在电机控制系统中提供稳定高效的逆变效果,是电机调速系统中不可或缺的一部分。针对电机调速系统转子位置估计的问题,首先推导了线性卡尔曼滤波方法,并针对离散型和连续型分别提出了基本方程。通过线性的卡尔曼滤波方程,可以对非线性方程进行近似分解,可以推导出近似的非线性卡尔曼滤波方程,即广义拓展卡尔曼滤波方法。根据得到的同步旋转坐标系下的电机模型,文中设计了基于拓展卡尔曼滤波的无传感器控制算法。针对EKF速度转子观测器在零速以及低速情况下性能较差的情况,文中接下来介绍了高频注入法。这种方法需要再控制系统中额外增加一个信号发生器,会增加系统成本和系统体积。高频注入法是通过在控制系统中增加一个高频信号,在其经过电机之后,会携带电机转子信息,接着通过滤波方法获得系统中的有用信号,最后使用位置跟踪观测器或PLL的技术来提取信号中包含的转子位置信息。最后,针对上文提出的两种方法,在Matlab/Simulink环境下完成了系统模型的搭建,对拓展卡尔曼滤波和高频注入的算法分别进行了仿真验证,验证了上述两个算法的正确性和有效性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM341;TP212
【部分图文】：

图 1-1 旋转高频信号注入法的无传感器控制系统结构框图目前，旋转高频电压信号注入法是应用比较早且应用比较多的一种高频信号注入观测法，其基本原理是在电流基波激励上再注入一个三相平衡的高频正弦电压信号，这样会得到一个频率上分开的两组信号，然后通过检测电机后，再将对应产生电流响应进行频率分解，再进行一系列转子位子信号提取的处理过程来获取转子位置信息。□脉振高频电压信号注入法在旋转高频电压注入法的基础上，Junk Ik Ha等人[17]最早又提出了这一种算法的改进版本，他的算法思路和高频注入的思路大体相似，但高频信号却是脉动矢量励磁信号，同时在利用高频阻抗的测量来完成转子的位置估算这种算法是主要检测PMSM的凸极，首先通过注入脉动矢量到旋转坐标系的d 轴，与此同时在PMSM中会产生高频阻抗，转子位置就包含在高频阻抗之中，最后只需要对高频阻抗进行测量和特殊处理运算，就可以从中提取到转子的位置信息，并估算出电机的转速信息。这一类方法在运行速域上又很大的优势，其既可以在零速附近运行，甚至在零速都可以准确地进行估算，只

图 1-2 脉振高频信号注入法的无传感器控制系统结构框图相对于旋转高频电压信号注入法来说，脉振高频电压注入法的基本思想是基本相同，只是两者的注入信号位置不同，脉振高频法在同步旋转 d q坐标系中注入信号，且只在 d 轴上注入正弦信号，会比旋转高频法少一个信号发生器，减少了能量的消耗，但该信号转化到静止坐标系中确是一个脉振的信号，与旋转信号不太相同。从仿真的情况对比上看，这两者的仿真结果基本相同，说明这两种方法控制算法在控制性能上是基本相同的。1.4 本文的主要研究内容本课题的研究内容主要是针对PMSM进行无速度传感器功能实现，基于磁场定向控制原理，使用矢量控制算法对电机进行双闭环调速控制，应用SVPWM技术完成电机的驱动，完成EKF的推导并应用于PMSM中，对于EK算法在低速段的缺陷，应用高频注入的算法对观测器进行低速段补偿，从而使整个系统拥有更宽的速度跟踪范围。

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文章 永磁同步电机模型及矢量 的坐标变换，除了自然坐标系以外，还会用到静止静止坐标变换（Clark 变换）和同步旋转间的关系如图 2-1 所示，其中 ABC 为自q为同步旋转坐标系[22]。下文将介绍各种
【参考文献】

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本文编号：2848364