基于高频注入法IPMSM无速传感器矢量控制研究

摘要

在永磁同步电动机交流调速控制系统中，为了实现位置和速度闭环控制从而达到高性能控制效果，通常需要在电动机转动轴上安装用来测量转子位置和速度信息机械式的光电编码器或旋转变压器。但它们都要受到自身体积、质量以及成本等因素的影响，特别是在有些环境中，机械式传感器受周边环境因素影响较大，容易造成系统不稳定问题的出现。为了解决这些问题，近年来永磁同步电动机无速度传感器矢量控制技术成为交流调速领域中的一大热点。在众多无速度传感器技术中大部分都是基于反电动势的位置估计方法，而这些方法只有中高速条件下才能有效工作，而在中低速环境中由于反电动势比较小，无法正确提取。低速情况下一般用高频注入法。本文采用基于高频电压注入法的无速度传感器矢量控制技术来检测转子的位置信息。主要完成的工作有:
　　一、建立了IPMSM数学模型，以及在各个坐标轴的转换关系，通过三相与两相，两相与两相之间的数学转换解决了电机非线性、强耦合性等难题，最后介绍了IPMSM矢量控制基本理论和几种矢量控制策略，为后面的无位置传感器矢量控制技术奠定了理论基础。
　　二、具体地分析了旋转式高频电压信号注入法和脉振式高频电压注入法应用在永磁同步电动机无速度传感器矢量控制系统的基本原理，并且针对滤波器模块进行了简化，最后进行了仿真研究。通过仿真表明，脉振式高频电压注入法比旋转式调试更困难，对参数变化更敏感，但脉振式注入法动态效应更好。两种方法都有比较好的位置跟踪精度，适用低速空负载运行。
　　三、详细讨论分析了高频电压注入无速度传感器矢量控制系统的影响因素。逆变器死区效应使逆变器每周期多输出了六个幅值相等的额外干扰电压，使响应电流信号波形发生了畸变，影响了转子位置估计精确性。定子电阻和系统延时使正负序电流分量发生了偏移，多出了一个直流分量。凸极率的大小直接影响电机转子位置估计误差的大小，甚至有可能使位置估计失败。最后对几种影响因素分别进行了仿真研究分析。
　　四、最后对控制系统进行了整体硬件和软件设计，并通过实验验证了基于旋转式高频电压注入法的永磁同步电机无速度传感器矢量控制系统的可靠性和稳定性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 永磁同步电机的发展

1．3 永磁同步电机控制理论的发展

1．3．1 矢量控制理论

1．3．2 现代控制理论

1．4 永磁同步电机无速传感器控制技术的分类

1．4．1 基于基频信号的无速度传感器控制方法

1．4．2 基于高频信号注入的无速度传感器控制方法

1．5 本文的主要研究内容

1．6 本章小结

第2章 永磁同步电机数学模型及矢量控制原理

2．1 永磁同步电机的基本结构

2．2 永磁同步电机数学模型

2．2．1 坐标变换基本原理

2．2．2 永磁同步电机数学模型

2．2．3 永磁同步电动机的矢量控制

2．3 本章小结

第3章 基于高频注入法的永磁同步电机转子位置检测原理

3．1 高频电压信号注入法转子位置检测原理

3．1．1 旋转高频电压信号注入法转子位置检测原理

3．1．2 脉振式高频注入法转子位置检测原理

3．2 滤波环节的简化

3．3 永磁同步电机转子初始位置检测

3．3．1 永磁同步电动机定子电感饱和效应分析

3．3．2 基于旋转高频注入法的转子初始位置检测原理

3．4 仿真研究

3．4．1 基于旋转式高频电压注入法仿真研究

3．4．2 基于脉振式高频电压注入法仿真研

3．5 两种高频电压信号注入法的比较

3．6 本章小结

第4章 影响永磁同步电机无速度传感器矢量控制因素

4．1 逆变器非线性效应及影响

4．1．1 逆变器非线性效应

4．1．2 逆变器非线性效应的影响

4．2 定子电阻和系统延时的影响

4．2．1 定子电阻的影响

4．2．2 系统延时的影响

4．3 仿真研究

4．4 本章小结

第5章 基于高频注入的无速度传感器矢量控制的设计与实现

5．1 控制系统的硬件结构设计

5．1．1 主电路及保护电路设计

5．1．2 驱动电路设计

5．1．3 DSP及外围控制电路的设计

5．2 实验系统的软件设计

5．3 实验结果

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)