永磁同步电机矢量控制中单电流传感器相电流重构技术研究

摘要

永磁同步电机以其高功率密度、高可靠性、调速范围宽等优点广泛的应用于工业领域。在实际的应用中，为了保证电机速度和位置的精确控制，就需要精确控制电机的电磁转矩。由于电机的电磁转矩是定子电流和转子磁链相作用产生的，因此，需要电流传感器来获取精准的绕组电流，实现电流环的高性能控制。在某些特殊的应用场合中，对电机控制系统的成本和体积要求严格，但高精度的电流传感器存在价格昂贵、体积大等问题。为此，研究人员提出了采用单个电流传感器重构出全部的相电流信息—相电流重构技术。本文以表贴式永磁同步电机为控制对象，采用id=0和状态反馈解耦的电流环控制。　　首先，详细地分析能够实现相电流重构技术的单电阻电流传感器和单霍尔电流传感器在电路中可能的安装位置：单电阻电流传感器只能安装在直流母线上；而隔离型霍尔电流传感器除了安装在直流母线上还有多种耦合安装方式，论文主要研究直流母线上单电阻电流重构技术和采用隔离型霍尔传感器的零电压矢量采样法相电流重构技术。　　针对单电阻电流传感器相电流重构技术，论文阐述其基本理论和研究电流重构盲区存在的原因，并且研究采用脉冲移位的方法来解决相电流重构盲区问题；详细的分析单电阻电流传感器相电流重构技术中直流偏置的问题，以及该偏置量的存在对相电流的影响，同时提出一种在线方法来消除直流母线采样电路中的偏置。论文基于一套永磁同步电机矢量控制实验平台，在STM32F103控制器中实现了矢量控制算法，并设计直流母线采样的模拟电路，测量直流母线电流采样电路的偏置，验证本文提出的采样电路偏置量在线补偿算法，实验结果表明：在不采用补偿算法时，偏置量对重构电流闭环控制造成了严重的谐波，在线补偿算法极大地改善了采用重构电流的电流环控制性能。　　针对单霍尔电流传感器相电流重构技术，详细的分析了耦合两条支路电流（开关电流和相电流）重构技术的基本原理。该方法的优点是选择合适的开关频率就能计算出最小采样时间以满足在全部的线性调制区域内能实现相电流重构技术；通过延迟采样来解决死区造成的电压矢量中间时刻偏移问题，论文通过研究零矢量采样的原理，改进了SVPWM调制策略，提高了直流电压利用率，并且采用插值法补偿了由于两个采样点异步导致的三相采样电流不平衡现象，并通过仿真和实验验证了其可行性和有效性。

目录

1 绪 论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 单电流传感器相电流重构技术研究现状

1.2.1 单电流传感器相电流重构的拓扑结构

1.2.2 单电流传感器采样盲区研究现状

1.2.3 单电流传感器相电流重构技术中其它的问题

1.3 本文主要研究内容

2 PMSM数学建模及单电流传感器安装位置分析

2.1 PMSM数学建模

2.1.1 静止坐标轴系下PMSM电机模型

2.1.2 旋转坐标轴系下PMSM电机数学模型

2.2 表贴式永磁同步电机的矢量控制策略

2.3 单电阻与单隔离性霍尔电流传感器采样

2.4 单电流传感器安装位置的分析

2.4.1 单电阻电流传感器安装位置分析

2.4.2 单个隔离型霍尔电流传感器安装位置分析

2.5 本章小结

3 直流母线电阻相电流重构技术中偏置电流的消除

3.1 单电阻相电流重构技术的基本原理及采样盲区的分析

3.1.1 单电阻相电流重构技术的基本原理

3.1.2 电流重构盲区的分析

3.1.3 脉冲移位法

3.2 采样电路偏置电流分析及补偿方法

3.2.1 采样电路偏置电流对相电流的影响

3.2.2 偏置电流对相电流基波的影响

3.2.3 消除偏置电流的在线解决方法

3.3 直流母线上单电阻电流重构技术仿真

3.3.1 永磁同步电机的矢量控制系统模型

3.3.2 直流母线上单电阻相电流重构仿真模型的建立

3.3.3 仿真结果

3.4.1 实验平台硬件设计

3.4.2 实验结果

3.5 本章小结

4 零电压矢量采样法相电流重构中动态调制及电流预测

4.1 零电压矢量采样法相电流重构技术的基本原理

4.2 PWM调制及改进方法

4.2.1 零电压矢量采样对PWM调制的影响

4.2.2 改进的PWM调制策略

4.3.1 延迟采样补偿

4.3.2 零电压矢量采样法的重构技术电流预测

4.4.1 仿真

4.4.2 实验

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附 录

A作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B学位论文数据集

致谢