永磁同步电机转子位置检测优化算法研究

摘要

永磁同步电机体积小、效率高，在军事、工业和生活领域得到广泛应用。其中转子位置检测对永磁同步电机调速控制起至关重要的作用，最初是在电机中安装位置传感器，但由于机械传感器增加了电机成本，在很多环境恶劣的场所无法正常工作，因此学者们开始研究无位置传感器估测转速的方法。 在无位置传感器检测中，电机低速时反电势值很小，定子电压电流的变化对反电动势检测精度影响很大；电机高速时参数变化迅速，高频信号注入法跟踪的是电机转子凸极效应，因此经常会丢失转子位置检测能力。本文以脉振高频电压注入法对电机转子零低速检测和滑模变结构控制法对电机转子中高速检测两种方法为核心，针对上述问题设计了一种复合控制法，并且对两种方法分别提出了各自优化改进策略来提升转子位置检测精度。主要工作如下： (1)介绍了脉振高频电压信号注入法无传感器控制系统原理，给估计转子参考坐标系中注入脉振高频电压信号后，会在定子侧出现对应的高频电流响应，这个电流信号中就有电机转子位置信息。在此基础上，针对多次使用滤波器会使信号延迟、电流环带宽减小等情况，提出一种优化传统脉振高频注入法的方法，即给高频电流响应信号中加入一个调制信号，减少了传统方法中滤波器的使用，使系统整体变简单。从仿真结果中可以看出，其与传统方法相比，在加减负载和改变转速方向等外界扰动的情况下，电机响应变快，超调量小，转子位置检测误差和延迟变小，运行波动变的更小。 (2)对滑模观测器转子位置检测法的原理进行了介绍，在实际运行中滑模观测器惯性很大，传统方法使用开关函数sign(s)由于其不连续性会产生比较大的抖振并且使用低通滤波器无法有效滤除谐波等误差，提出优化方法。采用平滑的(s)sigmoid函数来代替sign(s)函数可以削弱抖振现象并且针对系统中出现的大量谐波引入卡尔曼滤波器进行滤除。改变电机运行状态如加减负载和变速，仿真结果显示，优化方法降低了传统方法转子角度检测滞后的情况并有效削弱抖振，转子角度误差变小，缩短扰动之后稳定跟踪转速所需时间，提升了电机性能。 (3)结合以上两种检测方法在不同速段的误差检测精度选取一个切换区间，在这个速度区间内两种方法同时工作，按检测精度选取速度加权平均数，设计了一种加权切换法，可以在中高速和零低速之间平滑切换，最终实现了电机全速域转子位置的精确检测。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 永磁同步电机发展趋势

1.3 永磁同步电机无位置传感器研究现状

1.4 本文研究的主要内容

第2章 永磁同步电机数学模型与控制原理

2.1 永磁同步电机的结构

2.2 PMSM在不同坐标系下的数学模型

2.2.1 三相静止坐标系下PMSM的数学模型

2.2.2 两相静止坐标系下PMSM的数学模型

2.2.3 两相旋转坐标系下PMSM的数学模型

2.3 永磁同步电机矢量控制原理

2.4 电压空间矢量SVPWM调制

2.4.1 SVPWM控制原理

2.4.2 SVPWM的实现

2.5 本章小结

第3章 基于高频注入法转子零低速位置检测

3.1 高频脉振电压注入法

3.1.1 凸极效应

3.1.2 基本原理

3.1.3估计方法

3.2 优化传统脉振高频电压注入法

3.3转子极性判别

3.4仿真研究

3.5本章小结

第4章 基于滑模观测器法转子中高速位置检测

4.1滑模变结构控制器

4.1.1基本概念

4.1.2基本原理

4.1.3基本特性

4.2传统滑模观测器设计

4.3抖振现象及削弱

4.4改进滑模观测器

4.4.1滑模面的改进措施

4.4.2低通滤波器的改进措施

4.5仿真研究

4.6本章小结

第5章 全速域转子位置检测

5.1切换策略

5.2切换区间

5.3仿真分析

5.4本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

附录 A 研究生期间发表的学术论文