永磁电机无传感器控制系统低速动态性能提升策略

摘要

永磁同步电机具有结构坚固、高动态性能、高转矩惯量比、高转矩电流比及控制灵活等优点，广泛应用于工业驱动领域。而位置传感器直接导致成本提高、系统可靠性下降，因而无传感器控制领域近年来发展为研究热点。但该运行模式有动态性能降低的弊端，限制了永磁同步电机在高性能需求的领域的应用。低速及零速域无传感器控制通常采用高频注入法，其使用的数字滤波器不可避免的降低了控制系统带宽。与此同时，不精确的观测反馈量、观测器参数和动态品质差的控制器均会降低系统刚度。因此，本文对基于高频注入的内置式永磁同步电机无传感器控制系统带宽及刚度提升问题进行研究。
　　在建立永磁同步电机数学模型的基础上，分析无传感器控制系统非理想因素对电流环和速度环带宽的影响。针对在参数失配情况下，分析位置观测器对控制系统稳定性的影响。论证了去除信号处理过程中使用的数字滤波器以及速度反馈低通滤波器可以提高系统带宽。
　　为了去除数字滤波器以提高控制系统带宽，对基于模型预测的高频方波注入无传感器控制策略进行研究。由注入高频电压与电流时序关系，简化信号分离和转子位置误差提取控制算法，从而去除数字滤波器。应用所提出的改进的转子位置观测器，得到转矩脉动更小的观测转速，去除速度反馈数字滤波器。采用基于模型预测法的转速预测方案，得到超前于观测转速的预测转速，将其作为速度反馈提升系统动态性能。
　　为了提高控制系统刚度，研究永磁同步电机无传感器自抗扰控制策略。分析系统参数及观测器带宽对刚度的影响，结合系统速度环自抗扰控制器状态方程数学模型，采用扩张状态观测器观测并补偿扰动，非线性误差反馈控制器快速平稳的控制误差反馈，提高了系统鲁棒性。在系统不失稳的条件下，分析扩张状态观测器及非线性误差反馈控制器，并给出其参数设计方法。
　　最后，在理论分析及仿真的基础上，利用 IPMSM对拖加载平台，对所研究的基于模型预测的无位置传感器自抗扰控制系统的动态性能进行实验验证。加减速实验验证控制策略使系统具有良好的运行特性，电流环及速度环带宽测试验证了该策略提高带宽的有效性，有无自抗扰控制器的刚度实验表明自抗扰策略提高了刚度，所研究的控制策略提升了系统动态性能。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3 论文的主要研究内容

第2章 永磁同步电机无传感器控制系统带宽分析

2.1 引言

2.2 永磁同步电机数学模型

2.3无传感器控制系统带宽影响因素

2.4 参数影响及稳定性定量分析

2.5 本章小结

第3章 基于模型预测的高频方波注入观测器研究

3.1引言

3.2基于高频方波注入的无传感器模型建立

3.3基于模型预测的转子位置提取

3.4实验结果

3.5 本章小结

第4章 永磁电机无位置传感器自抗扰控制策略研究

4.1引言

4.2无传感器自抗扰控制原理分析

4.3自抗扰控制器设计及稳定性分析

4.4无传感器系统刚度影响因素分析及仿真

4.5 本章小结

第5章 永磁电机无传感器矢量控制系统实验

5.1 引言

5.2 IPMSM矢量控制系统实验平台

5.3无位置传感器控制实验结果

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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致谢