定子磁场定向无速度传感器系统研究与开发

摘要

本文以感应电机基于定子磁场定向的无速度传感器控制为主要研究内容，针对其中的几个关键问题进行了深入的理论分析和研究，并且构建了DSP(TMS320LF2407A)+CPLD 框架的硬件控制平台，在此平台上进行了感应电机按定子磁场定向的无速度传感器矢量控制的调速实验，从实验结果看系统具有较好的调速性能，较宽的调速范围。 磁链估算是无速度传感器系统的核心问题。定子磁链估算相对于转子磁链估算需要的电机参数少，因此，定子磁场定向的无速度传感器系统参数鲁棒性强。本文详细阐述了定子磁场定向技术的出发点和原理，深入讨论了磁链和转矩的解耦方法，建立了感应电机按定子磁场定向的无速度传感器系统的控制结构，并理论分析了电感参数对不同参考系下无速度传感器系统的影响。 定子电流和电压对定子磁链的估算有着直接影响。本文详细论述了非线性形态滤波器的原理，并将其引入电流信号的滤波，实验结果表明非线性形态滤波器在有效消除电流信号中正负脉冲干扰的同时很好地保留原有信号的特性，取得良好的滤波效果。本文深入分析了死区效应的产生机理、死区对电压基波分量和谐波分量的影响及其对电流波形的影响，提出了一种基于检测功率管实际导通时间的死区补偿和电机电压直接检测方法，利用检测的死区补偿时间进行死区补偿可以有效地提高波形质量，抑制谐波，同时检测到的电机相电压也具有较高的精度。 在定子磁链观测方面，纯积分器很容易导致输出信号饱和与偏移，一阶低通滤波器可以在一定程度上抑制饱和与偏移，但不可避免地引入了幅值和相位误差。本文深入研究了带反馈补偿积分器的工作原理、特性及其相关参数的选取原则，指出阈值固定的双积分器可以有效抑制饱和与直流偏移，并且在低频饱和状态下可以完全补偿幅值和相位误差。将阈值固定的双积分器应用于实际系统取得良好的定子磁链观测效果。 在仿真条件逼近实际工况的仿真环境下进行系统计算机仿真可以为研究工作提供具有很强的实际指导意义。本文在具有半物理仿真特性的SaberDesigner 软件下，建立了感应电动机基于磁场定向的无速度传感器调速系统仿真平台，在此平台上对按转子磁场定向和定子磁场的无速度传感器系统进行了深入研究和对比，并且通过仿真实验研究了电机参数对上述两种磁场定向无速度传感器系统的影响。 理论分析和仿真实验都表明无速度传感器系统严重依赖于电机参数的准确性。 本文在借鉴其他学者研究成果的基础上，提出了一种改进的感应电机参数的离线检测方法。该方法结合SVPWM 调制方式，并引入了电流调节器，加快了参数辨识过程，增强了系统的安全性，利用离散快速傅立叶变换(DFFT)计算电流电压的有效值和功率因数，增强了系统的抗干扰能力。上述方法充分利用现有的软、硬件条件，完全由系统自动完成，无需人工连线，非常适合于无速度传感器系统，实验结果具有良好的一致性和较高的精度。 感应电机参数会随运行条件和环境的改变而变化，按定子磁场定向的无速度传感器系统中，定子磁链的估算和定子电阻密切相关。本文提出了一种定子电阻闭环在线估计方法。该方法原理简单、实现方便，仿真结果表明该方法可以很好地跟踪定子电阻的变化，改善系统的性能。采用动态转速估算法，在负载情况下，转子参数和电感参数会影响转差频率的估算。本文将PI 自适应转速估算方法引入定子磁场定向的无速度传感器系统，避免了系统在负载情况下，估算转速受转子参数和电感参数影响的问题。从仿真结果看，采用这种估算策略的定子磁场定向无速度传感器系统具有较强的参数鲁棒性。