永磁同步电机系统的SVPWM死区补偿与无速度传感器控制研究

摘要

随着现代交流电机控制技术、电力电子技术、与微处理芯片的飞速发展，永磁同步电机调速系统在工业机器人、电动汽车、家电等各个领域都得到了广泛应用。为了提升系统的性能、节约硬件成本以及满足某些特殊场合的需求，死区效应补偿和无速度传感器技术一直是电机控制领域的研究热点。
　　本文的工作主要分为两个部分:首先，本文详细分析了SVPWM应用中死区时间对电机调速系统带来的不利影响，提出了一种基于扩张状态观测器的死区效应补偿方案，并进行了仿真与实验验证。同时，本文针对现有的无速度传感器技术进行了研究和分析，设计了一种新型的基于控制功率因素角的无速度传感器控制方案，并在波轮式洗衣机上进行了测试。
　　本文首先对目前交流调速系统的发展概况做了简要介绍，并分别对国内外现有的死区补偿方案以及无速度传感器控制技术进行了概括性的分析与介绍。接着以电机矢量为基础详细分析了永磁同步电机的数学模型，并对现有的两大基本控制策略进行了介绍。随后本文系统的分析了SVPWM应用时加入死区时间的原因以及其对电机调速系统带来的不利影响，并给出了死区时间等效到电机控制系统中的数学模型。然后本文针对永磁同步电机驱动系统的应用设计了一种基于扩张状态观测器的死区补偿方案，并分别在MATLAB/SIMULINK和某伺服产品上与PI控制策略进行了仿真与实验对比验证，结果表明本文所提出的方案对死区效应有着较好的抑制效果。同时，本文对基于电机反电动势（或感应电动势）法以及高频信号注入法这两大类无速度传感器技术进行了研究，并详细分析了几种代表性的无速度传感器技术方案，其中包括基于电机数学模型的开环估计法、基于滑模观测器的闭环估计法和基于凸极效应的高频脉振电压注入法等。最后，本文提出了一种新型的基于控制功率因素角的无速度传感器控制方案，并在某波轮式洗衣机上进行了实验验证。同时本文针对实际应用需求给出了闭环运行时一种实用的电机转子位置估算方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 脉宽调制技术中死区补偿的研究现状

1．3 永磁同步电机无速度传感器控制的研究现状

1．3．1 基于电机反电动势(back EMF)的转子位置估计算法

1．3．2 基于高频信号注入(high frequency injection)的转子位置估计算法

1．4 本论文的工作和内容安排

第二章 永磁同步电机的数学建模及其基本控制策略

2．1 引言

2．2 永磁同步电机数学模型

2．2．1 永磁同步电机的矢量方程

2．2．2 永磁同步电机的电磁转矩方程

2．3 永磁同步电机的两种主流控制策略

2．3．1 磁场定向控制(FOC)

2．3．2 直接转矩控制(DTC)

2．4 小结

第三章 SVPWM死区效应及其数学模型

3．1 引言

3．2 死区时间及其不利影响

3．2．1 设置死区时间的原因

3．2．2 死区时间对系统性能带来的不利影响

3．3 死区时间的数学模型

3．4 小结

第四章 死区补偿的控制策略及仿真与实验验证

4．1 引言

4．2 死区补偿的控制策略

4．2．1 用控制算法进行死区补偿的理论依据

4．2．2 基于扩张状态观测器(ESO)的电流环控制结构

4．3 死区补偿仿真与实验验证

4．3．1 基于MATLAB／SIMULINK的仿真验证

4．3．2 基于DSP硬件平台的实验验证

4．4 小结

第五章 永磁同步电机无速度传感器控制的研究

5．1 引言

5．2 基于反电动势或感应电动势的无速度传感器控制策略

5．2．1 FOC策略下的开环转子位置与速度估算

5．2．2 DTC策略下的开环定子磁链与转子转速估算

5．2．3 基于滑模观测器的转子位置估算方法

5．3 基于高频信号注入的无速度传感器控制策略

5．4 小结

第六章 无速度传感器控制在波轮洗衣机中的应用

6．1 引言

6．2 开环启动方案

6．3 闭环运行时转子位置的估计方案

6．4 小结

第七章 结束语

致谢

参考文献

作者在学期间发表的论文