无轴承永磁同步电机无位置传感器及控制研究

摘要

无轴承电机集旋转与转子自悬浮功能于一体，具有无需润滑、无磨损、无机械噪声、高速高精等特点，在精密数控机床、航空航天、飞轮储能等高科技领域有广泛的应用前景。相比其他类型的无轴承电机，无轴承永磁同步电机具有结构简单、高功率密度、高效率、运行可靠等优点，成为目前无轴承电机技术的研究热点之一。传统机械式传感器的安装与使用不仅使电机体积增大、成本增加，更严重限制了无轴承永磁同步电机优良高速性能的发挥。与普通永磁同步电机相比，无轴承永磁同步电机稳定运行时转子处于自悬浮状态，外界扰动、参数摄动等因素使转子位置、速度及径向位移更容易产生振动和突变。突破机械式传感器约束，实现全速范围内无位置传感器稳定悬浮运行及高性能控制对实现无轴承永磁同步电机超高速、低成本、实用化运行具有重要的意义。基于上述背景，本文在国家863高技术研究发展计划(2007AA04Z13)和国家自然科学基金(60974053)等项目资助下，对无轴承永磁同步电机数学模型、转子磁场定向控制、自适应非奇异终端滑模控制、无位置传感器运行、全数字控制实验平台设计及试验运行进行重点研究，主要研究工作及取得的成果如下: 1.对二自由度表贴式无轴承永磁同步电机中悬浮力产生机理进行深入分析，从麦克斯韦张量法出发，建立转子偏心时悬浮力精确解析模型，从机电能量转换关系推导考虑转子偏心与悬浮绕组电流影响的电磁转矩数学模型。从转子动力学出发，建立转子运动方程及系统运动方程。 2.提出一种自适应非奇异终端滑模控制方法。设计自适应变速指数趋近律，通过引入系统状态变量的一阶范数，根据系统状态距离平衡点位置的远近自适应增大指数趋近速度，缩短趋近时间，在快速趋近的同时，自动减小等速趋近速度，从而保证系统在到达切换面时削弱系统抖振，采用该趋近律设计无轴承永磁同步电机转子速度与径向位移非奇异终端滑模控制器，能够更快速地跟踪速度及径向位移给定值，并对外界扰动及参数摄动有较强的鲁棒性。 3.针对平方根无迹卡尔曼滤波存在对模型参数变化鲁棒性差、收敛速度慢及对突变状态跟踪能力低等缺陷，提出一种改进平方根无迹卡尔曼滤波算法。结合强跟踪滤波原理，通过引入时变渐消因子在线自适应调整增益矩阵和状态预测误差协方差平方根矩阵，实现残差序列正交或近似正交，强迫平方根无迹卡尔曼滤波保持对实际状态的快速跟踪。在滤波过程中采用矩阵QR分解和Cholesky因子更新，以协方差平方根阵代替协方差阵参加迭代运算，有效地避免了滤波器发散，提高滤波算法收敛速度和稳定性。应用该方法设计无轴承永磁同步电机转子位置与速度估计器，可以提高系统对平稳状态、转速突变状态及外界扰动下的估计精度。 4.针对单一转速估计方法难以实现全速范围内转子位置与速度准确估计的缺陷，提出一种转子位置与速度复合估计方法。对于表贴式无轴承永磁同步电机，在零速及低速运行时，采用脉振高频信号注入法估计转子位置与速度，该方法不依赖于电机模型参数而仅依赖于电机本身的凸极特性，可实现零速及低速时转子位置与速度的准确估计;中高速运行时，采用改进平方根无迹卡尔曼滤波进行转子位置与速度估计，利用强跟踪滤波极强的模型失配鲁棒性，独特的强跟踪能力，有效地改善系统对稳态及突变状态的跟踪性能，通过设计两种方法的“软切换”，实现低速到高速的平滑过渡，从而实现全速范围内转子位置与速度的准确估计。 5.针对传统旋转高频信号注入法中信号处理精度低、延时时间长及过程复杂等缺陷，提出一种基于有限冲激响应优化滤波的改进型旋转高频信号注入法。通过离线设计等纹波最佳逼近有限冲激响应滤波器，利用该滤波器提取高频电流信号，实现高频电流信号提取误差更小。通过对高频电流做外差处理，提取转子位置误差信号，省去旋转高频信号注入法中的同步轴系滤波单元。针对有限冲激响应滤波器相位滞后，设计线性相位补偿，缩短系统延时时间。该方法结构简单，估计精度高，易于调试与实现，可实现转子位置与速度的准确估计。 6.构建了无轴承永磁同步电机全数字控制实验平台，对其硬件设计及软件流程进行详细阐述。采用空间电压矢量脉宽调制技术实现转子磁场定向控制，进行电机调速、转速突变状态下的悬浮运行试验，设计无位置传感器自适应非奇异终端滑模控制详细实现方案，为进一步开展无轴承永磁同步电机无位置传感器高性能控制奠定基础。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 无轴承电机研究与发展

1．1．1 无轴承电机研究背景与意义

1．1．2 无轴承电机研究现状

1．2 无轴承永磁同步电机研究现状与发展趋势

1．2．1 BPMSM结构及数学模型

1．2．2 BPMSM运行控制

1．2．3 BPMSM无传感器运行

1．3 本文研究内容与主要工作

第2章 无轴承永磁同步电机数学模型

2．1 BPMSM基本原理

2．1．1 电机中的电磁力

2．1．2 BPMSM径向悬浮力产生原理

2．2 BPMSM悬浮力数学模型

2．2．1 气隙磁场

2．2．2 悬浮力数学模型

2．3 BPMSM转矩部分数学模型

2．4 本章小结

第3章 基于磁场定向的BPMSM自适应非奇异终端滑模控制

3．1 滑模控制基本理论

3．1．1 滑动模态面设计

3．1．2 控制律设计

3．2 自适应非奇异终端滑模控制

3．2．1 终端滑模控制

3．2．2 非奇异终端滑模控制

3．2．3 自适应非奇异终端滑模控制算法设计

3．3 基于转子磁场定向的BPMSM自适应非奇异终端滑模控制

3．3．1 转速自适应NTSMC设计

3．3．2 径向位移自适应NTSMC设计

3．3．3 BPMSM自适应NTSMC仿真实验及结果分析

3．4 本章小结

第4章 基于改进SRUKF的BPMSM无位置传感器运行控制

4．1 平方根无迹卡尔曼滤波(SRUKF)

4．1．1 扩展卡尔曼滤波(EKF)

4．1．2 UT变换

4．1．3 平方根无迹卡尔曼滤波(SRUKF)

4．2 改进SRUKF算法设计

4．2．1 强跟踪滤波器(STF)

4．2．2 改进SRUKF算法设计

4．3 基于改进SRUKF的BPMSM无位置传感器运行控制

4．3．1 转子位置与速度估计状态方程建立

4．3．2 仿真实验结果与分析

4．4 本章小结

第5章 基于高频信号注入的BPMSM无位置传感器运行控制

5．1 脉振高频信号注入法

5．1．1 脉振高频信号激励下电机数学模型

5．1．2 脉振高频信号注入下转子位置估计

5．2 BPMSM无位置传感器运行复合方法

5．2．1 两种方法的“软切换”

5．2．2 仿真实验结果与分析

5．3 基于FIR优化滤波的旋转高频信号注入法

5．3．1 旋转高频信号注入法

5．3．2 等纹波最佳逼近FIR滤波器设计及线性相位补偿

5．3．3 旋转高频信号注入下转子位置估计仿真实验结果与分析

5．4 两种高频信号注入法比较

5．5 本章小结

第6章 BPMSM数字控制系统与试验

6．1 基于SVPWM的BPMSM转子磁场定向控制系统

6．2 BPMSM控制系统硬件设计

6．2．1 BPMSM样机本体

6．2．2 TMS320F2812数字控制器

6．2．3 IPM及隔离驱动

6．2．4 信号检测

6．3 BPMSM控制系统软件设计

6．3．1 BPMSM控制系统软件总体设计

6．3．2 转速环模块

6．3．3 位移环模块

6．3．4 电流环与SVPWM模块

6．4 基于转子磁场定向的BPMSM运行控制试验

6．4．1 BPMSM运行控制实验平台

6．4．2 试验结果与分析

6．5 BPMSM无位置传感器运行实现方法

6．6 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读博士期间的学术成果

致谢