脉振高频电压注入的永磁同步电机控制研究

摘要

永磁同步电机与其他电机相比，可以减小体积、增加功率因数。同时，随第三代稀土永磁材料钕铁硼的兴起，永磁同步电机的应用范围越来越广泛。由于在永磁同步电机上使用的机械位置传感器由于体积大、故障率高等缺点，在一些环境恶劣的情况下无法使用，因此无传感器技术就这样被提出。无传感器技术主要包括运用在中高速情况下的各种观测器法和运用在低速情况下的高频信号注入法等。 本课题着眼于低速情况下的永磁同步电机的控制。在低速情况下，无位置传感控制方法常用的有高频旋转信号注入法和高频脉振信号注入法。通过对两种传统的高频信号注入法分析对比可以得出：高频旋转信号注入法由于采用了同步轴系高通滤波器和其他带宽的滤波器，造成信号滞后严重；而高频脉振信号注入法在启动时有可能发散。为避免上述缺点，本文提出一种基于模糊PID的向静止坐标系下注入高频脉振信号的PMSM控制方法。该方法是在静止的αβ坐标系下注入高频脉振电压，通过电机高频激励模型推导出高频响应电流，对高频响应电流进行滤波、直流分量提取等处理，再通过转子位置观测器最终达到提取位置信息的目的。为了减小超调，加快转速调节时间，采用模糊自适应PID代替传统PID的改进型高频注入法，可以实现PID参数的在线调节，提高整个矢量控制的动态性能。 结合理论分析，本文基于MATLAB/Simulink进行仿真，验证了理论分析的正确性。最后，通过硬件电路的设计、软件编程搭建出实际的仿真平台。通过对实际电机的控制分析，可以证明该种方法相比于传统高频信号注入法可以更精确估算转子位置，且转速跟随性能好，具有实际应用价值。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 永磁同步电机无位置传感器技术

1.2.1 模型观测器法

1.2.2 凸极跟踪法

1.3 无位置传感器控制技术研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 高频注入法永磁同步电机矢量控制系统

2.1 永磁同步电机数学模型

2.1.1 自然坐标系下的电机数学模型

2.1.2 坐标变换

2.1.3 旋转坐标系下电机的动态数学模型

2.2 永磁同步电机矢量控制策略

2.2.1 矢量控制方法

2.2.2 空间矢量脉宽调制技术

2.3 高频信号注入法永磁同步电机矢量控制系统

2.3.1 高频激励下的永磁同步电机数学模型

2.3.2 高频旋转信号注入法

2.3.3 高频脉振信号注入法

2.4 两种高频电压注入法矢量控制仿真

2.4.1 高频旋转电压注入法控制系统

2.4.2 高频脉振电压注入法矢量控制系统

2.5 小结

3 静止坐标系高频脉振电压注入法永磁同步电机控制系统

3.1 静止坐标系高频脉振电压注入法控制原理

3.2 高频响应电流的处理

3.3 静止坐标系高频脉振信号注入法永磁同步电机控制仿真系统

3.4 仿真结果分析

3.5 基于模糊自适应的PID优化

3.6 小结

4 实验平台的设计及结果分析

4.1 整体控制系统

4.2 硬件系统设计

4.2.1 主控制器模块

4.2.2 电源模块

4.2.3 检测模块

4.2.4 功率驱动模块

4.2.5 硬件电流保护电路

4.3 软件系统设计

4.3.1 主程序的设计

4.3.2 PWM中断子程序

4.3.3 SVPWM

4.3.4 高频信号的离散化

4.3.5 模糊自适应PID子程序

4.3.6 IIR数字滤波器的实现

4.4 实验结果与分析

4.4.1 实验装置实物

4.4.2 实验结果

4.5 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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