永磁同步电动机无位置传感器控制技术研究

摘要

永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、重量轻、功率密度高、功率因数高、效率高、高转矩/惯量比、可靠性高、维护方便等诸多优点，应用广泛。但传统的PMSM中安装位置传感器会带来安装困难、使用环境受限等一系列问题，因而无位置传感器控制技术顺势而生，促进PMSM更为广泛应用，具有十分重要的意义。本课题源自PMSM在风机水泵中的应用，当今社会风机水泵类电机在国民生活各个领域广泛应用，使用无位置传感器PMSM具有高效节能、高性能、成本低、可靠性高等优点。
　　本文首先研读了国内外关于PMSM无位置传感器控制技术的大量文献，总结概述了PMSM无位置传感器控制技术的研究意义、研究现状和研究方法，选择具有较强鲁棒牲、较好稳定性的滑模变结构控制作为本文无位置传感器矢量控制技术的研究核心。通过坐标变换，建立PMSM在由0坐标系下的数学模型，明确采用id=0控制的PMSM矢量控制系统需要重点研究解决的问题。其中对于矢量控制中的SVPWM内容，重点分析论证了基于改进Clark逆变换三相电压值符号判定的T1、T2的简化算法，该法根据改进Clark逆变换三相定子电压值符号就可判定电压矢量所在扇区，并给出其所在扇区两侧相邻基本电压矢量作用时间T1、T2与此刻某两相电压值的正比例关系。
　　接着重点研究获取PMSM转子位置信号的无位置传感器控制技术:首先研究了PMSM中高速运行段的滑模变结构控制。根据PMSM在两相静止坐标系下的数学模型建立PMSM滑模观测器，定义估算电流和实际电流误差为切换面，使用具有抑制抖动作用的饱和函数作为控制函数，采用一阶低通滤波器对控制函数滤波提取出反电动势估算信号，然后把控制函数和反电势估算信号一同反馈到滑模观测器，构成完整的PMSM滑模变结构控制。然后依据滑模控制理论，论证给出所建立的滑模变结构控制的存在性、可达性、稳定性条件。再对反电动势估算信号进行二次滤波得到最终的反电动势信号，用于求解转子位置角，并研究了基于恒定延迟角滤波器的转子位置角补偿方法，最后给出转速的估算方法。其次在零速和低速阶段研究了PMSM的开环起动算法，零速时通过转子预定位迫使转子位于A相绕组轴线位置，再通过电流闭环起动法使PMSM以恒定加速度起动。然后给出开环起动和闭环运行间的切换方法。
　　然后研制了PMSM无位置传感器控制器。对硬件部分，设计了控制器的主电路、dsPIC DSC最小系统、驱动电路、检测电路、故障保护电路、串行通讯和电源系统电路。软件设计部分，从顶层设计和实时性要求角度将软件设计划分为主程序设计和A/D中断程序设计，在A/D中断程序中完成整个控制算法的运行，然后着重研究了滑模变结构控制系统程序设计，对其中恒定延迟角的一阶低通滤波器的离散化实现和转子电角速度在软件中的具体求解做了研究。最后通过大量实验进行改进完善，验证了所研制的无位置传感器控制器能够稳定可靠地驱动PMSM平稳运行，证明了本课题研究的滑模变结构控制的PMSM无位置传感器控制技术的可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．1．1 永磁同步电动机的发展状况

1．1．2 PMSM无位置传感器控制技术研究意义

1．2 课题国内外研究现状

1．2．1 PMSM的控制策略

1．2．2 PMSM无位置传感器控制技术概述

1．3 本文主要研究内容

1．4 本章小结

第2章 PMSM的数学模型及矢量控制系统

2．1 三相静止坐标系下的同步电机数学模型

2．2 两相旋转坐标系下PMSM数学模型的建立

2．2．1 坐标变换

2．2．2 dq0坐标系下永磁同步电动机的简化数学模型

2．3 PMSM的矢量控制

2．3．1 id=0控制的数学模型

2．3．2 id=0控制的PMSM矢量控制系统

2．4 SVPWM中基本电压矢量作用时间的T1、T2的一种简化算法

2．5 本章小结

第3章 基于滑模变结构控制的PMSM无位置传感器控制技术

3．1 两相静止坐标系下PMSM的数学模型

3．2 中速、高速运行：滑模变结构控制

3．2．1 滑模变结构控制的基本问题

3．2．2 验证滑模变结构控制存在性、可达性、稳定性

3．2．3 反电动势的提取与滤波

3．2．4 转子位置估算与补偿

3．2．5 转速估算

3．3 零速、低速运行：开环起动法

3．3．1 零速时转子预定位

3．3．2 低速时开环起动

3．4 低速、中速之间的切换方法

3．5 本章小结

第4章 PMSM无位置传感器控制系统设计

4．1 PMSM无位置传感器控制系统的硬件设计

4．1．1 硬件总体设计

4．1．2 DSC最小系统设计

4．1．3 主电路设计

4．1．4 驱动电路设计

4．1．5 检测电路设计

4．1．6 故障保护电路设计

4．1．7 串行通讯电路设计

4．1．8 电源系统设计

4．2 PMSM无位置传感器控制系统的软件设计

4．2．1 软件总体设计

4．2．2 主程序设计

4．2．3 中断程序设计

4．2．4 滑模变结构控制程序设计

4．2．5 SVPWM程序设计

4．3 本章小结

第5章 实验部分

5．1 实验准备

5．1．1 控制器及实验电机

5．1．2 实验系统

5．2 实验验证

5．2．1 起动过程验证

5．2．2 滑模变结构控制验证分析

5．2．3 PMSM电机无传感器控制运行性能验证分析

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢