基于高频信号注入法的永磁同步电机无位置传感器方法研究

摘要

永磁同步电机由于功率密度髙、动态响应快、过载能力强，被广泛应用于各种工业场合，如工业机器人、航空、电动汽车、和数控机床。为了实现永磁同步电机高精度和快速的动态控制，准确的转子位置检测是必要的。传统的方法是通过位置传感器检测转子的位置，然而，位置传感器不但会增加驱动系统的复杂性、体积和成本，而且降低了系统的可靠性。因此，永磁同步电机无位置传感器控制成为现代交流传动控制技术的一个重要研究方向。目前，在众多的无位置传感器控制方法中，高频信号注入法是实现低速获取转子位置信息的有效方法，因此，本文对基于高频信号注入法检测转子位置进行了研究。
　　本文首先介绍了永磁同步电机的转子结构，建立了内置式永磁同步电机的数学模型，在此基础上对永磁同步电机矢量控制的原理进行了详细的介绍。结合被控对象的特点，详细论述了最大转矩/电流控制和id=0控制策略，并介绍了内置式永磁同步电机无位置传感器控制方法。
　　其次，分别阐述了高频方波电压注入法和高频脉动正弦电压注入法转子位置辨识原理，重点讨论了高频电流响应的解调和采用转子位置观测器估计转子的位置。这两种高频信号注入法虽然信号解调简单，但其收敛速度慢，在起动阶段有发散的风险。因此，本文详细介绍了改进的高频脉动正弦电压注入法，其信号注入到两相静止坐标系的α轴，在起动阶段收敛速度快，但其估计精度与信号解调过程中滤波器的带宽有关，采用固定带宽滤波器的静止坐标系高频脉动正弦电压注入法不能在保证估计精度的前提下兼顾宽的调速范围。本文提出了一种采用免疫高频脉动正弦电压注入的永磁同步电机转子位置估计方法，利用免疫算法的自适应性，根据电机的运行状态在线调节滤波器的带宽，使静止坐标系高频脉动正弦电压注入法在保证估计精度的前提下具有宽的调速范围。
　　最后，在理论分析的基础上，运用Matlab/Simulink对基于免疫高频信号注入法内置式永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统进行了仿真验证分析；并搭建了以TI公司DSP芯片TMS320F28335为核心控制器的实验平台实现转速闭环实验，对基于免疫高频信号注入法内置式永磁同步电机转子位置辨识方法进行了实验验证。仿真和实验结果表明，本文设计的免疫高频电压注入法不仅在低速具有优异的性能，而且在中速时保证高频信号注入法辨识转速和转子位置的精度前提下，也具有良好的稳态和动态性能，扩宽了高频电压注入法的调速范围。

目录

声明

主要符号表

1 绪论

1.1 变频调速技术发展概况

1.2 永磁同步电机无位置传感器转子位置估算策略研究进展

1.3 本课题研究出发点

1.4 主要研究内容与安排

2 永磁同步电机数学模型及矢量控制原理

2.1 永磁同步电机的转子结构

2.2 永磁同步电机数学模型

2.3 基于转子磁场定向的矢量控制基本原理

2.4 永磁同步电机无位置传感器矢量控制

2.5 本章小结

3 基于高频电压注入法的永磁同步电机转子位置估计方法

3.1 高频激励下永磁同步电机的数学模型

3.2 高频脉动正弦电压注入的转子位置辨识方法

3.3 高频方波电压注入的永磁同步电机转子位置辨识方法

3.4 静止坐标系高频脉动正弦电压注入转子位置辨识方法

3.5 本章小结

4 基于免疫高频注入法的永磁同步电机转子位置估计方法

4.1 免疫系统

4.2 免疫高频脉动正弦电压注入法的永磁同步电机转子位置辨识方法

4.3 本章小结

5 基于免疫高频注入法的永磁同步电机转子位置估计仿真验证

5.1 仿真模型

5.2 基于免疫高频注入法的无位置传感器系统正确性仿真验证

5.3 基于免疫高频注入法的无位置传感器系统有效性仿真验证

5.4 本章小结

6 基于免疫高频注入法的永磁同步电机转子位置估计实验验证

6.1 实验平台

6.2 基于免疫高频注入法的无位置传感器系统正确性实验验证

6.3 基于免疫高频注入法的无位置传感器系统有效性实验验证

6.4 本章小结

7 结论

7.1 论文工作总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

硕士学习期间取得的成果