永磁同步电机低速下无传感器无磁链闭环DTC控制研究

摘要

直接转矩控制技术是继空间矢量脉宽调制技术后兴起的电机控制技术，该控制技术首先应用于异步电机中，而后转向了永磁同步电机。由于同步电机体积小，效率高的优点，加上直接转矩控制系统结构简单，以电机的转矩作为控制目标，响应速度快，因此永磁同步电机直接转矩控制技术得到了迅速的发展。但是由于其系统使用机械传感器观测电机位置和转速信息，使用滞环比较器来得到逆变器的控制信号且采用六分区控制方式，电压空间矢量数量有限，造成电机的转矩脉动明显，特别是在电机低速运行的情况下。
　　针对永磁同步电机直接转矩控制低速下的转矩脉动问题，本文设计了一种无传感器无磁链闭环的新型直接转矩控制技术，旨在降低电机转矩脉动的同时简化系统的结构。本文的主要研究内容如下：
　　（1）针对机械传感器在低速下对电机位置不敏感的问题，本文设计了一种适用于永磁同步电机直接转矩控制的扩展卡尔曼滤波器取代传统机械传感器对电机位置转速进行观测；
　　（2）为了提高系统对转速的响应速度，本文在系统速度外环使用模糊PI控制器取代传统增量式PI控制器对转矩误差进行比例积分，由于模糊PI控制参数可变，动态性能优于增量式PI控制器；
　　（3）针对逆变器生成的空间电压矢量不足造成的电机转速和转矩脉动问题，本文设计了一种十二分区空间矢量控制方式，在不增加系统硬件的前提下使空间矢量的数量提高一倍，大大增加了可选择的空间矢量的数量；
　　（4）在不影响系统对转矩性能要求的前提下，本文提出了一种十二分区无磁链闭环直接转矩控制系统，此系统相比于传统转矩和磁链双闭环结构来说得到了简化，更加专注于电机对转矩的控制，并且降低了磁链观测精度对系统控制的影响，提高了系统的鲁棒性；
　　（5）最后，为了进一步的降低电机转矩脉动问题，本文设计了一种电压跟踪滤波器，目的是为了使注入电机的相电压趋于正弦，在空间上形成圆形旋转磁场，带动转子永磁体平稳运行。
　　实验结果表明，本文设计的扩展卡尔曼滤波器可以很好的跟踪电机的转速和位置信息；采用的速度环模糊PI控制器大大提高了系统的速度响应；设计的十二分区空间电压矢量控制方法降低了低速下系统的转速和转矩的脉动；设计的无磁链闭环控制系统在不影响系统转矩响应的情况下简化了系统的结构，并且将十二分区控制方法应用到了无磁链闭环控制系统，降低了单闭环下转矩的脉动；设计的电压跟踪滤波补偿器使注入电机的相电压由方波变为了正弦波，达到了预期的目的，降低了电机的电流和转矩的脉动。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景意义

1.2 永磁同步电机研究现状

1.3论文主要内容

第二章 永磁同步电机数学模型及控制策略

2.1永磁同步电机的数学模型

2.2 永磁同步电机的直接转矩控制

本章小结：

第三章 PMSM-DTC无传感器控制系统设计

引言

3.1 扩展卡尔曼滤波器工作原理

3.2 PMSM-DTC无传感器方法设计及实验验证

3.3 PMSM-DTC EKF实验结果及分析

本章小结：

第四章 PMSM-DTC无磁链闭环控制系统设计

引言

4.1 PMSM-DTC低速特性分析

4.2永磁同步电机十二分区控制方法

4.3 PMSM-DTC无磁链闭环控制系统设计

4.4 PMSM-DTC十二分区无磁链闭环方法设计及实验验证

本章小结：

第五章 PMSM 转矩脉动抑制方法研究

引言

5.1 电压跟踪滤波器设计

5.2 PMSM-DTC转矩脉动抑制方法设计及仿真验证

本章小结：

第六章 总结与展望

6.1 本文主要工作总结

6.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果