基于高频注入的永磁同步电机无传感器矢量控制系统研究

摘要

永磁同步电动机以其效率高、功率密度高和运行性能好等优点，在各种高性能驱动系统中得到了广泛应用。为了满足永磁同步电动机高性能的控制要求，多采用矢量控制方法，这就需要精确的转子磁极位置来实现磁场定向。传统的方法都是通过各种传感器来获取转子磁极位置。然而，传感器不但会增加系统的成本，降低系统的可靠性，还会限制永磁同步电动机在某些场合的应用。本文在对已有的无传感器控制技术分类对比的基础上，选取旋转高频电压信号注入法来实现永磁同步电动机的无传感器矢量控制。
　　 本文首先分析了永磁同步电动机的结构和数学模型，在此基础上对永磁同步电动机矢量控制的原理进行了详细介绍。结合本文控制对象的特点，对比分析了id=0和最大转矩/电流控制这两种电流控制策略。
　　 其次，阐述了采用高频电压信号注入法来估计转子磁极位置的原理。重点讨论了高频载波电流信号的解调、采用PLL技术实现对转子磁极位置的估计、通过饱和效应来判断转子磁极极性以及多重凸极对转子磁极位置估计的影响。
　　 第三，对永磁同步电动机无传感器矢量控制系统进行设计，采用分段曲线拟合的方法来近似实现最大转矩/电流控制策略。分析了传统PI调节器存在的缺点，结合模糊控制，设计了模糊自适应PI调节器来替代传统的PI速度调节器以优化系统控制性能。
　　 最后，利用MATLAB/Simulink软件建立永磁同步电动机无传感器矢量控制系统的仿真模型，进行仿真实验，仿真结果表明高频电压信号注入法在中低速时能准确估计转子的位置，尤其在低速时估计效果更好；同时，与传统的PI控制相比，所设计的模糊自适应PI速度调节器使系统具有更好的抗扰动能力；整个控制系统具有良好的静态和动态性能。