基于高频信号注入的PMSM无速度传感器控制策略研究

摘要

近年来，永磁同步电机由于其高的功率密度、高效率以及控制简单等优点，在传动领域得到了广泛的应用。为了实现永磁同步电机的矢量控制和直接转矩控制，需要获得精确的转子位置以用于控制速度和转矩。通常是使用机械速度(位置)传感器如编码器和解算器，这样就增加了系统的成本和复杂程度，同时也使得系统的可靠性和抗干扰能力大大降低。这样实现PMsM的无传感器控制就可以省掉反馈线路，并且使得系统更加可靠，造价更低。
　　 目前，大量永磁同步电机无速度传感器控制方案被提了出来。其中一大类根据的是电机的基频电压方程，由于转子磁链被认为是正弦分布的，电机的反电动势被用来作转子位置的分析，如开环的直接计算法、反电动势积分法等等；或者是闭环的模型参考自适应法、D状态观测器、扩展卡尔曼滤波器、滑模观测器等等。本文详细研究了永磁同步电机高频信号注入法无速度传感器控制方法。
　　 首先，本文介绍了高频旋转电压注入法，该法是利用永磁同步电机的凸极效应，在静止坐标系上注入高频旋转电压，利用滤波器对高频响应电流进行信号处理，最终分析得到转子位置信息。这种方法的常规滤波方式中使用的是带通滤波器和带阻滤波器，这样会带来较大的相移和幅度衰减等问题，本文改进了滤波环节，基于高通滤波器可以完全滤除直流量的特点，全部用同步轴系滤波环节代替带通滤波器和带阻滤波器。其次，本文详细介绍了用于转子位置跟踪的龙伯格观测器。根据电机的磁饱和效应，介绍了一种判定转子永磁体N/S极极性的方法，解决了常规高频注入法所存在的估算结果可能反向的问题。最后，介绍了脉振高频电压注入法，这种方法使用的滤波器较少，结构更加简单静、动态调速性能都较好。
　　 本文对所提方法进行了仿真验证，结果表明该方法能够准确估算出转子的初始位置，在电机低速和高速条件下运行时均能够有效观测出正确的转子位置和速度信息。

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致谢

第一章 绪论

1.1论文的研究背景

1.2国内外研究现状及分析

1.3本文研究的主要问题

第二章永磁同步电机无传感器控制技术概述

2.1永磁同步电机结构和数学模型

2.1.1 永磁电机的结构

2.1.2永磁电机的数学模型

2.2适用于中高速运行的无传感器控制方法

2.2.1 基于扩展反电动势的开环估计方法

2.2.2模型参考自适应法

2.2.3假定旋转坐标系法

2.2.4基于D状态观测器的方法

2.2.5小结

第三章 旋转高频电压注入法的分析

3.1旋转高频电压注入法原理

3.2滤波处理环节

3.2.1同步轴系滤波

3.2.2外差处理

3.3零滞后位置跟踪观测器

3.3.1问题的提出

3.3.2位置跟踪观测器

3.4转子极性的判别

3.4.1凸极式永磁同步电机饱和磁链模型

3.4.2极性判别项的提取

3.5旋转高频电压注入法仿真

3.5.1转子极性判别的仿真研究

3.5.2转子角度和速度估计

3.6小结

第四章 脉振高频电压注入法

4.1脉振高频电压注入法原理

4.2转子极性判别

4.3脉振高频电压注入法仿真

4.4与旋转高频电压注入法的比较

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文