基于高频注入观测器的永磁同步电机无速度传感器控制

发布时间：2020-11-05 11:46

　　永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因其成本低、效率高以及运行特性好的优点,在高性能驱动系统中得到了广泛应用。为了使得PMSM得到更高效的性能效果,矢量控制方法得到了大量使用。使用矢量控制需要得到转子位置信息,一般的做法是安装速度传感器或机械位置传感器,导致系统成本增加,可靠性降低,因此无传感器控制技术受到了关注与研究。无传感器控制方法有很多,但在低速运行时对转子位置进行估测,特别是在零速附近时,大多数方法无法做出准确估测。针对这一问题,本文以内置式永磁同步电机为载体,对电机处于低速运行时的无传感器控制问题进行研究,给出了基于旋转高频电压注入法的转子位置检测方法,采用内模控制对系统进行优化。首先,本文叙述了课题的研究背景及意义,介绍了永磁同步电机的发展与控制方法以及无传感器控制技术的发展现状,对各类无传感器控制技术进行介绍。然后,在坐标变换的理论下,建立了在不同坐标系下PMSM的数学模型。针对不同控制方式的特点,分析矢量控制的基本原理,对采用的矢量控制方式进行合理选择。其次,介绍了内模控制的基本原理及实现方法,根据其理论以及优点设计出电流环控制器,搭建基于内模控制的PMSM矢量控制仿真模型,并进行仿真研究。仿真结果验证了理论的可行性。最后,详尽分析如何提取高频响应中转子位置信息,以及对转子位置进行估计,并以此为依据设计滤波器与观测器。结合内模控制搭建基于旋转高频电压注入法的PMSM无传感器控制系统的仿真模型。仿真结果表明了控制系统的可行性。
【学位单位】：湖南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM341;TP212.9
【部分图文】：

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（a）常规 PI 控制的转速曲线（b）内模控制的转速曲线图 3-4 调速系统带载转速曲线从图 3-4（a）能够看出，系统的快速性还是比较好的，在电机启动的瞬间，系统的转速上升的十分迅捷，大约在 0.02s 达到了峰值 1180r/min 左右，但是在给定转速是 1000r/min 的前提下，电机的超调量比较大，接近 20%，所以系统的超调还有待降低。系统大约在 0.07s 左右达到稳定运行状态。当系统在 0.5s 突加负载时，转速曲线出现下降，且下降的幅值较大，大约有 20r/min 左右。但是系统能够自动调整恢复，大约经过 0.07s 系统就完成了自我调整。在系统整个启动到稳定运行再到加载最后重新稳定运行的过程中，转速曲线一直比较平滑，效果较好。从图 3-4（b）能够看出，结合内模控制的系统，系统的快速性也很好。在电机启动的瞬间，系统就开始反应，迅速上升到给定的 1000r/min，由图可知，系统的超调量很小，近乎于 0。在 0.03s 左右就实现了稳定运行，这也就说明了这种控制系统的控制效果是能达到设计预期的。当系统在 0.4s 突加负载时，系统也发生了抖动，但是抖动的幅度很小，转速曲线下降了 18r/min 左右。并且很快

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通过上述系统设计与第三章内模控制器的设计，在 MATLAB/Simulink 环境下搭建结合内模控制的旋转高频电压注入 PMSM 无传感器控制系统仿真原理图如图4-7所示，并且搭建电流环是传统 PI 控制器的旋转高频电压注入下的 PMSM无传感器控制系统仿真原理图如图 4-6 所示，进行仿真分析与比较。给定转速100r/min，直流侧电压 311V,注入信号幅值为 20V，开关频率是 5KHz。电机设定参数见表 4-1。表 4-1 PMSM 仿真参数参数数值磁链f /Wb 0.66定子电感dL 、qL /mH 5.5、17定子电阻 R / 0.33转动惯量 J /2kg m0.008阻尼系数 B / N m s0.008极数 p 6图 4-8 是采用传统 PI 控制器的高频信号注入下 PMSM 无传感器控制的响应曲线，图 4-9 是结合内模控制的高频信号注入下 PMSM 无传感器控制的响应曲线。在图 4-8 中给出系统的转速实际值的响应曲线、转速估计值的响应曲线、转子位置实际值响应曲线、转子位置估计值响应曲线，以及转速与转子两者各自实

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