高频注入法永磁同步电机转子位置检测方法研究

论文摘要

在永磁同步电机控制系统中,由于机械式传感器的安装带来了系统成本增加、体积大、可靠性降低、易受工作环境影响等缺陷,近年来各国学者开始致力于无位置传感器控制系统的研究。在众多无位置传感器控制技术当中,高频信号注入法以其突出的优点而成为当前的研究热点,因此本文对基于高频电压注入法检测转子位置进行了研究。首先,本文阐述了旋转高频电压信号注入法和脉动高频电压信号注入法实现转子位置检测的原理,对相关的高频电流响应公式进行了进一步必要的推导与整理。高频电压信号注入法适用于具有一定凸极率的电机。这种方法是一种在基波激励上叠加一个三相平衡的高频电压或在估计转子直轴上叠加一个正弦(余弦)高频电压激励信号,然后检测对应的高频电流响应并通过特定的信号处理获取转子位置信息的新颖的无位置传感器技术。其次,应用MATLAB分别构建了基于旋转、脉动高频电压信号注入法的永磁同步电机矢量控制系统并进行了静动态跟踪性能分析。首先,对永磁同步电机定子电压方程中的交叉耦合项进行了前馈补偿；采用左半平面零极点相消的方法设计了电流及转速PI调节器的参数；采用反演算法对转速PI调节器进行了退饱和设计。其次,对位置跟踪观测器的参数进行了设计。在基于旋转高频电压注入法的矢量控制系统中,转子位置估计值直接与实测值进行外差计算得到转子位置误差信息作为位置跟踪观测器的输入信号,位置跟踪观测器的参数设计相对较简单,应用零极点配置的方法对旋转高频电压注入法下的位置跟踪观测器的参数进行了设计及调试。仿真结果表明,基于旋转、脉动高频电压信号注入法的永磁同步电机矢量控制系统能够实现转子位置检测,具有较高的静动态跟踪精度。最后,探讨了旋转、脉动高频电压信号注入法下定子电阻对转子位置估算影响的问题。从构建高频激励下永磁同步电机数学模型的动态方程入手,得到稳态时的高频电流响应表达式,经过详细的公式推导及理论分析,得到的结论是：旋转高频电压注入时定子电阻对转子位置估算有影响；而脉动高频电压注入时定子电阻对转子位置估算的影响取决于信号提取方式,当仅用高频正序或高频负序对高频电流进行提取时会产生转子位置估算误差,而同时进行高频正、负序提取时则不会产生转子位置估算误差。针对旋转高频电压注入法定子电阻引起的转子位置估算误差,给出了位置估算误差的补偿公式,指出旋转高频电压注入时忽略定子电阻是产生转子位置估算误差的又一来源。针对脉动高频电压注入法从两个不同的角度进行了理论分析,讨论了在不同的信号提取方法下所得到的转子位置误差信号形式,清楚地揭示了脉动高频电压注入时定子电阻对转子位置估算产生影响的内在机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 无位置传感器控制技术发展现状
• 1.1.1 基于电机基波模型的位置检测方法
• 1.1.2 基于电机凸极效应的检测方法
• 1.2 本课题的研究意义和内容
• 第2章 高频电压注入法转子位置检测原理
• 2.1 永磁同步电机数学模型
• 2.1.1 永磁同步电机基波数学模型
• 2.1.2 永磁同步电机高频激励数学模型
• 2.2 高频电压信号注入法转子位置检测原理
• 2.2.1 旋转高频电压信号注入法实现转子位置检测的原理
• 2.2.2 脉动高频电压信号注入法实现转子位置检测的原理
• 2.3 高频电压信号注入法磁极极性识别
• 2.3.1 旋转高频电压注入法转子磁极极性识别
• 2.3.2 脉动高频电压注入法转子磁极极性识别
• 第3章 高频注入法PMSM转子位置检测仿真研究与性能分析
• 3.1 高频电压注入法PMSM转子位置检测矢量控制系统
• 3.1.1 转速及电流调节器的设计原理
• 3.1.2 位置跟踪观测器的设计原理
• 3.2 基于高频电压注入法转子位置检测仿真研究
• 3.2.1 基于旋转高频电压注入法矢量控制系统仿真模型
• 3.2.2 旋转高频电压注入法仿真结果及分析
• 3.2.3 基于脉动高频电压注入法矢量控制系统仿真模型
• 3.2.4 脉动高频电压注入法仿真结果及分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 高频电压注入法定子电阻对转子位置估算影响分析
• 4.1 定子电阻对转子位置估计影响的理论分析
• 4.1.1 旋转高频电压注入法定子电阻对转子位置估计影响的理论分析
• 4.1.2 脉动高频电压注入法定子电阻对转子位置估计影响的理论分析
• 4.2 仿真研究
• 4.2.1 旋转高频电压注入时定子电阻对转子位置估计影响的仿真研究
• 4.2.2 脉动高频电压注入时定子电阻对转子位置估计影响的仿真研究
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表