永磁同步电机无位置传感器矢量控制技术的研究

论文摘要

随着全球能源危机的到来,人们对节能产品的开发和应用越来越关注。在当今生产、生活中空调被广泛使用,然而传统的定速空调由于耗电量多、开启电流大、运行效率低等缺点,造成了电能大量的浪费。因此,对于节能、电压适应范围宽、噪音低、舒适性强的变频空调的研究,具有重要的经济和社会价值。由于目前变频空调的控制技术发展还不够成熟,存在着调速系统成本较高、控制算法相对复杂、功率因数低的缺点,制约了变频空调的广泛应用。为此,本文从降低调速系统成本、简化控制算法方面考虑提出了一种适用于变频空调的永磁同步电机滑模无位置矢量控制调速系统,并对系统的控制理论及设计方案作以深入的分析研究。首先在对五种永磁同步电机电流控制策略思想及优缺点、适用场合进行分析的基础上,确定适合本控制系统的矢量控制方案。其次,对三种电流采样方法进行分析,确定采用成本低、易于实现的桥臂电流采样方法获取定子电流信息。在对各种无传感器永磁同步电机转子位置估算方法深入研究的基础上,针对变频空调无法使用机械传感器的问题,提出采用鲁棒性强、算法简单、易于工程实现的滑模观测器方法检测电机转子位置。结合滑模变结构原理及永磁同步电机数学模型,对滑模观测器进行设计。针对滑模检测转子位置方法中存在的抖振现象、估算转子位置角滞后问题,分别提出了饱和函数作为控制函数抑制抖振法和分段线性的相位补偿的解决方法。最后,在对滑模观测器永磁同步电机无位置矢量控制理论分析的基础上,以Infineon公司16位高性能MCU XC164CM为核心设计系统硬件电路和软件算法并对滑模观测器检测转子位置技术进行实验验证,得到的实验结果与理论相符,证明系统设计正确、可行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 永磁同步电机无传感器控制技术概述
• 1.3 空调的分类及变频空调优缺点
• 1.4 论文研究的主要内容及安排
• 第2章 永磁同步电机模型及滑模观测器的建立
• 2.1 引言
• 2.1.1 永磁同步电机数学模型
• 2.1.2 永磁同步电机矢量控制策略
• 2.2 滑模观测器建立
• 2.2.1 滑模变结构原理
• 2.2.2 滑模控制的优缺点
• 2.2.3 滑模电流观测器建立及改进
• 2.2.4 反电势观测器建立及改进
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于滑模观测器的永磁同步电机转子位置检测技术的研究
• 3.1 引言
• 3.2 三种相电流检测方法原理分析
• 3.2.1 相电流直接采样
• 3.2.2 母线电流采样
• 3.2.3 桥臂电流采样
• 3.2.4 三种采样方法的对比分析
• 3.3 基于滑模观测器的转子位置检测
• 3.3.1 电机启动后转子位置估算
• 3.3.2 初始位置检测与启动问题
• 3.4 转子估算角度的相位补偿
• 3.5 本章小结
• 第4章 永磁同步电机滑模无位置矢量控制系统设计及实现
• 4.1 引言
• 4.2 系统硬件设计
• 4.2.1 系统硬件平台总体结构
• 4.2.2 硬件保护电路的设计
• 4.2.3 系统核心微处理器简介
• 4.3 系统软件设计
• 4.3.1 系统软件结构
• 4.3.2 滑模观测器的数字化实现
• 4.3.3 相位补偿算法设计
• 4.3.4 软件设计流程
• 4.4 实验结果及分析
• 4.4.1 在表贴式永磁同步电机上实验验证
• 4.4.2 在变频空调压缩机上的控制实现
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 附录
• 致谢