电动汽车用永磁同步电机无传感器矢量控制系统的研究

论文摘要

目前由于受环境污染和能源危机的影响,电动汽车逐渐成为下一代首选的交通工具。永磁同步电机由于具有效率高,结构简单,功率密度高等优点,已逐渐成为电动汽车驱动领域的研究热点。在电机的驱动系统中,想要获取转子的速度和位置信息,需要在转子轴上安装编码器或是旋转变压器,然而安装机械式的传感器不仅会增加系统的成本,而且还有可能降低系统的可靠性能。因此,对永磁同步电机的无传感器控制研究对一些在高性能控制领域或者在某些特殊的应用场合将有重要的意义。目前永磁电机的无传感器控制方法主要分为两类,一类是基于电机基波电压方程的方法,它对电机的参数比较敏感,适用于电机在中高速转子的位置检测;另一类是适用于电机在低速运行时转子的位置检测方法,主要是高频信号注入法。本文着重解决在低速时永磁电机的转子位置检测问题。本文以内置式的永磁同步电机为研究对象。本文在开始首先介绍了永磁同步电机的数学模型,接着对永磁同步电机的基于SVPWM矢量控制进行了分析及仿真,然后着重对注入高频信号来检测转子位置信息的方法进行了详细介绍。通过在两相静止的坐标系中注入高频的电压信号,利用电机的凸极效应,即可以在高频的电流响应中得出转子的位置信息。随后对转子位置信息提取的关键技术进行了详细介绍,即延时电路,同步轴系高通滤波器及基于外差算法的锁相环电路等。在基于MATLAB/SIMULINK的平台上对系统的动静态特性进行了仿真,仿真结果表明这种方法可以很好实现对转子位置的检测。在最后本文还讨论了功率变换器件的非线性尤其是死区时间,对转子位置估计的影响,并提出了相应的补偿措施,通过仿真可以看出经过死区补偿后,电流畸变波形明显变好。最后以DSP为核心设计了永磁同步电机的无传感器控制系统。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.1.1 引言
• 1.1.2 永磁同步电机的现状及发展趋势
• 1.2 永磁同步电机的无传感器控制技术
• 1.2.1 直接计算法
• 1.2.2 磁链位置估算法
• 1.2.3 基于相电感变化的估算法
• 1.2.4 模型参考自适应法
• 1.2.5 基于观测器的估算方法
• 1.2.6 基于人工智能的估算方法
• 1.2.7 适用于零速或低速的方法：高频信号注入法
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 第二章 永磁同步电机运行特点分析
• 2.1 永磁同步电机的结构
• 2.2 永磁同步电机的数学模型
• 2.3 提高永磁同步电机运行性能的技术措施
• 2.3.1 提高永磁电机起动转矩的措施
• 2.3.2 提高永磁电机功率因数的措施
• 2.3.3 提高永磁电机的效率，扩大电机运行范围的措施
• 第三章 永磁同步电机的矢量控制及仿真
• 3.1 矢量控制的基本原理
• 3.1.1 坐标变换
• 3.2 永磁同步电机的矢量控制方法
• 3.2.1 id =0 控制
• 3.2.2 最大转矩/电流控制
• 3.2.3 cosφ =1 控制
• 3.3 永磁同步电机的矢量控制
• 3.3.1 空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）
• 3.4 永磁同步电机的矢量控制系统
• 第四章 基于高频信号注入的永磁同步电机控制研究
• 4.1 高频信号注入法
• 4.1.1 高频信号注入的电机数学模型
• 4.1.2 基于凸极跟踪的转子位置检测方法
• 4.1.3 磁极极性的判别
• 4.2 高频电压注入法的仿真研究
• 4.3 影响高频注入法转子估计精度的因素
• 第五章 永磁同步电机无传感器控制系统的设计
• 5.1 控制系统硬件电路的设计
• 5.1.1 驱动电路的设计
• 5.1.2 定子电流检测
• 5.1.3 定子电压检测
• 5.1.4 保护电路
• 5.2 控制系统软件的程序设计
• 5.2.1 主程序
• 5.2.2 中断服务子程序
• 5.2.3 转子位置初始值的检测
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 硕士期间发表的学术论文
• 致谢