永磁电机宽调速范围内无速度传感器矢量控制的研究

论文摘要

本文首先介绍永磁同步电机数学模型及其矢量控制原理，采用MTPA控制和弱磁控制相结合的内嵌式PMSM矢量控制运行方案，并给出了系统在恒转矩区域和恒功率区域平滑切换的判据，在PMSM矢量控制系统不同运行区域平滑切换的同时实现了该系统的宽调速范围运行。为了解决基于磁链观测的无位置传感器控制技术中存在的不足，针对面装式PMSM设计了改进的磁链观测器，研究了电机参数对位置信号估计精度的影响，并对转子磁链观测进行了稳态补偿，使得理论上稳态时的转子位置误差对电机参数的变化不敏感，再采用锁相环（PLL）估计电机转速，克服对位置的直接微分获取转速时对系统产生的高频噪声和干扰。接着，为了实现PMSM系统低速运行时的无位置传感器控制，选择内嵌式PMSM作为研究对象，对其γ轴注入高频脉冲电压以获得位置和转速信号。在上述研究的基础上，搭建了无位置传感器控制的PMSM矢量控制系统SIMULINK模型，系统仿真结果证实了基于高频注入法与改进磁链观测法相结合实现PMSM矢量控制系统宽调速范围内无位置传感器控制方案的可行性。为了实现PMSM系统的安全可靠运行，基于最大似然估计法，研究了位置传感器故障下的PMSM矢量控制系统的容错控制。为了克服在不同方案间转速切换时产生的信号跃变，建议了一种不同转速区域内平滑过渡切换算法，并将此算法引入至基于最大似然估计算法的PMSM系统位置传感器故障的容错方案中，系统仿真结果表明：在位置传感器故障时，基于高频注入法获得的低速位置和转速信号、磁链观测法获得的中高速位置和转速信号、编码器获得的电机实际位置和转速信号的最大似然估计，可以实现PMSM矢量控制系统的容错运行。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 无速度传感器控制
• 1.2.1 无速度传感器控制简介
• 1.2.2 不同转速区域的无速度传感器控制方法
• 1.3 容错控制现状、发展趋势及实现方法
• 1.3.1 容错控制现状
• 1.3.2 容错控制分类与发展趋势
• 1.4 本文的主要研究工作和内容
• 第二章 PMSM 矢量控制系统的宽调速运行控制
• 2.1 永磁同步电动机结构和分类
• 2.2 永磁同步电动机的矢量控制
• 2.3 dq 坐标系下 PMSM 数学模型
• 2.4 内嵌式 PMSM 矢量控制系统的宽调速控制
• 2.5 本章小结
• 第三章 PMSM 矢量控制系统的无位置传感器控制
• 3.1 基于改进磁链观测法的 PMSM 系统中高速无位置传感器控制
• 3.1.1 磁链观测法
• 3.1.2 改进的磁链观测法
• 3.1.2.1 改进的磁链观测器
• 3.1.2.2 电机参数对 PMSM 位置估计的影响
• 3.1.2.3 PLL 速度估计
• 3.1.3 PMSM 系统建模与仿真
• 3.2 基于高频信号注入法的 PMSM 系统低速无位置传感器控制
• 3.2.1 高频信号注入法简介
• 3.2.2 γδ坐标系下 PMSM 数学模型
• 3.2.3 高频信号注入法
• 3.2.3.1 高频信号的注入
• 3.2.3.2 电流增量的计算
• 3.2.3.3 转子位置误差信号的计算
• 3.2.3.4 注入电压幅值对结果精度的影响
• 3.2.3.5 转子位置与转速信号获取
• 3.2.4 无位置传感器 IPMSM 矢量控制系统建模与仿真
• 3.3 本章小结
• 第四章 位置传感器故障时的 PMSM 系统容错控制
• 4.1 容错控制简介
• 4.2 最大似然估计法实现无位置传感器容错控制
• 4.2.1 最大似然估计法概述
• 4.2.2 常用容错控制方法
• 4.2.3 最大似然算法
• 4.2.4 改进的最大似然算法
• 4.2.5 位置传感器故障时的 PMSM 系统容错控制器设计与仿真验证
• 4.3 高低速位置估计算法的平滑切换
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文