变频空调的PMSM无位置传感器调速系统的研究

论文摘要

近年来,基于感应电机的变频空调已成为主流产品,其节能水平和性能有了一定的提高,但仍存在着功率因数低,起动电流大等缺陷。而采用永磁同步电机的变频空调不仅效率和功率因数较高,而且无需励磁,节能效果更佳。因此成为新一代变频空调研究的热点。但在永磁同步电机的矢量控制中,需要较精确的转子位置信息,而空调压缩机内高温高压的恶劣环境决定了永磁同步电机的控制中不能采用传统的机械传感器。因此寻找一种既简单又可靠的无位置传感器的控制方法就显得尤为重要。本文主要是对空调压缩机内的永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统进行了研究。详细推导出基于反电动势估计的滑模观测器和全阶状态观测器这两种磁极位置估算技术,并对这两种观测器在应用时存在的弊端进行了深入研究。首先对传统滑模观测器进行了改进和扩展,采用了变滑模增益、Sigmoid切换函数以及反电动势自适应滤波等手段,有效的抑制了滑模观测器中的高频“抖振”,同时还在滑模观测器中引入了定子电阻的在线辨识,进一步提高了转子位置的估算精度及系统鲁棒性。另外在全阶状态观测器构造时,摒弃了电机机械转矩方程的使用,从而避免了如转动惯量等不确定参数的影响。其次运用锁相环技术在观测器估算出反电动势之后,进行磁极位置的计算,从而消除了计算噪声。同时采用PDFF速度调节器抑制了因空调压缩机负载周期性变化而引起的转速波动。另外为解决基于反电动势估算的永磁同步电机无传感器控制时自起动难的问题,采用了预定位开环起动策略。最后对永磁同步电机无传感的矢量控制系统进行了动静态性能及鲁棒性的仿真分析。并在此基础上完成了以DSP为核心的适用于空调压缩机的永磁同步电机驱动控制器的硬件电路设计和软件程序的编写。同时在搭建的实验平台上进行了改进型扩展滑模观测器磁极位置估算技术的实验验证,并对空调压缩机负载下的永磁同步电机无传感器控制系统的性能进行了实验分析。

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 PMSM 控制策略及相关技术的综述
• 1.3 PMSM 无位置传感器控制系统的发展现状
• 1.3.1 PMSM 无位置传感器检测方法
• 1.3.2 PMSM 无位置传感器控制中的难点问题
• 1.4 本文主要研究内容及安排
• 第2章 PMSM 矢量控制及磁极位置估算技术的分析
• 2.1 引言
• 2.2 PMSM 的数学模型及矢量控制策略
• 2.2.1 PMSM 的数学模型
• 2.2.2 PMSM 磁场定向矢量控制策略
• 2.3 基于传统滑模观测器的转子角度估计算法
• 2.3.1 滑模变结构的特点
• 2.3.2 传统滑模观测器的设计
• 2.3.3 开关函数的选择及抖振抑制
• 2.4 基于假设旋转坐标系的全阶状态观测器转子角度估计算法
• 2.4.1 假定旋转坐标系下的PMSM 数学模型
• 2.4.2 全阶状态观测器设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 PMSM 无位置传感器矢量控制系统的设计
• 3.1 引言
• 3.2 改进型扩展滑模观测器的设计
• 3.2.1 定子电阻在线辨识的滑模观测器设计
• 3.2.2 截止频率可变的低通数字滤波器设计
• 3.2.3 自适应扩展滑模观测器的设计
• 3.3 磁极转角计算及起动策略
• 3.3.1 基于锁相环的磁极转角计算
• 3.3.2 无转子位置传感器PMSM 起动策略
• 3.4 速度前馈控制
• 3.5 本章小结
• 第4章 PMSM 无位置传感器矢量控制系统仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 基于观测器的PMSM 无位置传感器矢量控制的仿真研究
• 4.2.1 全阶状态观测器PMSM 无传感器控制系统仿真分析
• 4.2.2 改进型扩展滑模观测器PMSM 无传感器控制系统仿真分析
• 4.3 改进型扩展滑模观测器的鲁棒性分析
• 4.3.1 定子电阻变化对改进型扩展滑模观测器的影响
• 4.3.2 定子电感变化对改进型扩展滑模观测器的影响
• 4.3.3 负载扰动对改进型扩展滑模观测器的影响
• 4.4 改进型扩展滑模观测器与全阶状态观测器的性能比较
• 4.5 本章小结
• 第5章 空调压缩机无位置传感器控制系统的实现
• 5.1 引言
• 5.2 PMSM 驱动控制系统的硬件电路设计
• 5.2.1 主控及驱动电路设计
• 5.2.2 保护及电源电路设计
• 5.2.3 电流采样策略及其硬件电路设计
• 5.3 PMSM 无位置传感器控制系统软件设计
• 5.3.1 主程序结构设计
• 5.3.2 中断程序结构设计
• 5.4 DSP 与上位机间的通讯设计
• 5.5 实验结果分析
• 5.5.1 转速实验分析
• 5.5.2 电流及反电动势实验分析
• 5.5.3 转子角度实验分析
• 5.5.4 SVPWM 实验分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢