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无传感器内嵌式永磁同步电机转子磁极位置检测技术研究

刘家曦  
【摘要】:无传感器内嵌式永磁同步电动机(IPMSM)系统具有低成本、高可靠性等优点,在家用电器、高速电机、航空航天等领域得到了广泛的应用。但是由于无传感技术在实现方法上的限制,很难保证IPMSM在宽调速范围内稳定运行。因此,研究适用于宽调速范围的IPMSM转子磁极位置检测技术,并提高位置预估精度,对IPMSM无传感技术的发展具有重要的理论意义和实用价值。论文以IPMSM为研究对象,对电机初始位置检测、低速以及高速范围内的转子磁极位置检测技术、不同转子磁极位置检测技术的复合检测方法等问题进行了深入地分析与研究。 论文首先在深入分析了传统IPMSM数学模型的基础上,建立了含有交叉耦合的IPMSM数学模型。采用有限元的方法分析交直轴增量自感和互感随交直轴电流和转子位置变化的关系,确定了电感参数的变化范围。并根据电感变化规律给出了IPMSM在恒转矩区域最大转矩/电流控制下的定子电流轨迹以及弱磁区域的转速范围。 其次,对采用旋转高频电压注入法预估转子位置的原理加以分析。建立考虑IPMSM磁场交叉耦合的高频电流响应数学模型,通过对定子电流信号解调,提取高频负序电流分量,并采用锁相环(PLL)的方法预估转子位置和速度。根据d轴磁链的饱和特性,通过构建磁链饱和模型来判断磁极极性。分析磁场交叉耦合以及定子电流信号解调过程对位置预估的影响,并对预估角度偏差加以补偿。 再次,在静止坐标系下建立基于线性磁链的IPMSM状态方程,并以此为基础建立扩展状态滑模观测器来预估转子位置。结合高阶滑模和非奇异终端滑模的优点,提出二阶非奇异终端滑模控制的方法提高收敛速度抑制滑模抖振,并利用李亚普诺夫(Lyapunov)定理证明了观测器的稳定性,得出滑模增益矩阵的自适应率。在恒转矩区域和弱磁区域定量分析定子电阻偏差、交轴电感偏差以及预估角速度偏差对观测器预估磁链幅值和相位的影响,通过对预估磁链采用PLL的方法获得转子位置和速度。 然后,将旋转高频电压注入法和扩展状态滑模观测器法相结合,在宽调速范围内实现复合方法检测磁极位置。在低速范围内采用旋转高频电压注入法检测磁极位置,在高速范围内采用扩展状态滑模观测器法检测磁极位置,从而保证IPMSM能够在从静止到弱磁区域内都平稳运行。 最后,设计了无传感器IPMSM全数字矢量控制系统的实验平台。完成了实验平台的硬件电路研制以及算法编程工作。给出了采用旋转电压注入法、扩展状态滑模观测器法以及宽调速范围复合方法的IPMSM磁极位置检测实验结果及分析,实验结果验证了本文提出算法的正确性和可行性。


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