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永磁同步电机无传感器矢量控制技术研究

陆婋泉  
【摘要】:永磁同步电机具有功率密度大、效率高和结构简单等特点,在航空航天、电动汽车、工业控制等诸多领域得到广泛应用。本文针对永磁同步电机开展无传感器矢量控制技术的深入研究,有助于提高其系统的可靠性并拓展其应用领域。本文主要研究了永磁同步电机的滑模观测器法和扰动观测器法等中高速控制方法,以及基于高频注入的低速控制方法。结合负载转矩抗扰控制,基于扰动观测器设计了表贴式永磁同步电机的转速与位置估计方法。结合高频注入法和基于扰动观测器的扩展反电动势观测器,设计了内置式永磁同步电机全速范围内的无传感器控制方法。论文主要的研究内容和取得的成果如下:针对滑模观测器估计中存在的抖振问题,本文采用边界层可变的正弦型饱和函数替代传统开关函数,提出了一种用于永磁同步电机无传感器控制的软开关滑模观测器。为了确定不同饱和函数的收敛速度,定义等效收敛区间,通过正弦型饱和函数边界层内的滑模状态表达式推导等效收敛时间,并与现有初等、终端滑模、双曲正切型和指数型饱和函数进行了对比。通过仿真分别分析了饱和函数类型和开关增益、等效收敛系数及边界层厚度等系数对估计精度与收敛时间的影响,验证了正弦型饱和函数的有效性。针对表贴式永磁同步电机提出了基于扰动观测器的反电动势观测器,该方法将两相静止坐标下电流状态方程中的反电动势作为干扰量,不需要通过状态变量的微分和滤波环节就可以实现扰动量的准确估计。在此基础上设计了无传感器表贴式永磁同步电机的负载转矩抗扰控制系统,负载转矩观测器同样基于扰动观测器方法建立。由于转速估计值是转矩观测器建模中的状态变量,因此需要合理的选择两种观测器增益,以提高系统的估计精度和动态性能。仿真结果验证了无传感器方法的有效性,得出了观测器增益的选择依据。针对内置式永磁同步电机提出了一种全速范围内无传感器控制策略。为了获得估计的转子位置,基于扰动观测器建立了扩展反电动势观测器模型。将该方法与脉振的高频信号注入法相结合,实现了全速范围内的无传感器控制。为了进一步提高控制效率,根据扰动与观测的原理,提出了一种与参数无关的最大转矩电流比控制。论文搭建了永磁同步电机无传感器矢量控制硬件系统,对所提出的控制方法进行了实验验证。实验结果表明,优化后的滑模观测器能够准确地观测出转子速度和位置,并很好地消除估计结果的抖振。验证了基于扰动观测器的无传感器永磁同步电机负载抗扰控制系统的有效性,该系统对转速和负载变化具有较好的自适应能力和鲁棒性,可以实现高性能的永磁同步电机无位置传感器控制。同时,内置式永磁同步电机全速范围内无传感器控制和基于扰动与观测的最大转矩电流比控制的有效性也得到了验证。


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