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基于无位置传感器控制的永磁同步电机参数辨识研究

方伟明  
【摘要】:永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有运行效率高、功率密度大、转速调节范围宽以及转矩响应快等优点,被广泛的应用在工业生产、新能源汽车以及航空航天等领域。矢量控制是实现永磁同步电机高性能运行的常用控制方式,但其需要实时的获取转子位置信息,传统的安装机械式位置传感器的方式增加了系统成本,占用了系统空间,同时降低了系统的可靠性。为解决这些问题,PMSM无位置传感器控制成为电控系统的研究热点之一。在PMSM运行过程中,定子电阻、电感等参数易受绕组温升、磁饱和等因素影响而发生改变,导致电机运行的可靠性与控制性能受到影响。为实现PMSM无位置传感器控制系统的故障诊断以及保证系统的稳定性,对电机的参数进行辨识是十分必要的。本文以表贴式PMSM为研究对象,对PMSM无位置传感器矢量控制以及参数辨识进行研究。论文主要工作如下:一、采用两次电流注入的方式完成电机转子预定位,研究了PMSM的I/F低速运行控制策略,并利用给定电流调节器使电机从低速I/F控制平滑地切换至转速-电流双闭环控制下的中高速区域,在电机中高速运行时,利用改进的滑模观测器(Sliding Mode Observer,SMO)对电机的转子位置与转速进行估计。针对传统SMO的抖振现象,该观测器采用饱和函数代替开关函数以削弱系统抖振,同时采用反电势观测器观测PMSM的反电势,避免因使用低通滤波器而造成相位偏移,接着利用锁相环进行转子位置的估计,以提高转子位置估计精度。最后通过与传统的SMO进行仿真对比,验证了改进SMO的有效性。二、研究了PMSM参数的离线辨识与在线辨识,推导了基于递推最小二乘(Recursive Least Square,RLS)的PMSM参数辨识递推方程与基于模型参考自适应(Model Reference Adaptive System,MRAS)的PMSM参数辨识自适应律,结合RLS与MRAS的优点,在PMSM无位置传感器控制的基础上,采用一种基于无位置传感器控制的RLS-MRAS电机参数辨识策略。首先利用RLS辨识出PMSM的电感,然后将辨识出的电感与滑模观测器计算出的转子磁链作为MRAS的输入,辨识出电机的电阻,实现PMSM的多参数在线辨识,最后通过在Matlab/Simulink环境中对电机负载突变、转速突变、参数突变等工况下进行仿真,验证了所提算法的有效性。三、以风机用PMSM为被控对象,基于STM32F103C8T6主控芯片,设计了硬件和软件平台,离线辨识了风机的定子电阻和电感,测试了风机采用I/F低速启动,中高速采用改进SMO的无位置传感器矢量控制策略的运行性能,并在无位置传感器控制下,对风机参数的在线辨识进行了研究。实验结果表明,该参数辨识策略在一定工况下可以实现风机定子电阻、定子电感和转子磁链的在线辨识,同时风机运行稳定,具有一定的实用价值。


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