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永磁同步电机无速度传感器控制技术思考

日期:2021年12月20日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:91
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202112031211284534 论文字数:37847 所属栏目:工程硕士论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis
相关标签:工程硕士论文

本文是一篇工程硕士论文,本文针对永磁同步电机的全速域无位置传感器进行了研究。如下:(1)对于低速领域中,分别针对脉振方波注入法进行了仿真和实验,并且根据仿真和实验分析后,针对滤波器进行了改进。由于滤波器会给系统带来延迟和滞后,所以采用相邻的两个电流采样信号,并且求取平均值的方法,可以轻松的获得基波电流,而不需要低通滤波器造成的时间延迟。在这个过程中只有一个采样延时。


第一章 绪论


1.1 课题研究的背景及意义

电机是电能生产和使用过程中至关重要的设备,在现代工业和社会中发挥了越来越重要的作用。

电机种类有很多,而在各种各样的环境和场景也适用于不同种类的电机。对于电机也有几种分类。如按励磁电流供给方式进行分类、按供电频率分类、按气隙磁场分布分类等等。本文选用按照电机的供电类型分类,主要有直流控制和交流控制两类。而直流控制由于具有易于控制,调节方式平稳的优点,而被广泛应用于各种电气传动和工业传动的场合,但是直流控制电机需要用到电刷,容易产生出火花,增加损耗和使用成本,这让使用者开始研究感应电机,来避免直流电机的问题。而感应电机具有成本低,结构简单,稳定等优点,使得感应电机可以被更多的使用。但是由于感应电机的控制策略较为复杂,容易受到电机参数和负载的变化的影响[1-5]。

相比之下对于传统的感应电机,永磁电机由永磁体提供转子磁通,且不需要无功励磁电流,因此功率因数得到提高,永磁驱动电机更加适合近年来的高性能电机驱动控制系统[6]。永磁同步电机由可以产生的反电动势以及波形而分为两类:一类是永磁无刷直流电机(BLDCM)、另一种则是永磁同步电机(PMSM)[7]。

由于永磁同步电机具有电磁转矩稳,高速时噪音小,低速域性能好的特点。早期永磁同步电机的控制算法较为复杂,但随着科技的发展,控制算法的应用和复杂程度已经不再是一个制约永磁同步电机应用的因素,所以电气传动系统驱动永磁同步电机的应用日益增多[8]。

当前,矢量控制和直接转矩控制已经发展成为国内主流的运动控制发展策略[9]。而在永磁同步电机的各种电气传动控制系统中,我们一般都会根据实际需要的信息来实时地获得电机转子的实际工作状态,其中转速和转子角度位置相关信息最为重要,一般的实际情况下我们会安装相应的位置传感器或者速度传感器从而获得我们需要的转速信息和位置信息[10]。


1.2 国内外研究现状

1.2.1 永磁同步电机控制策略

永磁同步电机的种类主要有很多种,例如我们有按照转子的有无启动阻尼绕组,分为有阻尼启动和无阻尼启动。另外还有根据转子永磁体的位置及其安装方法不同,可以划分为三种:表贴式、内埋型和内嵌式。按照设计需要,永磁磁极最优化的设计能够被表贴式电机特有的转子结构轻松的体现出来,由于此电机具有交直轴电感基本一致的特点,统一称之为隐极式电机。又因为它的其他优点,如结构简单,成本低,转动惯量小,等等,被广泛采纳。内嵌式和内埋式电机的永磁体都是直接安装在电机的转子或者内部,安装的方法也很多,但这两种电机的安装方法都呈现出一种凸极性,我们称之为凸极电机。想要进行永磁同步电机的无位置传感器技术研究,更多的需要其电机的凸极性,获取其反电动势,并获得转子位置信息[12]。

当下目前应用最广泛的一种高性能永磁交流同步电机控制系统技术主要类型,包括了直接转矩控制和空间矢量控制。

空间矢量控制技术主要思想是通过坐标变换理论,利用直流电机的理论基础控制现代交流电机,利用空间矢量概念把三相定子电流合成的空间电流矢量,通过坐标变换和转子位置定向,分解成彼此之间正交的励磁电流分量和转矩电流分量,分别去控制转子磁场和电磁转矩大小,实现交流电磁转矩和交流磁场的解耦。通过励磁电流分量控制转子磁场,可实现基频以下转子磁场恒定和基频以上弱磁控制,使交流电机的机械特性等同于直流电机,从而得到和直流电机一样方便简单的调速性能。


第二章 永磁同步电机的数学模型及控制策略


2.1 永磁同步电机的结构与数学模型

PMSM 是一种复杂的交流驱动电机,它需要应用到很多复杂的控制技术,其电机的数学模型具有多变量、强耦合、非线性等特点。因为我们需要获得好的静态和动态控制特性,就必然需要我们设计更好的控制算法,为此首先就需要建立好永磁同步电机的数学模型。

永磁同步电机的整体结构与一般同步电机的结构相似,定子的形状与普通电机定子一样,主要区别在其转子部分,PMSM 采用永磁体作为转子产生磁场,由此可以代替一般电机用以产生磁场的电励磁线圈,减少电机的体积和重量,节省了电机本身的占用空间。同时也消除了电刷和滑环的摩擦损耗和接触电阻损耗,以此来提升电机的性能。

根据永磁同步电机(后面简称 PMSM)的各种转子在永磁体上被安装的形式来进行分类,我们大致将其划分为三种,其中常见的有表贴式、嵌入型和内置式。它们的形状如图 2-1 所示:

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2.2 矢量控制原理

矢量控制原理是将三相交流电解耦成相互正交的直流量。从数学的角度来说,将同一个方程组用一个新的变量替换为原本的变量,进而用它来简化这个目标方程。还要严格遵循一个基本的原则:变换前后产生的旋转磁动势也是一致的。而且矢量控制又具有不同的控制策略,有 0dI 控制、MTPA控制、 cos  1控制。本文之后一直使用的 0dI 的控制策略。 0dI 控制策略电流是一种简单而有效的电流控制原理方法,此方法可以充分有效的抑制电枢反应造成的去磁作用,易于对电机转矩进行控制。

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图 2-2 为矢量控制原理图,其主要由电流调节器,转速调节器,SVPWM和坐标变换这些部分组成一个闭环控制系统,使电机根据给定的转速指令达到期望的效果。下面分别对坐标变换和 SVPWM 这两部分进行介绍。

为了实现简化控制,将永磁同步电机简化成直流电机,进而要把矢量完成解耦,在静止轴系 A-B-C 转换成旋转 d-q 轴的过程中,需要进行两次不同的坐标变换,其中分别是 Clark 变换和 Park 变换,而且两种变换方法都具有可逆性。下面将分别介绍两种变换方法。


第三章 永磁同步电机的低速域无速度传感器控制..................... 23

3.1 正弦波高频脉振注入法................................23

3.1.1 旋转高频信号电压注入法.........................23

3.1.2 脉振高频信号电压注入法...........................25

第四章 永磁同步电机全速域无速度传感器复合控制................. 44

4.1 永磁同步电机中高速域无位置传感器电机控制..............................44

4.1.1 反电动势法原理..................................44

4.1.2 仿真与实验分析.........................................46

第五章 仿真实验平台.........................57

5.1 实验平台的构成...............................57

5.2 实验平台流程.....................................58


第五章 仿真实验平台


5.1 实验平台的构成

实验平台如下图 5-1 所示:

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其中,左上角为 8.3KW 永磁同步电机,右上角为 DSP 控制板,左下角为 RCP 平台(快速控制原型),右下角是实验时所用电脑的上位机操作界面。


第六章 结论与展望

本文针对永磁同步电机的全速域无位置传感器进行了研究。如下:

(1)对于低速领域中,分别针对脉振方波注入法进行了仿真和实验,并且根据仿真和实验分析后,针对滤波器进行了改进。由于滤波器会给系统带来延迟和滞后,所以采用相邻的两个电流采样信号,并且求取平均值的方法,可以轻松的获得基波电流,而不需要低通滤波器造成的时间延迟。在这个过程中只有一个采样延时。不论测量电流的参照系是什么,都可以有效的进行信号的提取,与此同时,采用设计正交观测器的方法进行观测,可以更加轻松地获取我们需要的转子位置误差角度。之后为了避免 PMSM 在高频注入法的时候出现急性相反的状况,设计了磁极辨识的模块,使实验中避免了反转和启动失败的现象。之后还针对正弦波注入法进行了仿真分析。实现了永磁同步电机低速控制。

(2)中高速域中的无速度传感器本文采用的是反电动势法,此方法,不仅结构简单,容易实现,理论成熟,针对反电动势法进行了仿真分析,设计参数,并且进行了实验验证。

(3)采用了加权算法对上文的两种无速度传感器控制方法进行了复合控制,并且设计了加权参数,分别对低速域的速度进行了分析,又对高速域的反电动势进行了分析,最终使复合控制达到了平滑切换。实现的永磁同步电机的全速域无速度传感器控制。

参考文献(略)

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