永磁电机无位置传感器技术及谐波抑制的研究

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近年来,科技的快速发展带动着工业自动化不断进步,永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)作为传动机构的执行元件,已经成为工控领域中必不可少的环节。永磁同步电机控制系统的控制目标是使电机输出转速符合预设值、转矩脉振小。永磁同步电机矢量控制系统应用较为普遍,这种方式需要获取电机位置信息。滑模观测器(Sliding mode observer,SMO)对非线性系统具有较好的鲁棒性,测取的电机位置信息准确且算法简单,其难点是低速下反电动势信息不易测量。电机的齿槽效应、逆变器的导通压降、二极管的饱和压降、死区时间等都会使电机电流谐波含量增加、转矩脉动变大。对此,本文提出了一种抑制电流谐波的PMSM新型滑模观测器技术,既解决了机械传感器及传统滑模观测器的低速性能不好的弊端,又消除系统中的谐波。首先,分析国内外电机的发展及电机控制系统的现状,对比常用的电机控制方式及无位置传感器技术的实现方式。采用id=0的矢量控制方式、以新型滑模观测器测取电机位置信息实现对永磁同步电机的控制。其次,建立PMSM数学模型,以SVPWM调制技术控制逆变器驱动电机,分析逆变器的非线性因素引起的谐波并建立数学模型,针对这种谐波采用比例谐振调节器进行抑制。传统滑模观测器模型建立在α-β坐标系下,先获取反电动势信息再提取位置信息,新型滑模观测器建立在d-q坐标系下,以实际电流与估算电流的差值作为滑模面,从中直接提取电机的位置信息。再次,搭建Matlab仿真平台下的系统仿真模型,包括矢量控制模型、PMSM模型、新型滑模观测器模型、SVPWM模型、比例谐振调节器(Proportional resonant regulator,PR)模块等,对仿真结果进行分析,验证了本文所述新型滑模观测器的正确性和可行性。对比加入PR调节器前后电机定子电流波形,观察谐波的抑制效果。最后,进行了控制系统的硬件电路和软件设计,并搭建控制系统硬件平台,进行了实验研究,结果表明了本系统的可行性。
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