基于高频电压注入法的内置式永磁同步电机无位置传感器控制系统研究

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内置式永磁同步电动机(Interior Permanent Magnet Synchronous Machine,IPMSM)驱动系统中,为实现基于磁场的定向控制(Field-Oriented Control,FOC),必须实时有效检测永磁体转子位置。常用的永磁体转子位置获取途径是利用机械式位置传感器进行检测,这不仅增加了系统的成本和体积,而且位置信号的传播途径易受到大电流的干扰,降低了系统的鲁棒性。因此,国内外许多专家与学者对无位置传感器的FOC策略做了大量的研究工作,高性能无位置速度传感器技术成为电控领域的热点研究课题。在众多含有无位置传感器技术的产品中,主要依靠基波反电动势(Back Electromotive Force,BEMF)来识别永磁体的转子位置,该方法的特点:BEMF与速度成正比,即电机在中高速工作时,BEMF幅值较大,才能被有效提取,但是在低速或零速时,因BEMF幅值较小,有用的信噪比非常低,很难被有效提取出来,因此这类方法在电机低速以下工作时,无法有效检测出永磁体转子位置与速度。本论文将通过向同步旋转(d-q)坐标系注入高频正弦电压信号,激励生成了包含永磁体转子位置估算偏差信息的高频响应电流,再对高频电流进行处理,即可获取IPMSM低速工作时的转子位置与极性。本文的研究内容主要包含有:(1)研究现状分析。对IPMSM的无位置传感器的FOC策略进行了综述,并对国内外的研究现状进行了总结。分析并比较了各种无位置传感器的FOC策略,最后提出了高频正弦电压注入法来获取永磁体转子位置的策略。(2)基本控制理论分析与推导。构建了IPMSM在d-q坐标系下的等效物理模型,推导了d-q坐标系下的电压、磁链与转矩公式。阐述了FOC策略的思想,且推导了实现FOC策略的坐标变换方程。阐述了几种常用的控制策略,经对比分析,本论文采用了i_d=0的控制方法配合FOC策略实现对定子电流的解耦。(3)无位置传感矢量控制的原理分析与实现。通过对d-q坐标系下的d轴通入高频正弦电压信号,推导并分析含有永磁体转子位置估算偏差的d-q坐标系下的高频电流数学模型。根据高频电流数学模型,对d-q坐标系下高频电流信号做处理,从而获取永磁体位置估算偏差信息,并利用锁相环策略消除估算偏差,收敛到永磁体转子实际位置。利用非线性磁化原理,通过对直轴高频响应电流的正负半轴分别积分,识别出永磁体转子N极方向。最后通过MATLAB2016仿真平台搭建了算法模型对算法进行验证。(4)优化设计。因基于高频注入法的无位置传感器策略主要应用于低速场合,由于死区时间的存在,低速条件下的相电流过零点钳位现象非常明显,极易引起转矩脉动;采用一阶低通数字滤波器对d-q坐标系的电流反馈信号进行滤波,虽能滤除d-q坐标系下的高次谐波电流,但当d-q坐标系的直流反馈信号变化时,经一阶低通滤波器滤波后,必然会导致其幅值的衰减,使反馈信号失真,易引起系统震荡。针对上述的两个问题,分别提出了死区补偿策略与变步长自适应有限长单位冲激响应(Finite impulse Response)前馈滤波算法优化控制系统。
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