同步磁阻电机无速度传感器矢量控制技术研究

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矢量控制技术解决了交流电机的控制耦合问题,简化了其控制方案,改变了曾经直流电机垄断电气传动的格局,交流调速系统获得了更广泛工业应用。同步磁阻电机作为一种新型电机,具有制造简单、成本低、效率高等优势,近年来获得关注,在高效传动、电动汽车等领域具有广泛的应用前景。同时,无速度传感器控制以降低系统成本,减少传感器体积等优势成为学术热点。本文对同步磁阻电机的无速度传感器矢量控制进行了研究,详细讨论了其中的控制器设计和磁链观测技术。针对不同观测器进行了小信号建模,分析了观测器的稳定性,进而设计基于MATLAB-Simulink仿真模型,对控制方案进行分析。首先,本文对同步磁阻电机进行了数学分析,建立了转子位置定向系统下的电机数学模型。在此基础上,建立了对应的控制环,完成了控制器的参数设计,得到了相应的同步磁阻电机矢量控制方案,进而搭建了基于MATLAB-Simulink的仿真验证模型以及基于半实物仿真系统dSPACE的实验平台。通过仿真模型设计算法评判合理性,通过实验平台对控制算法进行了实际验证,为实现电机系统的速度跟踪、功率输出奠定研究的基础。其次,研究了三种主流磁链观测器(电压-电流模型观测器、全阶观测器、电压型观测器)在系统中的应用,通过数学推导,分别设计了观测器的具体参数,并分别仿真验证了设计的合理性,在电机正常运行范围内工作良好。基于线性化理论建立了观测器的小信号模型,研究了其稳定性,发现电压-电流磁链观测器在低速反转区存在不稳定区域;全阶观测器稳定性较好,但需要大量的数学运算;并且通过分析,改进了适用于同步磁阻电机的电压型观测器,增强了一定的参数敏感性。最后,基于电压-电流模型观测器,建立了转子位置定向的无速度传感器矢量控制系统。针对电压-电流模型观测器中需要使用的电感参数的识别进行了具体分析;针对实验平台中出现的直流偏置引起的转速估算纹波进行了一定的优化。通过仿真模型以及实验平台验证了上述分析结果,对磁链观测器、速度估算的效果进行了评估,最终实现了同步磁阻电机的无速度传感器矢量控制,证明了电感拟合、去直流偏置模块对系统性能有一定优化。
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