本文關(guān)鍵詞：內(nèi)置式永磁同步電機(jī)無位置傳感器復(fù)合控制研究　出處：《上海大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：準(zhǔn)確檢測轉(zhuǎn)子位置,是實現(xiàn)永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)正常起動與調(diào)速控制的關(guān)鍵。通常,PMSM轉(zhuǎn)子位置是用光電碼盤、磁編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等傳感器實現(xiàn)的,這些傳感器保證了PMSM的可靠起動與運行,但存在成本高、占用額外的空間、需要電纜連接和配套的電路、可靠性差等缺點,限制了PMSM的應(yīng)用。為了克服有位置傳感器存在的問題,研究開發(fā)可靠的無位置傳感器控制技術(shù),成為一種客觀需求。目前,無位置傳感器控制總體上還處于研究和開發(fā)階段,只有部分產(chǎn)品開始實用化。無位置傳感器控制的進(jìn)一步推廣,還有許多理論和技術(shù)問題尚待解決。更為重要的是,迄今仍沒有一種成熟的方法可以獨立實現(xiàn)PMSM無位置傳感器的全速范圍控制。正是在這一背景下,以內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM)為研究對象,開展了無位置傳感器控制的研究,在IPMSM無位置傳感器矢量控制領(lǐng)域做了一些有意義的探索。主要工作及成果如下:(1)在分析PMSM物理模型的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了坐標(biāo)變換的原理和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下IPMSM的數(shù)學(xué)模型;分析了IPMSM矢量控制系統(tǒng),深入討論了IPMSM最大轉(zhuǎn)矩電流比控制(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)、0sdi=控制、單位功率因數(shù)控制、弱磁控制、最大功率輸出控制方法;分析了兩電平逆變器的拓?fù)浜凸ぷ髟?對SVPWM控制方法進(jìn)行了深入的研究,推導(dǎo)了參考矢量的合成過程,給出了扇區(qū)1的驅(qū)動波形。建立了IPMSM矢量控制仿真模型,驗證了閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)模型的有效性。(2)基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS),設(shè)計了中速和高速區(qū)IPMSM位置估算系統(tǒng)。將不含待估參數(shù)的IPMSM本身作為參考模型,將含有待估參數(shù)的IPMSM數(shù)學(xué)模型作為可調(diào)模型,這兩個模型有相同的輸出物理量。參考模型與可調(diào)模型的輸出之間存在偏差,用這個偏差構(gòu)造了一種合適的自適應(yīng)律,控制可調(diào)模型的輸出追蹤參考模型的輸出,從而產(chǎn)生較準(zhǔn)確的位置估算。應(yīng)用Popov超穩(wěn)定理論,證明了基于MRAS的IPMSM位置估算系統(tǒng)是穩(wěn)定的。建立了仿真模型,進(jìn)行了大量的調(diào)試,對該控制方法進(jìn)行了驗證。(3)基于高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法,設(shè)計了零速和低速區(qū)IPMSM位置估算系統(tǒng)。將高頻旋轉(zhuǎn)電壓矢量疊加在基波電壓矢量上一起注入IPMSM,提出了IPMSM的混合模型,從混合模型中分離出基波數(shù)學(xué)模型用于矢量控制,從混合模型中分離出高頻數(shù)學(xué)模型用于位置估算。詳細(xì)推導(dǎo)出了高頻電流響應(yīng),提出了一種新型高頻電流信號提取方法和位置估算方法,先從整個電流信號中提取高頻電流響應(yīng),再從高頻電流響應(yīng)中提取出負(fù)序高頻電流分量,之后用提出的位置估算方法從負(fù)序高頻電流響應(yīng)中估算出IPMSM轉(zhuǎn)子位置;對IPMSM轉(zhuǎn)子初始位置的辨識進(jìn)行了探討,推導(dǎo)了IPMSM轉(zhuǎn)子初始位置辨識的方法。設(shè)計了合適的低通濾波器(Low Pass Filter,LPF)和帶通濾波器(Band Pass Filter,BPF),詳細(xì)推導(dǎo)了LPF與BPF的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù),并分析了其穩(wěn)定性。建立了詳細(xì)的仿真模型,進(jìn)行了大量的調(diào)試,驗證了提出方法的有效性、可行性。(4)針對零速和低速區(qū)、中速和高速區(qū)位置估算方法均不能獨立實現(xiàn)IPMSM全速范圍運行的問題,將高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法與MRAS結(jié)合,提出了一種IPMSM無位置傳感器復(fù)合控制方法,實現(xiàn)了IPMSM從零速到高速全速范圍無位置傳感器調(diào)速控制。針對轉(zhuǎn)速切換時存在的速度跌落問題,提出了過渡區(qū)間內(nèi)使用變權(quán)重加權(quán)控制法,實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的平滑過渡。建立了仿真模型,對所提出的復(fù)合控制方法進(jìn)行了驗證,仿真結(jié)果證明了提出方法的有效性、可行性。(5)設(shè)計了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),建立了IPMSM無位置傳感器復(fù)合控制實驗平臺,進(jìn)行了大量的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試,實現(xiàn)了IPMSM無位置傳感器復(fù)合控制的成功運行,并給出了實驗波形。設(shè)計了穩(wěn)定、可靠和較高效率的開關(guān)電源,為整個硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)提供直流工作電壓,實驗結(jié)果證明了設(shè)計的有效性。
[Abstract]:Accurate detection of rotor position is the key to the normal starting and speed control of Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM). Usually, the rotor position is PMSM encoder and magnetic encoder, resolver and other sensors, these sensors to ensure reliable start-up and operation of PMSM, but there are high cost, taking up extra space, such as circuit, poor reliability of faults to cable connection and matching, limit the application of PMSM. In order to overcome the problem of position sensor, it is an objective requirement to develop a reliable sensorless control technology. At present, the control of sensorless is still in the stage of research and development, and only some products begin to be practiced. There are many theoretical and technical problems to be solved in the further promotion of sensorless control. More importantly, there is still no mature method to achieve full range control of PMSM sensorless. It is under this background that the Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) is the research object. The research of sensorless control is carried out, and some meaningful explorations are made in the field of IPMSM sensorless vector control. The main work and results are as follows: (1) based on the analysis of PMSM physical model, the mathematical model of the principle of coordinate transformation and synchronous rotating coordinate IPMSM are deduced and analyzed; the IPMSM vector control system, discussed the IPMSM maximum torque (Maximum Torque Per Ampere, MTPA, 0sdi=), the control unit power factor control, weak magnetic control, maximum power output control method; analysis of the topology and working principle of two level inverter, the control methods of SVPWM are studied, deduces the synthesis process of reference vector, driving waveform sector 1 is given. The simulation model of IPMSM vector control is established to verify the validity of the closed loop vector control system model. (2) based on model reference adaptive system (MRAS), a IPMSM position estimation system in medium speed and high speed area is designed. The IPMSM without estimating parameters is used as a reference model, and the IPMSM mathematical model with estimated parameters is used as an adjustable model. The two models have the same output physical quantities. There is a deviation between the reference model and the output of the adjustable model. With this deviation, a suitable adaptive law is constructed, which controls the output of the adjustable model's output tracking reference model, resulting in a more accurate location estimation. Using the Popov super stability theory, it is proved that the IPMSM position estimation system based on MRAS is stable. The simulation model is set up, and a lot of debugging is carried out, and the control method is verified. (3) based on the high frequency rotating voltage injection method, the IPMSM position estimation system at zero speed and low speed area is designed. The high-frequency rotation voltage vector is superimposed on the fundamental voltage vector and injected into IPMSM. A hybrid model of IPMSM is proposed. The fundamental mathematical model is separated from the mixed model for vector control, and the high frequency mathematical model is separated from the mixed model for position estimation. This paper derives the high-frequency current response, and puts forward the method and position estimation method for extracting high frequency current signal, to extract the high frequency current response from the current signal, and then extract the high frequency negative sequence current component from the high frequency current response, followed by the position estimation method is proposed to estimate the rotor position from the high frequency negative sequence IPMSM current response; identification of the initial position of the rotor IPMSM are discussed, a method is developed to identify the initial rotor position of IPMSM. Low Pass Filter (LPF) and Band Pass Filter (BPF) are designed. The mathematical models and transfer functions of LPF and BPF are deduced, and their stability is analyzed. A detailed simulation model is set up, and a lot of debugging is carried out to verify the validity and feasibility of the proposed method. (4) at zero speed and low speed, medium speed and high-speed zone position estimation methods are not independent of the realization of IPMSM full speed range operation, the high-frequency rotating voltage injection method combined with MRAS, put forward a kind of IPMSM compound control method of position sensor, to achieve a IPMSM from zero speed to high speed full speed range sensorless control control. In view of the speed falling of speed switching, a weighted weighted control method is proposed in the transition interval, which realizes the smooth transition of the speed. The simulation model is established, and the proposed compound control method is verified. The simulation results prove the effectiveness and feasibility of the proposed method. (5) the hardware system and software system were designed, and the IPMSM position sensorless composite control experimental platform was established. A lot of hardware debugging and software debugging were carried out. The successful operation of IPMSM sensorless composite control was realized, and the experimental waveforms were given. A switching power supply with stable, reliable and high efficiency is designed, which provides DC working voltage for the whole hardware system and software system. The experimental results prove the effectiveness of the design.
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212.9;TM341

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本文編號：1341020