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基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制的研究

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摘要

1.1 课题研究背景

1.2 永磁同步电机控制策略的发展与现状

1.3 PMSM无传感器控制算法的发展现状

1.3.1 适用于中高速运行的无传感器控制方法

1.3.2 适用于低速运行的无传感器控制方法

1.4 本文结构及内容

2 PMSM数学模型

2.1 永磁同步电机的结构

2.2 永磁同步电机的数学模型

2.2.1 永磁同步电机在三相静止(abc)坐标系下的数学模型

2.2.2 永磁同步电机在两相静止(αβ)坐标系下的数学模型

2.2.3 永磁同步电机在两相旋转(dq)坐标系下的数学模型

2.3 永磁同步电机矢量控制

2.4 常用矢量控制策略

2.4.1 恒转矩角控制

2.4.2 单位功率因数控制

2.4.3 最大转矩电流比控制

2.4.4 恒共磁链控制

2.5 永磁同步电机的高频信号模型

2.6 本章小结

3 PMSM高频信号注入法及仿真

3.1 高频旋转电压信号注入位置估计算法

3.2 高频旋转电压注入法仿真研究

3.3 高频脉振电压注入位置估计算法

3.4 高频脉振电压注入法仿真研究

3.5 本章小结

4 高频信号注入法中锁相环的数字实现问题

4.1 传统数字锁相环及其反馈滞后一拍问题

4.2 新型无反馈延迟数字锁相环

4.3 新型数字锁相环仿真及实验验证

4.4 新型数字锁相环在高频旋转电压注入法中的应用

4.4.1 存在初始误差电机启动过程中两种锁相环系统位置估计结果对比

4.4.2 当系统受到干扰时两种锁相环系统位置估计结果对比

4.5 本章小结

5 高频信号注入法实验验证

5.1 实验硬件系统介绍

5.2 实验软件系统设计

5.2.1 主程序设计

5.2.2 EPWM中断程序设计

5.2.3 SVPWM程序设计

5.2.4 滤波器程序设计

5.2.5 SCI中断程序及Labview上位机程序设计

5.3 实验结果

5.4 本章小结

6 总结与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士/博士学位期间取得的研究成果

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摘要

永磁同步电机具有各项优异性能,近几年随着技术的发展,永磁同步电机在伺服控制、电动汽车、航空航天、机器人控制等高精尖领域有着越来越广泛的应用。由于永磁同步电机控制系统中机械式位置传感器存在诸多问题,因此研究永磁同步电机无位置传感器控制方法具有十分重要的意义。
  本文研究的重点为基于高频信号注入法的永磁同步电机无传感器控制的研究,主要研究内容如下:
  1.介绍课题研究背景和永磁同步电机控制策略的发展现状。对目前常用位置估计算法进行综述,通过对比选择高频信号注入法作为本文研究重点。
  2.由于高频信号注入法基于矢量控制系统,本文详细地推导在不同坐标系下的永磁同步电机数学模型,在电机旋转坐标系数学模型的基础上,详细说明了矢量控制系统的工作原理,简要介绍了几种常用控制策略,并扩展出高频信号下永磁同步电机数学模型。
  3.高频电压注入法可以分为旋转电压注入法和脉振电压注入法,在高频信号电机模型的基础上分别对高频旋转电压注入法和高频脉振电压注入法进行理论推导,然后通过Matlab/Simulink对两种高频电压注入法进行仿真对比,结合理论及仿真结果最终得出结论:高频旋转电压注入法和高频脉振电压注入法都能实时有效地估计电机转子位置,前者系统稳定性强、参数整定容易且动态响应波动小,后者位置估计稳态精度高,转矩波动小,两种算法各具优势。
  4.针对影响高频信号注入法性能的数字锁相环存在反馈滞后一拍问题,提出一种消除反馈滞后的新型数字锁相环,介绍了该锁相环消除反馈滞后的工作原理,并通过仿真及实验验证了该锁相环的有效性。将消除反馈延迟的数字锁相环应用于高频旋转电压注入法之中,通过仿真验证了消除反馈延迟的数字锁相环提高了系统的稳定性及扰动下恢复稳定状态的动态性能。
  5.在实验室现有资源的基础上搭建软硬件实验平台,对高频旋转电压注入法、高频脉振电压注入法及应用了消除反馈延迟型数字锁相环的高频旋转电压注入法进行实验,验证了本文第三、四章所得结论的正确性。

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