【摘 要】
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永磁同步电机无传感器控制技术可以提高系统鲁棒性、降低系统成本,在现代工业传动领域具有广阔的应用前景。通过学术界和工业界的持续努力,无传感器控制技术目前已取得了很大的进展,已在很多工业驱动现场得到应用。然而,在一些对控制精度和动态响应有较高要求的场合,无传感器驱动系统的性能还需要进一步改善。本论文将针对制约无传感器控制系统性能提升的关键问题进行研究,主要研究内容包括电流预测控制、转子初始位置估计和弱
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永磁同步电机无传感器控制技术可以提高系统鲁棒性、降低系统成本,在现代工业传动领域具有广阔的应用前景。通过学术界和工业界的持续努力,无传感器控制技术目前已取得了很大的进展,已在很多工业驱动现场得到应用。然而,在一些对控制精度和动态响应有较高要求的场合,无传感器驱动系统的性能还需要进一步改善。本论文将针对制约无传感器控制系统性能提升的关键问题进行研究,主要研究内容包括电流预测控制、转子初始位置估计和弱磁扩速控制等方面,以满足更多工业传动领域的应用需求。电流预测控制可以有效解决电流环交叉耦合和滞后环节对电流控制性能的影响,拓展电流环带宽,然而采样误差以及电机参数变化等因素会引起电流控制静差。本文提出一种基于空间矢量调制（SVM）预测控制的静态电流误差抑制策略,以克服dq轴电流静差所导致的系统效率降低、转矩输出能力削弱和转矩控制模式难以实现等问题。针对预测控制器所需参数与电机实际参数存在偏差的情况,分析控制系统稳定性的负面影响。建立电流静差和模型参数误差之间关系数学模型,并研究一种有效的电流静差消除方法。所研究的方法通过dq轴反馈电流对预测控制模型参数进行校正,消除控制器因电机模型参数误差所引起的静差。最后通过实验验证了方法的有效性。静止状态下转子初始位置检测是永磁同步电机无传感器驱动系统正常运行的重要环节,考虑到传统的直流定位法导致电机起动之前发生转子转动的问题,提出了一种基于扩张状态观测器（ESO）参数自整定的静止状态下转子初始位置检测方法。在分析高频电压注入法基础上,针对高频注入法中由逆变器非线性所引起的电压误差导致位置估计精度下降的问题,提出一种新颖的高频脉振方波电压注入方法,可以有效减少位置辨识时间,并提高检测精度。针对传统的PI型观测器收敛速度慢、PID或PIID型观测器的微分运算易引入显著噪声信号且难以进行参数配置的局限性,研究了一种扩张状态观测器参数整定方法。所采用ESO对状态变量的估计兼具快速性和准确性,通过积分运算估计状态变量,ESO能够有效避免微分运算对噪声的放大作用,改善位置估计性能。通过仿真和实验测试对所研究方法的有效性进行验证。为了实现永磁同步电机无传感器高速运行,需要电机能够运行在深度弱磁区域,提出了一种基于电压相角控制的无传感器弱磁控制策略。在高速运行区域,永磁同步电机dq轴电流调节器存在过度积分而产生电流环饱和问题,另外dq轴电流交叉耦合严重,需要对励磁电流和转矩电流进行合理分配。电压角控制策略不仅可以解决传统控制系统中两个电流调节器相互冲突的问题,而且还具有最大限度利用直流电压的优点,所研究的弱磁控制方法在深度弱磁区具有更强的稳定性。为进一步提高弱磁控制系统性能,需要解决电压相角控制法中电流噪声大而导致稳定性降低的问题。本文研究一种基于电压相角控制策略的电流纹波抑制和频率补偿方法。针对电压相角弱磁控制法相对于传统的弱磁方法会产生更大的电流纹波问题,提出一种有效抑制纹波的方法来减小电流噪声和转矩脉动,以提高电机运行的稳定性在上述研究基础上,研制出了集成无位置传感器控制方法的通用型永磁电机驱动器样机,并在ARM芯片中实现了所研究的数字控制算法,实验结果验证了所提出方法的有效性。
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