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基于高频注入与滑模预测的PMSM无位置传感器复合控制研究

基于高频注入与滑模预测的PMSM无位置传感器复合控制研究

引用

作者：余兵湖南大学

学位级别：硕士

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有效率高、功率密度大、功率因素大、调速范围广、运行稳定可靠等特点，被广泛应用于各种电气传动控制系统中。矢量控制因其具有高精度、高动态响应性能和高稳定性的优点，成... 详细信息

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有效率高、功率密度大、功率因素大、调速范围广、运行稳定可靠等特点，被广泛应用于各种电气传动控制系统中。矢量控制因其具有高精度、高动态响应性能和高稳定性的优点，成为电机控制领域的关键技术之一。矢量控制系统中，需要获得电机准确的位置和速度信息，一般由机械传感器反馈给系统。但是，机械传感器的引入增加了系统的体积和成本，同时也给系统带来了一系列的不稳定性因素。为了克服这一弊端，无位置传感器控制技术成为研究的热点，本文深入研究了基于高频注入和滑模观测的永磁同步电机无位置传感器复合控制技术。\n 本文无位置传感器控制是建立在基于id=0的永磁同步电机矢量控制的基础上的，采用SVPWM驱动方式。id=0的矢量控制策略使得永磁同步电机控制方便，在磁场恒定的情况下，电机输出的转矩与交轴电流成正比。本文的无位置传感器控制策略中采用了旋转式高频电压注入法和基于反电势的滑模观测器方法，对永磁同步电机转子位置和速度进行估计。旋转式高频注入法用在低速阶段，滑模观测器用在中高速阶段，充分发挥两者在各自速度区间的优势，均用锁相环相位跟踪技术来获取转子位置，取得了良好的估计效果。在两种估计方法的切换区间，采用加权计算方法，实现了由高频注入法到滑模观测器的有效过渡。由于系统在突加或者突减速度时，估计误差增大，容易引起系统的不稳定，论文中，在电机加减速时，采用S型曲线进行速度规划，有效的降低的估计误差，增加了系统的稳定性。\n 本文在Matlab/Simulink环境中搭建了仿真模型，对高频注入法与滑模观测器估计转子位置和速度进行了仿真分析，仿真结果表明，该方法在电机低中高速度区间均能有效的估计转子位置和速度，在速度变化时，S型曲线速度规划减小了速度变化时的估计误差，增加了系统稳定性。本文也设计了一款薄型永磁同步电机控制器，在LabVIEW环境中设计了一款电机调参与控制上位机软件，搭建了控制系统平台，实验结果也证明了该控制策略的有效性。

关键词：永磁同步电机矢量控制无位置传感器高频注入法滑模观测器

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同步电机无位置传感器控制系统研究

同步电机无位置传感器控制系统研究

引用

作者：禹继贤浙江大学

学位级别：硕士

永磁同步电机(PMSM)具有结构简单、效率高,对环境适应力强等优点,在高性能驱动系统中已逐渐取代直流电机。随着工业控制市场的发展,许多控制场合对电机调速系统的成本和可靠性提出了更高的要求,PMSM无位置传感器控制技术由于省去了转子... 详细信息

永磁同步电机(PMSM)具有结构简单、效率高,对环境适应力强等优点,在高性能驱动系统中已逐渐取代直流电机。随着工业控制市场的发展,许多控制场合对电机调速系统的成本和可靠性提出了更高的要求,PMSM无位置传感器控制技术由于省去了转子位置检测装置,不仅降低了系统成本,还增强了可靠性,成为当前电机控制领域的热门研究方向之一。在此背景下,本文研究了基于无位置传感器控制技术的同步电机控制系统。本文所做的工作主要包括以下几个方面:(1)分析了电机数学模型,推导定子电压电流方程和定子磁链方程,为无传感器控制算法提供理论基础。详细分析了 PMSM的矢量控制算法和空间矢量脉宽调制(SVPWM)原理,论述了 SVPWM的具体实现过程。(2)对PMSM的无位置传感器控制策略进行研究。针对启动控制策略进行讨论,分析了 VF和IF控制的优缺点,确定启动方法。对模型参考自适应(MRAS)算法原理进行了详细的推导,运用MATLAB/Simulink进行仿真验证方法可行性,并对比标准参数和简化参数辨识模型,分析稳态和动态性能。对于电机低速段的控制策略,讨论了高频旋转电压注入法和脉振电压注入法的基本原理,着重分析电流提取过程,并做了仿真验证。(3)在理论研究基础上,设计了以智能功率模块(IPM)为核心的功率级硬件电路,基于反激拓扑的多路输出控制供电电路,以stm32+CPLD为核心的控制电路,并在其上完成了软件控制程序设计。(4)搭建了 PMSM无位置传感器控制系统实验平台,完成硬软件调试,进行了基于MRAS算法的转速观测实验,以及无位置传感器转速闭环控制实验,实现了从启动到额定转速过程中对转速和磁极位置的准确实时估计,验证了算法的可行性,以及系统的有效性和可靠性。

关键词：永磁同步电机模型参考自适应系统无位置传感器开环启动

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基于无位置传感器电机控制技术的太阳能水泵系统研究

基于无位置传感器电机控制技术的太阳能水泵系统研究

引用

作者：马可华北电力大学

学位级别：硕士

随着能源结构的不断调整和优化,太阳能逐渐引起了人们的注意。太阳能水泵系统作为一种太阳能利用的重要形式,不仅能够产生巨大的经济效益,还能够产生社会效益。本文对基于无位置传感器永磁无刷直流电机控制技术的太阳能水泵系统进行了... 详细信息

随着能源结构的不断调整和优化,太阳能逐渐引起了人们的注意。太阳能水泵系统作为一种太阳能利用的重要形式,不仅能够产生巨大的经济效益,还能够产生社会效益。本文对基于无位置传感器永磁无刷直流电机控制技术的太阳能水泵系统进行了深入研究。首先对太阳能水泵系统的基本结构做了详细的阐述。其次,设计了适合工程上研究应用的太阳能电池模型,并在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了仿真模型,仿真结果验证了本文太阳能电池模型的准确性。然后,采用电导增量法原理设计了太阳能电池的MPPT控制器,保证了电池的最大功率输出,确保水泵系统的高效运行。在介绍无刷直流电机的组成结构的基础上,研究探讨了多种传统的无刷直流电机转子位置检测方式。最后,提出了一种基于改进传统反电动势检测法的新方法用来检测无刷直流电机转子位置。仿真结果证明了该方法简单、有效、可行,最重要的是可以保证在较宽的转速范围内的检测准确度。

关键词：太阳能水泵无位置传感器无刷直流电机 MPPT控制转子位置检测反电动势检测法

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基于高频电压信号注入的永磁同步电机无位置传感器控制

基于高频电压信号注入的永磁同步电机无位置传感器控制

引用

作者：陈长凯长沙理工大学

学位级别：硕士

随着能源危机的加剧以及石油价格的上涨,混合电力汽车及电动汽车的比重在逐步增加。电机驱动系统作为电动汽车的核心,关系到电动汽车的性能和效率,直接影响电动汽车领域的发展。其中,永磁同步电机因结构简单、高效率、宽调速范围等优点... 详细信息

随着能源危机的加剧以及石油价格的上涨,混合电力汽车及电动汽车的比重在逐步增加。电机驱动系统作为电动汽车的核心,关系到电动汽车的性能和效率,直接影响电动汽车领域的发展。其中,永磁同步电机因结构简单、高效率、宽调速范围等优点,已成为电机驱动系统中的主流电机,并且十分适用于电动汽车场合。在永磁同步电机的驱动系统中,为达到良好的控制效果,转子位置和转速信息必不可少。然而,位置传感器的使用不仅增加了系统的成本和体积,还降低了系统的可靠性,并带来了系统安装难度。因此,无位置传感器控制方案的研究至关重要。论文基于电机本身的物理特征,利用可检测或已知的电流、电压信息,主要探究永磁同步电机的无位置传感器控制方案设计。本文主要内容如下:(1)建立了在不同坐标系下的永磁同步电机数学模型,详细分析了电压型逆变器的空间矢量调制及isd=0的矢量控制方案,并基于Matlab/Simulink仿真平台验证了该策略的正确性和有效性。(2)基于电机的磁场特性,建立了永磁同步电机的高频数学模型。针对不同坐标系,探究了三种基于高频电压信号注入的无位置传感器控制方案,并设计了对应的转子位置观测器以进行转子位置角和转速的准确估计。最后,借助Matlab/Simulink仿真平台验证了相应方法的正确性和有效性。(3)搭建了以DSP+FPGA为控制核心,以电压型逆变器为驱动变频器的永磁同步电机驱动系统,并探讨了相关软件设计流程。基于该平台的实验结果,验证了高频电压信号注入法的有效性。

关键词：永磁同步电机无位置传感器高频电压信号注入

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EHPS系统用永磁同步电机无位置传感器控制研究

EHPS系统用永磁同步电机无位置传感器控制研究

引用

作者：李成龙北京理工大学

学位级别：硕士

汽车技术对辅助系统电动化的发展要求导致本文以电动液压助力转向系统(EHPS)作为研究重点。在传统的助力电机调速系统中,是通过转子轴上安装的位置传感器,来得到电机的转子位置和速度,由于传统的位置传感器存在诸多不足,制约助力电机调... 详细信息

汽车技术对辅助系统电动化的发展要求导致本文以电动液压助力转向系统(EHPS)作为研究重点。在传统的助力电机调速系统中,是通过转子轴上安装的位置传感器,来得到电机的转子位置和速度,由于传统的位置传感器存在诸多不足,制约助力电机调速系统的发展。本文考虑在EHPS系统助力电机上应用无位置传感器控制技术,以取消传统霍尔效应或光电式位置传感器,可以有效降本增效,简化结构,这使得对永磁同步电机无位置传感器控制做进一步完善具有十分重要的意义。本文结合EHPS系统的结构及助力特性,根据系统对助力电机提出的控制要求,对EHPS系统用永磁同步电机的无位置传感器控制展开研究,验证EHPS系统中助力电机选用永磁同步电机并应用无位置传感器控制方法的可行性。文章首先研究EHPS系统的工作原理与助力特性,建立系统的数学模型,利用MATLAB/Simulink建立EHPS系统的仿真模型;对EHPS系统中电机转速与液压助力的关系进行仿真分析,得出EHPS系统对助力电机的控制要求。然后,根据助力电机的控制要求,针对EHPS系统用永磁同步电机,提出与之匹配的控制方案,选定适合的电机控制策略与无位置传感器控制方法,分析选定的无位置传感器控制方法的基本原理和控制模型。最后,通过提出的电机控制方案,建立基于高频信号注入法的永磁同步电机无传感器系统仿真模型,完成电机转速控制。通过仿真分析来验证提出的方案的可行性,实现EHPS系统用永磁同步电机的无位置传感器控制。仿真结果证明应用脉振高频电压注入法的助力电机无位置传感器控制系统能够实现电机转速的调节,验证EHPS系统中助力电机选用永磁同步电机并应用无位置传感器控制方法的可行性。

关键词：永磁同步电机无位置传感器矢量控制高频信号注入法

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基于无位置传感器的开关磁阻电机控制系统研究与实现

基于无位置传感器的开关磁阻电机控制系统研究与实现

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作者：李亚雄湖南大学

学位级别：硕士

开关磁阻电机具有结构简单、调速性能优异、容错能力强、结构坚固等优点,在高温、强电磁干扰等恶劣环境下具有独特的应用优势,现已广泛应用于电动车驱动、矿山车辆、航空器材、机场设备等工业领域。由于开关磁阻电机控制系统稳定运行依... 详细信息

开关磁阻电机具有结构简单、调速性能优异、容错能力强、结构坚固等优点,在高温、强电磁干扰等恶劣环境下具有独特的应用优势,现已广泛应用于电动车驱动、矿山车辆、航空器材、机场设备等工业领域。由于开关磁阻电机控制系统稳定运行依赖于获取准确的位置信息,传统的位置传感器引入不但降低了整个调速系统的性能优势,同时也增加了系统成本,加大了设备安装维护的难度。因此,研究基于无位置传感器的开关磁阻电机调速系统成为了该领域的一个热点,也是本文研究的重点。首先,本文总结了国内外开关磁阻电机转子位置识别技术的研究成果。介绍了开关磁阻电机的基本结构和工作原理,对电机模型进行了分析,并分析了开关磁阻的基本控制策略。其次,对脉冲注入法的无位置传感器控制策略进行分析并进行了深入研究。本文详细分析了注入脉冲频率、激励时间等参数选取。基于开关磁阻电机脉冲注入法原理,对非导通相脉冲注入换相法进行分析,研究了启动、运行工作的导通逻辑。在脉冲电流峰值的获取上,提出了一种电流峰值计算方法,该方法根据开关磁阻电机电感模型的特点,研究了基于脉冲注入的电感极值处无位置传感器技术,通过对非导通相电感模型的建立,实现开关磁阻电机转子位置的识别。同时,考虑到实际应用中母线电压可能存在的波动影响,对单阈值的脉冲注入的无位置传感器方法进行了研究,并分析了无位置传感器脉冲注入法中位置估算误差问题。在MATLAB/Simulink中对上述三种无位置方法进行了建模与仿真分析,总结和评价优缺点。最后,本文在理论分析和仿真的基础上,介绍了基于TI公司TMS320F28335芯片的无位置传感器实验平台硬件结构和软件设计,针对一台15KW、三相6/4极矿用开关磁阻电机样机进行了实验,证明了方法的有效性和可行性。

关键词：开关磁阻电机无位置传感器脉冲注入非导通相

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面贴式永磁同步电机无位置传感器控制技术研究

面贴式永磁同步电机无位置传感器控制技术研究

引用

作者：高福隆哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

传统的交流伺服调速系统中需要传感器来实时检测电机的转速和位置信息,为了解决传感器带来的成本和使用环境等问题,无位置传感器技术成为了研究的热点。现阶段基于电机凸极特性提出的脉振高频注入法尽管实现了对面贴式永磁同步电机低速... 详细信息

传统的交流伺服调速系统中需要传感器来实时检测电机的转速和位置信息,为了解决传感器带来的成本和使用环境等问题,无位置传感器技术成为了研究的热点。现阶段基于电机凸极特性提出的脉振高频注入法尽管实现了对面贴式永磁同步电机低速运行的无位置传感器控制,但由于面贴式永磁同步电机自身并不具有凸极性,从而导致了控制系统的动态性能和稳态性能较差。为了进一步改善面贴式永磁同步电机低速下无位置传感器控制系统的性能,本文基于脉振高频注入法,进行了永磁同步电机无位置传感器控制系统的设计研究。首先,详细的介绍了现有的永磁同步电机无位置传感器控制技术,建立了永磁同步电机的数学模型,并在此基础上深入研究了脉振高频电压注入法永磁同步电机无位置传感器矢量控制的原理和实现方法,并对高频注入法进行误差分析,表明传统的脉振高频电压信号注入法所估计的转子位置存在较大的误差。其次,基于脉振高频电压注入法,设计了基于极点配置的位置观测器稳定性参数算法,并针对信号易受滤波器延迟影响问题进行了低通滤波器的设计。采用Simulink平台构建仿真模型,仿真结果显示改进后的系统动态性能以及稳定性能有了明显的提高。最后,完成了系统的硬件及软件设计,建立了伺服系统平台,分析了硬件部分主要的电路原理以及软件相关程序的作用及工作原理。对控制系统进行电机启动、正反转、负载运行实验,实验结果表明系统的响应速度快,稳态精度高,进而验证了所设计的方案的正确性。

关键词：永磁同步电机脉振高频注入无位置传感器矢量控制

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基于STAEKF的PMLSM无位置传感器控制系统研究

基于STAEKF的PMLSM无位置传感器控制系统研究

引用

作者：张世桃中国计量大学

学位级别：硕士

传统永磁直线同步电机（PMLSM）控制系统依赖于物理位置传感器检测电机位置与速度，增加了系统成本和维护难度，降低了系统可靠性。因此，PMLSM无位置传感器控制技术成为近年的研究热点。本文重点研究了PMLSM无位置传感器控制系统中的... 详细信息

传统永磁直线同步电机（PMLSM）控制系统依赖于物理位置传感器检测电机位置与速度，增加了系统成本和维护难度，降低了系统可靠性。因此，PMLSM无位置传感器控制技术成为近年的研究热点。本文重点研究了PMLSM无位置传感器控制系统中的核心问题——位置与速度估计问题，并对比分析了PMLSM矢量控制（FOC）系统和直接推力控制（DTFC）系统。\n 首先，在分析PMLSM机械结构和工作原理的基础上，建立了PMLSM数学模型。在分析FOC和DTFC原理的基础上，设计了PMLSM传统FOC系统和DTFC系统。分析了DTFC系统的推力脉动问题，并提出了一种推力脉动抑制方案。\n 其次，针对非线性系统估计中常用的扩展Kalman滤波（EKF）算法对模型准确性要求高，稳态后失去对突变状态跟踪能力的问题，引入了带次优渐消因子的扩展Kalman滤波（SFEKF）算法。针对电枢绕组温漂明显，容易影响估计结果的问题，将电枢绕组纳入SFEKF观测范围，改进了SFEKF观测器，提出STAEKF观测器。设计了基于STAEKF观测器的PMLSM无传感FOC系统和无传感DTFC系统，并利用STAEKF观测器估计PMLSM的位置和速度。\n 最后，在Matlab/Simulink环境中，搭建了上述系统的仿真模型，分析并比较了各系统的性能。建立了PMLSM无传感FOC实验系统，对无传感FOC系统做了实验分析与研究。经仿真和实验分析得出，FOC系统跟踪精度高，调速范围宽，但计算复杂；DTFC系统存在静止误差，推力脉动明显，但动态性能突出，且计算量小，易于实现。STAEKF观测器对PMLSM的位置和速度估计精度较高，鲁棒性较强，对模型失配具有良好的自适应能力，稳态后仍可保持对突变状态的跟踪能力。中低速段，无传感FOC系统估计精度比无传感DTFC系统高；高速段两种无传感控制系统估计精度均较高。但PMLSM无传感FOC系统动态性能较差，不适用于频繁启停，频繁调速的场合。

关键词：永磁直线同步电机无位置传感器控制系统位置估计速度估计

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内嵌式永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法研究

内嵌式永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法研究

引用

作者：毛杰浙江工业大学

学位级别：硕士

近年来，由于永磁同步电机具有高效率、高功率密度、可靠等优点，在高精度的电机控制系统中得到了广泛应用。而永磁同步电机需要精确的转子位置信号来实现磁场定向，传统做法是在电机转轴上安装机械式位置传感器来获取转子位置。安装传... 详细信息

近年来，由于永磁同步电机具有高效率、高功率密度、可靠等优点，在高精度的电机控制系统中得到了广泛应用。而永磁同步电机需要精确的转子位置信号来实现磁场定向，传统做法是在电机转轴上安装机械式位置传感器来获取转子位置。安装传感器不仅增加了系统的体积、成本，而且维护性差，降低了系统的可靠性，限制了其在一些特殊场合的应用。因此，无位置传感器控制成为电机控制技术领域的研究热点之一。\n 本文在概述永磁同步电机无位置传感器控制的发展背景、分析现有国内外无位置传感器控制方法的基础上，研究宽调速范围的无位置传感器矢量控制方法。主要的研究内容和成果如下：\n 首先，介绍永磁同步电机的结构、分类及特点，研究了永磁同步电机的数学模型，仿真分析了内嵌式永磁同步电机的凸极特性。\n 其次，研究了基于转子凸极效应的脉振高频电压注入法，给出了基于电机运动学模型构建龙伯格观测器设计方法，提出了一种判断转子初始位置磁极极性的两相互补脉冲电压注入法。通过仿真验证了所研究算法的有效性。\n 再次，在分析内嵌式永磁同步电机旋转坐标系下反电动势项的基础上，研究了适用于中高速估计基于龙伯格观测器的扩展电动势观测器法。并通过仿真验证算法可行性。\n 最后，采用加权方式实现两种估计方法地平滑过渡，实现内嵌式永磁同步电机宽调速范围的无位置传感器矢量控制。并详细讨论了电流、速度调节器参数的设计方法。设计了内嵌式永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统实验平台。并在该平台上完成了本文所提算法的实验验证。

关键词：永磁同步电机无位置传感器矢量控制伯格观测器脉冲电压

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无刷直流电机无位置传感器矢量控制技术研究

无刷直流电机无位置传感器矢量控制技术研究

引用

作者：李同豪南京航空航天大学

学位级别：硕士

无刷直流电机(BLDCM)具有结构简单、效率高、可靠性好等优点,在工业和商业等领域得到了广泛的应用。无刷直流电机常采用方波控制方式,但是该方式存在转矩脉动大,运行噪声大的不足。对于采用分数槽绕组结构而使得反电势呈现正弦波的无刷... 详细信息

无刷直流电机(BLDCM)具有结构简单、效率高、可靠性好等优点,在工业和商业等领域得到了广泛的应用。无刷直流电机常采用方波控制方式,但是该方式存在转矩脉动大,运行噪声大的不足。对于采用分数槽绕组结构而使得反电势呈现正弦波的无刷直流电机,可利用矢量控制进行控制,提高系统性能。对此,本文研究无刷直流电机无传感器矢量控制方式,主要研究内容如下:(1)根据对矢量控制和无刷直流电机的分析,建立了矢量控制条件下的无刷直流电机数学模型,以及对常见的几种控制策略分析比较,结合实际情况,选择di=0的矢量控制策略。(2)对无刷直流电机零/低速条件下的初始位置检测方法和起动方法进行了分析研究。分析比较了预定位法、等宽电压脉冲注入法和脉振高频注入法的优缺点,结合实际控制系统要求,选择等宽电压脉冲注入法作为转子的初始检测方法。同时对I-F单电流环的起动方法进行了详细的原理分析,并在物理实验平台中进行了验证。(3)在对滑模观测器的原理和抖振问题出现的原因研究的基础上,对传统滑模观测器进行了改进。新方案采用改进sigmoid函数代替传统的开关函数,并由锁相环结构提取转子位置和速度信息,并与传统的滑模观测器进行了Matlab仿真和物理实验对比,验证了改进滑模观测器在降低抖振和提高估计精度方面的有效性。(4)在设计的以STM32F103RCT6为主控芯片的系统物理实验平台上,进行系统下位机和GUI上位机软件编程和调试,实现了无刷直流电机在无位置传感器的条件下的矢量控制,验证了本方案的可行性和正确性。

关键词：无刷直流电机无位置传感器矢量控制起动方法滑模观测器

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