永磁同步电机调速系统无位置传感器控制技术研究

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2、传感器控制技术研究作者：吴春学科专业：电机与电器指导教师：齐蓉教授2015年11月ADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegreeofDoctorofPhilosophyResearchonSensorlessControlTechnologyforPermanentMagnetSynchronousMotorSpeedControlS

3、ystemByWuChunElectricMachinesandElectricApparatusSupervisedbyProf.QiRongNovember,2015西北工业大学博士论文摘要摘要永磁同步电机以其结构简单、动态性能好、节能等优势，广泛应用于工业自动化、交通运输、航空航天等领域。高性能永磁同步电机调速系统需要转子位置和速度信号实现速度闭环控制，一般采用同转子轴安装的机械式传感器直接测量。但是，机械式传感器不仅增加了系统的重量和成本，降低了可靠性，并限制了其应用范围。因此，除去机械式传

4、感器，采用无位置传感器控制技术具有重要的应用价值和良好的经济效益。然而，永磁同步电机调速系统无位置传感器控制受脉宽调制电压型逆变器（PWM-VSI）非线性因素、电机参数不准确、电机非理想模型等影响，降低了位置估计精度和调速系统动态性能。针对上述问题，深入分析了其成因，并提出了提高位置估计精度和调速系统动态性能的方法，主要工作和创新点有：针对永磁同步电机调速系统受PWM-VSI非线性因素影响而导致电压、电流畸变，转矩、转速脉动等问题，考虑了死区时间，功率管和续流二极管饱和压降，功率管开通、关断延时等非

5、线性因素，建立了PWM-VSI非线性因素数学模型，将其对系统的影响看成直轴、交轴电压中引入了电压扰动，分析了该扰动对电流环、转速环的影响，提出了一种全新的角度域重复学习控制器的复合补偿策略，并分析了角度域重复学习控制器的参数选择和稳定性条件。仿真和实验结果表明该方法对系统模型依赖小，调整参数容易，有效提高调速系统动、静态性能。针对永磁同步电机调速系统无位置传感器控制需要准确电机参数的问题，提出了一种无迹卡尔曼滤波（UKF）的多参数辨识算法，将定子电阻、永磁体磁链、直轴电感和交轴电感四个参数当做状态，

6、参数估计问题转变为非线性系统状态观测问题。研究了多参数可同时辨识的条件，通过在直轴参考电流中加入激励电流，使非线性系统能观性矩阵满秩，并对PWM-VSI非线性因素进行补偿，提高参数辨识精度。同时，比较了UKF与扩展卡尔曼滤波（EKF）、递推最小二乘算法在参数辨识收敛域、辨识精度、收敛速度和抗测量噪声能力等方面的性能，归纳出各种方法的优缺点。仿真和实验结果表明，UKF可得到准确的电机参数，该参数可用于永磁同步电机无位置传感器控制。为了实现一种简单可靠的永磁同步电机调速系统全程无位置传感器控制，提出了一

7、种考虑磁场饱和效应的全程无位置传感器控制策略。电机通过I/F启动，I西北工业大学博士论文摘要达到一定转速后采用电流切换和位置切换使转速和电流平滑切换至UKF无位置传感器闭环控制。在UKF无位置传感器控制速度闭环中，考虑了磁场饱和效应，建立了时变电感模型，并补偿了滤波器造成的信号相位偏移，实验结果表明该策略提高了位置估计精度和系统动态性能。同时，通过实验比较了UKF与EKF在无位置传感器控制上的性能差异。研究了永磁同步电机调速系统静止和低速时两种高频注入法——旋转高频电压注入法（旋转法）和脉振高频电压

8、注入法（脉振法）的位置估计误差来源，归纳为电流信号提取过程造成的误差和电机非理想模型导致的误差。分析了定子电阻、滤波器、系统离散化、锁相环等对旋转法和脉振法位置估计的影响，提出了位置估计误差的补偿方法以及UKF直接位置估计法。同时，分析了交叉饱和效应和多凸极效应对高频注入法位置估计的影响，并提出了交叉饱和效应过补偿和角度域重复学习控制的多凸极解耦策略。仿真和实验结果表明，所提策略均有效提高转子位置估计精度，提升调速系统动态性能。关键词：永磁同步电机，脉宽调制电压型逆变