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内置式永磁同步电力电机无位置传感器控制研究

时间:2018-01-18 18:23来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程论文,本文利用 ADALINE 对输入信号指定频率谐波成分具有理想阻带特性,通过多个 ADALINE 实现多特定反电动势谐波量的消除,并实现位置观测误差脉动抑制。
第1章 绪 论
 
1.1 课题背景及研究的目的和意义
目前,能源紧缺成为制约我国可持续发展的突出问题,有效利用现有能源并发展新能源成为应对资源紧缺制约瓶颈的重要手段。在我国以及欧美等发达国家,电机是最主要的工业耗能设备,所耗电量约占总用电量的 70%。据 2013年工信部《电机能效提升计划》数据统计,我国电机效率平均比发达国家低3%-5%,电机系统运行效率低 10%-20%,低效电机的大量使用造成巨大的用电浪费[1]。工业领域电机能效每提高一个百分点,可年节约用电 260 亿千瓦时左右。若从整体上提升效率 5%-8%,每年可实现节电 1300-2300 亿千瓦时,相当于 2-3 个三峡电站的发电量,经济、生态和社会效益十分可观。与感应电机(Induction Motor, IM)相比,永磁同步电机(Permanent Magnet SynchronousMotor, PMSM)具有高效率、高功率密度、高功率因数和高动态性能等优点;尤其是内置式永磁同步电机(Interior PMSM, IPMSM)永磁体用量少、结构坚固、弱磁能力强、凸极特性显著,具有广泛的应用需求[2-5]。推动高效永磁同步电机驱动系统开发及应用,对当今资源约束趋紧的发展环境有重要意义,随着现代电力传动水平日益提高,研究高性能、高可靠性、低成本电驱动系统极为迫切。变频调速永磁同步电驱动系统已经在节能、提高系统功率密度和动态品质等方面取得了显著成效,而其实现则依赖于准确的转子位置信息获取。通常的做法是在电机轴端安装机械位置传感器,如增量或绝对式的数字编码器,或者旋转变压器等[6-8]。目前,对于永磁同步电机驱动应用系统,绝大多数采用安装传感器表贴式永磁同步电机(Surface-Mounted PMSM, SPMSM)驱动方式,然而安装传感器不仅增加了系统成本和复杂度,不便于工业现场应用,而且当传感器出现故障时将严重影响控制系统性能,严重时甚至造成变频器过流停机,位置传感器已成为永磁同步电机驱动系统的主要故障源[9,10]。内置式永磁同步电机无位置传感器控制方案具有独特的优势,可以实现高性价比、高可靠驱动系统,具备替代传统安装传感器表贴式永磁同步电机驱动方式的基本条件,在航天国防、交通运输、装备制造、工业传动以及家用电器诸多领域都具有广阔的应用前景[6,11-13]。
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1.2 课题的国内外研究现状
由于具备广阔的应用前景和显著的优势,交流永磁同步电机无位置传感器控制技术受到了学术和企业界的广泛关注,近年来无传感器控制一直是国际电机驱动系统领域的热门研究方向。自 2010 年起,针对无传感器控制系统研究领域,每年举办 IEEE 系列国际学术会议“IEEE International Symposium onSensorless Control for Electrical Drives (SLED)”,其目的在于探讨如何更好地将无传感器控制技术应用到电驱动系统中[17]。目前,按照永磁同步电机无传感器控制转速有效运行范围,通常分为中高速和低速/零速两类无位置传感器技术,分别依据电机基频模型和凸极特性得以实现[6,16,18-20]。下面将对关键技术及问题的国内外研究现状和发展趋势进行分析。如图 1-1 所示为基于模型法的 PMSM 无位置传感器控制原理框图。通常情况下,如图 1-2 所示,基于模型法的位置/转速观测可分为三部分,即反电动势或磁链信息观测、位置误差信号解耦和位置/转速跟踪器[18]。根据反电动势或磁链信息观测方法的不同,较常见的模型法包括模型参考自适应法[22,23]、扩展卡尔曼滤波器法[24,25]、磁链观测器法[26,27]、状态观测器法[28,29]以及滑模观测器法[30-33]等。滑模观测器方法通过变结构控制实现位置误差信号收敛,对参数变化具有较强的鲁棒性;由于反馈增益矩阵结构的多样性,通过对其合理设计,状态观测器法能够实现对多种复杂工况的适应性。文献[18]通过对比并测试 4 种不同模型法后发现,稳态情况下位置误差信号具有统一形式,且 d轴电压扰动和 q 轴电感不确定性是位置观测误差的主要来源。在获取反电动势或磁链信息后,通过简单的代数运算或三角函数运算就可以解耦出位置误差信号,比例积分(Proportional-Integral, PI)跟踪器和 Luenberger 观测器是用于跟踪最终位置/转速信息的两种主要途径[18]。
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第2章 无滤波器误差信号解耦的高频方波注入法
 
2.1 引言
现阶段,根据适用转速范围不同,PMSM 无位置传感器控制可粗略分为两类:一类方法是适用于中高速无位置传感器运行的模型法,即利用 PMSM基频激励的反电动势或磁链信息实现位置/转速信息观测;另一类方法是适用于低速/零速运行的基于凸极追踪的方法,即利用转子凸极特性(结构性凸极或饱和性凸极)获取转子位置信息[6,12,13,19]。比较常见且成熟的方法是高频信号注入法,包括高频正弦信号注入和高频方波注入等[12,38]。在高频信号注入法具体实施过程中,通常需要采用滤波环节实现载波信号分离,即通过陷波滤波器或低通滤波器提取电流基频成分实现电流反馈,通过带通滤波器或高通滤波器提取高频响应信号实现位置信息解耦[15,65]。此外,在转子位置跟踪过程中,需要采用低通滤波器降低噪声干扰,实现平滑转速观测。然而,滤波环节的引入限制了控制器和跟踪器的带宽,降低了 PMSM 无位置传感器控制系统动态性能。本章在分析注入方波电压及其电流响应信号时序基础上,研究一种基于无滤波器载波分离的高频方波信号注入法,实现 PMSM 低速/零速无位置传感器控制运行。基于磁饱和效应,研究一种注入不间断的初始位置辨识方法,实现静止和自由运行条件下 PMSM 转子磁极初始位置辨识。
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2.2 无滤波器高频方波信号注入法
实现位置误差信号解耦后,需要通过位置跟踪观测器完成转子位置/转速信息估计,本文采用基于 IPMSM 机械模型的 PID 类型 Luenberger 位置跟踪观测器,其原理框图如图 2-5 所示。传统解决方案是从节点 获取转速信息,然后通过 LPF 滤除测量噪声进而实现转速观测。然而,引入 LPF 会降低位置跟踪观测器转速观测和速度环带宽,进而降低系统动态性能[15]。为了解决上述问题,消除 LPF 对系统带宽影响,本文采用一种改进的位置跟踪器,调整转速观测值获取方式,从节点 提取转速信息。通常情况下,如图 2-2 所示,需要采用带阻滤波器(Band-Stop Filter, BSF),包括低通滤波器或者陷波滤波器等实现载波信号分离,进而构成电流闭环;采用带通滤波器(Band-Pass Filter, BPF)提取载波信号,进而解耦出位置偏差信息。然而,滤波器环节的采用限制了系统带宽,降低了位置观测响应速度;并且高阶滤波器的应用会占用较多系统资源。如图 2-6 所示为注入方波电压信号频率与 PWM 载波信号频率相等时,同步 γ-δ 轴系下注入高频电压信号和高频响应电流信号时序图[61]。基于此,本文研究一种无滤波器载波信号分离策略。
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第 3 章 基于 ADALINE 的模型法位置误差脉动抑制........38
3.1 引言 ..... 38
3.2 基于有效磁链模型的滑模观测器 .... 38
3.3 位置观测误差脉动分析 ........ 40
3.4 基于 ADALINE 的位置误差脉动抑制 ........ 43
3.5 实验验证 ........ 49
3.6 本章小结 ........ 62
第 4 章 基于双自适应矢量滤波器网络的逆变器非线性补偿 .......63
4.1 引言 ..... 63
4.2 逆变器非线性效应分析 ........ 63
4.3 基于 Dual-AVF-HDN 的逆变器非线性补偿策略 .............. 66
4.4 实验结果及分析 ........ 72
4.5 本章小结 ........ 84
第 5 章 低载波比运行条件下的无位置传感器控制策略 ....86
5.1 引言 ..... 86
5.2 IPMSM 离散时间域数学建模 .......... 86
5.2.1 连续时间域数学模型............ 86
5.2.2 离散时间域数学模型............ 87
5.3 离散时间域下电流调节器设计 ........ 90
5.4 离散时间域下全阶状态观测器构建............ 96
5.5 实验验证及分析 ...... 100
5.6 本章小结 .......112
 
第5章 低载波比运行条件下的无位置传感器控制策略
 
5.1 引言
通常情况下,在设计数字控制器和位置观测器时,一般首先建立系统连续时间域数学模型,并选取合适连续域的控制参数,最后通过工程上经常采用的欧拉方法进行离散化实现,该解决方案在载波比(PWM 载波频率与基波运行频率比,fratio)较高时能够实现较好的控制效果,控制器控制性能和位置观测器观测精度依赖于离散化方法。在中大功率和高速永磁同步电机驱动应用场合,为增加变频器出力、降低开关损耗,要求降低载波比。然而,载波比降低,将会产生较大的数字控制延迟,进而影响电流调节器动态解耦效果,并且对位置观测器稳定性及动态性能造成不利影响。此外,受离散化截断误差的影响,电流环控制性能和位置观测器有效性会进一步降低。为了克服上述问题,本章考虑 PWM 逆变器静止轴系电压钳位效应和数字控制延迟作用,建立永磁同步电机控制系统离散时间域下精确复矢量数学模型,基于零极点对消原理,采用直接离散化方法设计电流调节器,提高低载波比运行条件下系统动态解耦能力和鲁棒性。在此基础上,提出一种同步旋转轴系下全阶状态观测器,直接在 z 平面上完成观测器极点配置,进而实现永磁同步电机低载波比高性能无位置传感器控制。
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结 论
 
目前,永磁同步电机无位置传感器控制系统由于具有有效降低系统成本、增强系统可靠性和鲁棒性等优势,已经取得了显著的研究成果,并且推动了具有相关功能变频器的问世。然而,传统的永磁同步电机无位置传感器控制系统很难在一些高性能场合中进行应用。为了适应现代高性能电驱动系统发展及应用需求,需要对高动态品质内置式永磁同步电机无传感器控制系统蕴含的关键科学问题进行深入研究。本论文完成的主要工作和结论总结如下:
(1)研究了一种基于无滤波器载波分离策略的高频方波注入法和初始位置辨识方法,提高了 PMSM 无位置传感器低速/零速运行的动态响应能力。分析了传统高频信号注入方法采用滤波环节实现位置误差信号解耦和转速/位置信息跟踪限制系统带宽和动态性能的机理。在分析注入高频方波电压信号和响应电流时序基础上,研究一种无滤波器载波分离策略,简化了信号处理复杂程度、减少滤波环节并增强系统动态性能。所研究方法能够在 2kHz PWM 开关频率下,达到 180Hz 电流环带宽和 20Hz 转速环带宽。基于磁路饱和效应,研究了一种具有较快收敛速度的初始位置辨识策略,在不中断方波注入基础上完成转子磁极极性判断,实现了 PMSM 转子静止或自由运行状态下快速、准确地初始位置辨识。
(2)研究了一种基于 ADALINE 网络的位置观测误差脉动抑制策略。通过分析基于静止轴系有效磁链模型状态观测器误差源及特性,揭示了逆变器非线性、磁饱和及磁场空间谐波引起的转子位置观测谐波误差的机理,并建立了考虑反电动势谐波的永磁同步电机数学模型。在此基础上,基于自适应对消原理,提出一种基于 ADALINE 网络的改进有效磁链模型转子位置观测方法。通过基于 LMS 或者 RLS 自适应权重更新算法,保证 ADALINE 网络的快速收敛性。利用 ADALINE 对输入信号指定频率谐波成分具有理想阻带特性,通过ADALINE 实现多特定反电动势谐波量(1±6k 次)的消除,并实现了位置观测误差脉动抑制,从而提高正交软件锁相环获得转子位置信息的精度。
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参考文献(略)
 
(责任编辑:工程论文)
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