PMSM DTC無(wú)傳感器運(yùn)行及傳感器集成研究.pdf

1、目前，電力電子技術(shù)的發(fā)展已處于十分關(guān)鍵時(shí)刻，電力電子系統(tǒng)集成技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化技術(shù)是解決電力電子技術(shù)發(fā)展面臨的障礙、進(jìn)一步拓展電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域最有希望的出路，系統(tǒng)集成已成為電力電子技術(shù)新的發(fā)展方向。電力電子系統(tǒng)集成包含電力電子子系統(tǒng)的集成和電力電子應(yīng)用系統(tǒng)的集成兩個(gè)層次的含義。作為電力電子應(yīng)用系統(tǒng)集成的高性能的電力電子集成傳動(dòng)系統(tǒng)，不僅應(yīng)包含集成化的電力電子功率變換模塊和濾波器模塊，還應(yīng)包含集成化的傳感器模塊，用它將電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和

2、速度的估計(jì)、端電壓和電流的檢測(cè)、轉(zhuǎn)矩和磁鏈的觀測(cè)等三類(lèi)傳感器的功能集成于一體。其中，電壓和電流信號(hào)可通過(guò)霍爾器件直接檢測(cè)獲得，而轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速、磁鏈和轉(zhuǎn)矩信號(hào)須通過(guò)一定的算法估算獲取。本論文從系統(tǒng)集成的角度對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制無(wú)傳感器運(yùn)行和傳感器集成技術(shù)進(jìn)行了深入研究，研究的基本理論問(wèn)題主要包括：①PMSM轉(zhuǎn)子初始位置自檢測(cè)；②高精度的PMSM定子磁鏈觀測(cè)器；③PMSMDTC轉(zhuǎn)矩、磁鏈、電流脈動(dòng)的消減技術(shù)；④適合PMSMDTC無(wú)傳

3、感器運(yùn)行的速度估算算法；⑤傳動(dòng)系統(tǒng)用概念性集成傳感器模塊。 具體內(nèi)容如下：1.研究傳統(tǒng)PMSMDTC的運(yùn)行機(jī)理，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以總結(jié)、歸納出PMSMDTC無(wú)傳感器運(yùn)行研究中需要解決的問(wèn)題。 2.將有限元仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合研究了基于脈振高頻電壓信號(hào)注入的PMSM轉(zhuǎn)子初始位置自檢測(cè)。利用注入電機(jī)中的高頻信號(hào)引起d、q軸磁路飽和程度的差異實(shí)現(xiàn)了隱極、凸極兩種PMSM轉(zhuǎn)子初始位置自檢測(cè)，再利用定子鐵芯的非線性磁

4、化特性，通過(guò)注入脈沖的方法，進(jìn)一步判斷出永磁體的N、S極極性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子初始位置自檢測(cè)誤差小于5°電角度，滿足PMSM起動(dòng)、定位要求，為PMSM高性能控制策略的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了前提條件。 3.提出適合PMSMDTC應(yīng)用的非線性正交反饋補(bǔ)償磁鏈觀測(cè)器。在PMSMDTC及其無(wú)傳感器運(yùn)行中，定子磁鏈的準(zhǔn)確觀測(cè)十分重要，磁鏈觀測(cè)的準(zhǔn)確性可通過(guò)與反電勢(shì)的正交性來(lái)判斷。若觀測(cè)的磁鏈和反電勢(shì)不正交，則必須進(jìn)行磁鏈補(bǔ)償；若觀測(cè)的磁鏈和反電勢(shì)正

5、交，則無(wú)需磁鏈補(bǔ)償。但這必須基于磁鏈及反電勢(shì)為連續(xù)函數(shù)的條件才能實(shí)現(xiàn)?？紤]到PMSMDTC下定子磁鏈和反電勢(shì)非連續(xù)的特點(diǎn)，必須對(duì)其加以平滑使之連續(xù)才可進(jìn)行矢量點(diǎn)積，本文對(duì)定子磁鏈和反電勢(shì)信號(hào)設(shè)計(jì)了平滑處理電路，并通過(guò)正交性判斷確定磁鏈補(bǔ)償程度，實(shí)現(xiàn)了定子磁鏈的準(zhǔn)確觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種觀測(cè)器能在寬速度范圍內(nèi)精確地估計(jì)電機(jī)定子磁鏈，由此實(shí)現(xiàn)的DTC仍保持了傳統(tǒng)DTC固有的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速的優(yōu)點(diǎn)。 4.將滑模變結(jié)構(gòu)控制策略引入PMSM

6、DTC中，構(gòu)成滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制(VSS-DTC)。根據(jù)指數(shù)趨近律設(shè)計(jì)出的滑?？刂破?，能有效改善系統(tǒng)正常運(yùn)動(dòng)段的動(dòng)態(tài)品質(zhì)；用連續(xù)函數(shù)代替開(kāi)關(guān)函數(shù)，能有效減小系統(tǒng)高頻抖動(dòng)；采用滑?？刂破鞔?zhèn)鹘y(tǒng)DTC中的滯環(huán)調(diào)節(jié)器，能實(shí)現(xiàn)空間電壓矢量調(diào)制，保證逆變器開(kāi)關(guān)頻率恒定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，VSS-DTC能克服傳統(tǒng)DTC中電流、轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)較大的缺陷，有效抑制系統(tǒng)高頻噪聲，同時(shí)仍保持DTC固有的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速和系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，有效地改善了DTC

7、系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)運(yùn)行性能。 5.提出基于瞬時(shí)功角檢測(cè)的速度估算方案，計(jì)算簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，隱極和凸極兩臺(tái)PMSM無(wú)傳感器運(yùn)行仿真表明，該估算方案對(duì)不同類(lèi)型PMSM具有普遍性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PMSMVSS-DTC無(wú)傳感器方式運(yùn)行調(diào)速范圍寬，低速起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)、靜態(tài)性能優(yōu)異，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 6.對(duì)傳感器集成模塊的硬件結(jié)構(gòu)和軟件功能進(jìn)行了詳細(xì)的討論，首次構(gòu)建了概念性傳感器集成模塊，豐富了電力電子系統(tǒng)集成模塊的類(lèi)型，并采