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基于电力电子系统集成概念的PMSM无传感器控制研究

秦峰

  电力电子系统集成已经逐渐成为电力电子技术的发展方向。所谓电力电子系统集成包含两个层次的含义:一个是模块级的集成,即电力电子子系统的集成;另一个是系统级的集成,即电力电子应用系统的集成。电力电子集成传动系统作为一种电力电子应用系统的集成,不仅需要集成化的电力变换模块,还需要能够将电机转子位置和速度的估计、端电压和电流的检测、转矩和磁链的观测等三类传感器的功能集成于一体化的集成传感器模块。在集成传感器的构想中,最难实现的是全速度范围内转子位置和速度的检测。对此,本文从电力电子集成的崭新视角,对无位置/速度传感器控制技术和集成传感器模块进行了从理论到实验的探索性研究,其主要工作及成果有:一、详细讨论了三种高频信号注入法—旋转高频电压信号注入法、旋转高频电流信号注入法和脉振高频电压信号注入法的工作原理及其在永磁同步电机无位置传感器运行控制中的应用,并对其进行了全面的仿真研究和比较。研究表明,高频电流信号注入法对电流调节器的要求比较高,而且系统的动态性能较差,因此应用较少。脉振高频电压信号注入法的系统结构简单,静、动态调速性能较好,但不容易调试;而旋转高频电压信号注入法虽然系统比较复杂,却更易于实现,因此应用最广。高频信号注入法对电机参数的变化不敏感,具有较强的鲁棒性,在低速甚至零速时也能获得比较好的跟踪精度,特别适合于低速区域。二、对基于模型参考自适应法的转子位置自检测方法进行了详细的理论分析和仿真研究,并在此基础上首次提出了一种基于旋转高频电压信号注入法和模型参考自适应法相结合的转子位置自检测复合方法。该方法在低速时采用旋转高频电压信号注入法确保低速时转子位置和速度的检测精度,高速时采用模型参考自适应法确保快速的动态响应,确保了在包含零速在内的全速度范围内均能实现转子位置/速度的准确检测和控制。三、首次提出了电力电子集成传感器的概念,详细介绍了“概念性”传感器模块的硬件结构、软件功能和其在电力电子集成传动系统中的应用方式。该模块能够通过检测电机的电压和电流,利用相应的信号处理技术获得转子的位置和速度、磁链和转矩,从而获得了实现电机高性能控制所需的一切反馈量。传感器模块可配合集成化的电力变换模块,方便、简洁和可拓展地构成高性能的集成电力电子传动系统。四、首次构建了以“概念性”传感器模块为基础的PMSM无位置传感器矢量控制系统,分别实现了基于高频信号注入法、基于模型参考自适应法和基于复合方法的三种无传感器矢量控制系统的实验研究。实验结果表明,转子位置自检测复合方法结合了两种方法的优点,在全速范围内都具有良好的静、动态性能。……