张越雷[1]2016年在《变速永磁同步发电系统关键技术研究》文中指出变速永磁同步发电机PWM整流器具有发电机电流谐波分量小、功率因数可调、直流电压波动小、能量可双向流动等特点,可广泛应用于特种车辆供电、船舶供电、混合动力汽车、新能源发电等领域。本文以变速永磁同步发电系统为研究对象,采用理论分析、软件仿真以及实验验证相结合的研究方法,主要在PWM变流器控制下永磁发电机的设计与优化、变速永磁同步发电系统的控制策略、永磁同步发电机谐波分析与抑制等方面进行了研究,具体内容如下:首先,本文介绍了变速永磁同步发电系统的基本结构,阐述了发电机和变流器的基本工作原理,建立了永磁同步发电机和PWM整流器的数学模型,为后续各章节的研究工作奠定基础。研究了变速永磁同步发电机在变流器控制条件下的运行特性,对PWM变流器isd=0矢量控制条件下永磁发电机的定子电压平衡方程、直流母线电压与定子电压之间的约束关系进行了推导;对永磁发电机定子电压和功率因数会随电磁功率变化而改变的规律进行了研究,阐明了变速永磁同步发电系统有功功率调节的基本原理;对变速永磁同步发电系统机侧变流器在isd=0矢量控制条件下的重要运行特点进行了提炼。其次,本文对PWM变流器控制下永磁发电机的设计与优化进行了深入研究。永磁同步发电机(PMSG)与变流器构成可控发电系统后,其定子侧接入电压不再是幅值恒定的连续正弦波,而是包含多种谐波的脉宽调制波。因此永磁发电机的电压、电流以及运行特性都受到PWM变流器的控制方法、器件参数等因素约束,传统直接并网的同步发电机设计与分析模型不再适用于变速永磁同步发电机中。本文将经典电机设计理论中的“磁路计算”和“参数计算”方法与变速永磁同步发电机的矢量控制基本原理相结合,提出了一种变速永磁同步发电机的设计分析模型。基于该模型,运用模拟退火算法(Simulated Annealing,SA)对840kW的永磁同步发电机进行了以效率最优为目标的优化设计,对电机的主要尺寸、槽型进行了进一步优化,得到了电机更加理想的运行效率。最后运用有限元方法和MATLAB仿真分析,对840kW永磁同步发电机进行了空载有限元仿真和负载情况下的运行仿真,通过仿真结果验证了本文所提出的优化设计方法具有工程使用价值。再次,本文对变速永磁同步发电系统PWM变流器控制策略进行了研究。在PMSG-PWM相量图和数学模型的基础上,对变流器isd=0、恒端电压和单位功率因数叁种控制策略进行了研究,理论分析并推导了变速永磁同步发电机在不同控制策略下的稳态运行特性,总结了发电机定子相电压、相电流、功率因数和极限功率的变化规律。并且基于这叁种控制策略,提出了一种适用于变速永磁同步发电系统的复合控制策略,使永磁同步发电机可以适用不同负载不同转速时的各种工况,提高了发电机的运行效率。文章在分析了永磁同步发电机模型的基础上,提出一种基于估算电流模型的无速度传感器控制方法,该方法根据已知的参数得到等效电机模型推算出估算电流值,以检测到的实际电流值和估算电流值之间的误差来校正估算速度,再对估算速度积分得到转子位置。该方法在高速运行时非常稳定,最大速度误差低于0.2%,低速运行带载能力强,这大大扩展了永磁同步发电机的运行范围,克服了传统算法适用范围有限、鲁棒性差、与其他算法结合存在状态切换导致不稳定的缺点。然后,本文对永磁同步发电机谐波分析与抑制进行了研究。在变速永磁同步发电机中,由于电机铁心开槽引起的气隙磁导不均匀和定子绕组空间分布不均匀会产生空间谐波磁场,并且永磁同步发电机和PWM变流器相连,变流器的调制使定子电流含有时间谐波而产生的磁场,从而产生谐波损耗。因此,对变速永磁同步发电系统中的谐波产生机理进行分析显得尤为重要。本文对永磁同步发电机的空间谐波磁动势进行了分析,并且针对整流器常用的SVPWM调制方法,分析了基于矢量控制的SVPWM调制策略下,调制比与载波频率对永磁同步发电机各区域损耗的影响,并应用Ansoft联合仿真对SVPWM调制策略下调制比与载波频率对永磁同步发电机谐波损耗影响的规律进行研究。最后,本文对变速永磁同步发电系统进行了实验研究。完成了840kW交流永磁发电系统样机的设计和制造,搭建了840kW永磁同步发电机整流器的实验平台,论文介绍了样机的系统组成,然后,对系统部分硬件电路及控制软件进行了设计,最后通过实验样机进行实验,对本文提出的电机分析和设计理论及PWM整流器的控制策略进行了实验验证,对实验数据进行了处理,对实验结果及实验波形进行了分析。实验结果验证了本文相关理论分析和所提设计方法的正确性和有效性。
廖勇, 张凤蕊[2]2004年在《无传感器矢量控制系统及其速度估算的研究》文中进行了进一步梳理基于同步轴系下的感应电动机电压磁链方程式,提出了一种感应电动机转子磁场定向的矢量控制方法,利用在同步轴系中q轴电流的误差信号实现对电动机速度的估算。在该无传感器矢量控制系统中,由于采用了经典的PI调节器,使得控制系统更为简单。最后利用MATLAB建立仿真模型,通过仿真验证了该控制系统具有良好的动态和静态性能。
王静[3]2012年在《基于无传感器的电动汽车电机控制技术研究》文中认为新型永磁材料的出现，极大的促进了永磁同步电机的发展，永磁同步电机由于高运行效率和功率密度，被广泛应用于电动汽车上。矢量控制方法是目前技术最为成熟的永磁电机控制方法，但它的高性能控制需要精确的转子位置来完成闭环控制。在传统的永磁同步电机运动控制系统中，通常采用光电编码器或旋转变压器来检测转子的位置和速度。然而，这些传感器增加了系统的成本，并且降低了系统的可靠性。为了克服这些缺陷，无传感器控制技术被提出并逐渐成为电机控制研究的热门方向之一。本文首先建立了永磁同步电机的数学模型，深入研究了永磁同步电机的矢量控制理论，并在此基础上讨论了永磁同步电机的矢量控制方案。针对常规正弦脉宽调制方法存在的不足，本文将空间电压矢量脉宽调制（Space-voltage Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)技术应用到矢量控制系统中，有效地减小了电流谐波成分，抑制了转矩脉动，同时也提高了直流母线电压的利用率，拓宽了系统的调速范围。在矢量控制方案的基础上，阐述了并行扩展卡尔曼无位置算法（EKF)原理及在本系统中的应用，导出了永磁同步电机在静止坐标系下的扩展卡尔曼方程，设计了角度、速度锁相环结构，给出了永磁同步电机并行扩展卡尔曼无位置传感器调速系统控制框图。在MATLAB/Simulink中构造了基于SVPWM和并行扩展卡尔曼滤波器的永磁同步电机矢量控制系统仿真模型，实现了无位置传感器在电机控制中的应用。仿真结果验证了扩展卡尔曼滤波滤波算法在无位置传感器电机控制中的有效性和合理性。最后，在Expert3上搭建永磁电机无传感器矢量控制实验系统，基于PE-View9集成开发环境进行了永磁同步电机无传感器矢量控制系统的软件设计，系统的软件部分采用基于DSP的C语言编程实现，编写了系统的主程序、各功能子模块和PWM中断处理程序并给出了相关的流程图。在搭建的硬件平台上，对程序进行了大量调试，以减小转矩脉动，提高系统的动静态特性。实验结果验证了理论及设计方案的正确性和可行性，可以满足驱动的设计要求。
张凤蕊[4]2004年在《无传感器矢量控制系统及其速度估算的研究》文中认为交流电动机是一个多变量、高阶、强耦合的非线性系统，不象直流电机那样易于控制转矩，采用矢量控制技术可解决传统交流调速的难题，使交流电机可以按直流电机的控制规律来进行控制，而无传感器矢量控制技术由于可以省去速度传感器，使相应的交流调速系统变得简便、廉价和可靠，所以成为当前研究的热点，本论文工作就是这方面的一个尝试。 论文首先介绍了矢量控制技术的基本理论。对感应电动机在叁相静止坐标系下强耦合和互感变参数的数学模型，通过坐标变换，导出感应电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型，然后将同步坐标系按转子磁场定向，实现了对转子磁链和转矩的分别控制，从而可以按直流电机的控制规律来控制交流电机。 其次，论文基于同步轴系下的感应电动机电压磁链方程式，提出了一种感应电动机按转子磁场定向的矢量控制方法，利用在同步轴系中T轴电流的误差信号实现对电机速度的估算，这种速度估算方法结构简单，有一定的自适应能力。同时在该无传感器矢量控制系统中，由于采用了经典的PI调节器，使得控制系统更为简单易行。 论文利用MATLAB建立了该无传感器矢量控制系统的仿真模型。为提高系统的适应性和仿真结果的准确性，仿真模型采用了标么值系统，并考虑了控制周期和采样信号周期对仿真结果的影响。讨论了离散控制引起的相位补偿问题，使仿真结果更接近实际工程系统。 最后，通过仿真进一步验证了本文提出的无传感器矢量控制系统的正确性和可行性，也证明了速度估计模型对速度估计准确，且对参数的变化有较强的鲁棒性。
张伯泽[5]2016年在《内置式永磁同步电机无位置传感器复合控制研究》文中研究表明准确检测转子位置,是实现永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)正常起动与调速控制的关键。通常,PMSM转子位置是用光电码盘、磁编码器、旋转变压器等传感器实现的,这些传感器保证了PMSM的可靠起动与运行,但存在成本高、占用额外的空间、需要电缆连接和配套的电路、可靠性差等缺点,限制了PMSM的应用。为了克服有位置传感器存在的问题,研究开发可靠的无位置传感器控制技术,成为一种客观需求。目前,无位置传感器控制总体上还处于研究和开发阶段,只有部分产品开始实用化。无位置传感器控制的进一步推广,还有许多理论和技术问题尚待解决。更为重要的是,迄今仍没有一种成熟的方法可以独立实现PMSM无位置传感器的全速范围控制。正是在这一背景下,以内置式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM)为研究对象,开展了无位置传感器控制的研究,在IPMSM无位置传感器矢量控制领域做了一些有意义的探索。主要工作及成果如下:(1)在分析PMSM物理模型的基础上,推导了坐标变换的原理和同步旋转坐标系下IPMSM的数学模型;分析了IPMSM矢量控制系统,深入讨论了IPMSM最大转矩电流比控制(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)、0sdi=控制、单位功率因数控制、弱磁控制、最大功率输出控制方法;分析了两电平逆变器的拓扑和工作原理,对SVPWM控制方法进行了深入的研究,推导了参考矢量的合成过程,给出了扇区1的驱动波形。建立了IPMSM矢量控制仿真模型,验证了闭环矢量控制系统模型的有效性。(2)基于模型参考自适应系统(MRAS),设计了中速和高速区IPMSM位置估算系统。将不含待估参数的IPMSM本身作为参考模型,将含有待估参数的IPMSM数学模型作为可调模型,这两个模型有相同的输出物理量。参考模型与可调模型的输出之间存在偏差,用这个偏差构造了一种合适的自适应律,控制可调模型的输出追踪参考模型的输出,从而产生较准确的位置估算。应用Popov超稳定理论,证明了基于MRAS的IPMSM位置估算系统是稳定的。建立了仿真模型,进行了大量的调试,对该控制方法进行了验证。(3)基于高频旋转电压注入法,设计了零速和低速区IPMSM位置估算系统。将高频旋转电压矢量迭加在基波电压矢量上一起注入IPMSM,提出了IPMSM的混合模型,从混合模型中分离出基波数学模型用于矢量控制,从混合模型中分离出高频数学模型用于位置估算。详细推导出了高频电流响应,提出了一种新型高频电流信号提取方法和位置估算方法,先从整个电流信号中提取高频电流响应,再从高频电流响应中提取出负序高频电流分量,之后用提出的位置估算方法从负序高频电流响应中估算出IPMSM转子位置;对IPMSM转子初始位置的辨识进行了探讨,推导了IPMSM转子初始位置辨识的方法。设计了合适的低通滤波器(Low Pass Filter,LPF)和带通滤波器(Band Pass Filter,BPF),详细推导了LPF与BPF的数学模型和传递函数,并分析了其稳定性。建立了详细的仿真模型,进行了大量的调试,验证了提出方法的有效性、可行性。(4)针对零速和低速区、中速和高速区位置估算方法均不能独立实现IPMSM全速范围运行的问题,将高频旋转电压注入法与MRAS结合,提出了一种IPMSM无位置传感器复合控制方法,实现了IPMSM从零速到高速全速范围无位置传感器调速控制。针对转速切换时存在的速度跌落问题,提出了过渡区间内使用变权重加权控制法,实现了转速的平滑过渡。建立了仿真模型,对所提出的复合控制方法进行了验证,仿真结果证明了提出方法的有效性、可行性。(5)设计了硬件系统和软件系统,建立了IPMSM无位置传感器复合控制实验平台,进行了大量的硬件调试和软件调试,实现了IPMSM无位置传感器复合控制的成功运行,并给出了实验波形。设计了稳定、可靠和较高效率的开关电源,为整个硬件系统和软件系统提供直流工作电压,实验结果证明了设计的有效性。
冯瑛[6]2012年在《脉振高频电流注入永磁同步电机的低速无传感器矢量控制》文中研究表明永磁同步电机具有体积小、效率高和功率密度大等优点，因而被广泛应用于航空航天、医疗器械、仪器仪表和数控机床等领域。永磁同步电机矢量控制系统中，为获取转子位置和速度信息而安装的机械式位置传感器存在诸多弊端，限制了其应用场合。由此应运而生的无位置传感器技术成为了工业界和学术界的研究热点。本文着重对高频信号注入法进行研究，提出了脉振高频电流注入法，解决了低速和零速下的表贴式永磁同步电机无位置传感器控制问题。首先，在查阅学习国内外永磁同步电机相关文献基础上，对永磁同步电机系统及其无位置传感器控制技术的发展现状进行了阐述，简要归类列举了现有的无位置传感器控制方法。其次，在MATLAB/Simulink中建立了永磁同步电机矢量控制系统的模型，对有位置传感器下系统的动静态性能进行了仿真分析。然后，研究了传统的高频信号注入法，主要包括旋转高频电压/电流注入法和脉振高频电压注入法，并对表贴式永磁同步电机饱和凸极特性进行了分析；提出了脉振高频电流注入法，进行了理论推导和转子位置估算器结构设计，并且仿真研究验证了所提出方法的可行性和有效性；初步对比了定子电阻对高频电压注入法和高频电流注入法的影响，得出后者具有更强系统稳定性的结论。最后，针对一台1.5kW表贴式永磁同步电机，设计制作了基于TMS320F2812的永磁同步电机系统控制实验平台，实验验证了所提出的无位置传感器控制方案的可行性。
于加兴[7]2007年在《磁悬浮列车用直线同步电机控制系统的研究》文中研究指明高速磁悬浮交通系统是一种全新的轨道交通系统，高速磁悬浮列车利用电磁吸力或电动斥力将列车悬浮在轨道上，由长定子直线同步电机驱动运行，具有无接触运行、速度高、启动快、能耗低、环境影响小等诸多优点，世界上很多国家多对其进行了广泛研究。随着上海磁浮列车示范运营线的引进，我国磁悬浮列车技术的研究也进入了高速发展阶段。使用长定子直线同步电机驱动高速磁悬浮列车运行是高速磁悬浮交通系统的关键技术之一，研究适合长定子直线同步电机的控制方式对于推动我国高速磁悬浮交通系统的发展具有现实意义。本文首先分析了高速磁悬浮列车用长定子直线同步电机的等效电路，推导了长定子直线同步电机的推力方程。然后介绍了矢量控制与直接转矩控制的原理，在此基础上，针对长定子直线同步电机的双重作用，确定长定子直线同步电机采用矢量控制方式；根据高速磁悬浮系统本身的特点及矢量控制的要求，在列车不同运行速度下，对矢量控制中需要的磁极相角信息采用叁种不同的处理方式。低速时，通过传感器获取的固定周期的磁极相角值，采用线性插值的方法完成整个周期的磁极相角曲线；高速时，采用无位置速度传感器矢量控制方法——基于扩展反电势的估算法；介于高低速之间时，利用传感器获取的固定周期的磁极相角值，通过对误差的曲线拟合，校正观测器估算法所得的磁极相角值。在对以上叁种方法理论分析的基础上，利用MATLAB仿真工具对叁个运行阶段进行了仿真，仿真结果证明了上述方法的可行性。最后关于参数对估算法的影响进行了仿真。
韩彬彬[8]2014年在《基于滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制系统的研究》文中提出永磁同步电机是一种性能优越、应用前景广阔的电机。由于传统的永磁同步电机采用机械传感器来检测电机速度和转子位置，从而增加了控制系统的体积和成本，降低了系统的可靠性和耐用性，同时也限制了永磁同步电动机在一些特殊场合的应用。因此，去除机械传感器，运用软件算法来估算速度和磁极位置的无传感器控制方法，成为电机控制领域的一个研究热点。本文以永磁同步电动机在工业缝纫机上的应用为工程背景，以正弦波驱动的永磁同步电动机为研究对象，采用滑模观测器方法，研究并实现了永磁同步电动机的无传感器控制。论文的主要工作与研究如下：1.对滑模变结构控制原理作了详细探讨，给出滑模观测器的设计步骤，深入分析了滑模变结构控制引起“抖振”的原因，阐述了若干种削弱抖振的方法。2.在掌握PMSM数学模型和滑模控制原理的基础上，设计了一种鲁棒性好，控制算法简单，易于工程实现的基于滑模观测器的转子位置估算方法，并简要阐述了整个控制系统硬件电路的搭建以及软件流程图的设计。3.为了验证所提出方法的正确性和可行性，首先在MATLAB/SIMULINK环境下对所构建的无传感器永磁同步电机调速控制系统的模型进行仿真，然后在采用数字信号处理器TMS320F2812的伺服控制平台上对整个系统的硬件电路和软件实现做了研究。仿真和实验结果均表明基于滑模观测器的变结构控制方法能够在较宽范围内追踪转子实际位置，最终较好地实现了永磁同步电机的无传感器磁场定向控制。
赵丽杰[9]2007年在《研究MRAS算法在低速永磁同步电机无传感器调速系统中的应用》文中进行了进一步梳理无速度传感器矢量控制系统不仅省去了速度传感器,减小了系统装置的体积,降低了成本,而且提高了系统的运行精度和可靠性,具有较强的实用价值和经济效益。目前已有很多学者从事这方面的研究,并在仿真研究方面取得了一些成果,为实际应用奠定坚实的基础。本课题研究的是以高性能的TMS320F2812-DSP为控制核心的电压源型无传感器矢量控制系统。文中首先介绍了叁相永磁同步电机的数学模型,分析了模型参考自适应控制系统(Model Reference Adaptive Control System简称MRAS)的原理,阐述了叁相永磁同步电机转子磁场定向矢量控制和电压空间矢量脉宽调制的基本原理,推导了MRAS用于叁相永磁同步电机转子位置估算的算法,并且在此基础上将MRAS算法在采用id=0的控制策略条件下作了简化,提出一种简便算法。然后,对实现无速度传感器矢量控制系统的关键问题,在Matlab/Simulink仿真平台上建立各控制系统仿真模块,并结合矢量控制基本原理组成仿真模型进行了仿真。最后,在系统仿真图的基础上完成模块化的硬件实现,即以TMS320F2812为控制核心,采用智能功率模块IPM作为功率主回路,通过电流和电压检测电路构成闭环控制系统,编写了系统程序。文中分别将MRAS算法的两种形式估算的转速和转子位置作为反馈参数进行速度闭环控制,提出用MRAS估计的转子位置用于磁场定向,实现无速度传感器矢量控制。结果表明,MRAS算法的两种自适应率都可以精确地估计转速和转子位置,验证了本文所提出的无传感器矢量控制系统低速运行时具有良好的动态和静态性能。该矢量控制系统的研究为今后开发更高性能的变频调速系统奠定了良好的基础。
曹健安[10]2012年在《基于STM32的空调压缩机无位置传感器矢量控制》文中研究表明近年来,随着我国经济的发展,能源问题与环境问题的日益严重,国家对节能减排越来越重视。永磁同步电机由于体积小、功率密度高、效率和功率因素高等优点得到了国内外相关领域学者和研究人员的广泛重视,越来越多的空调厂商把永磁同步电动机应用在变频空调压缩机中。永磁同步电机(PMSM)变频驱动压缩机是家用空调节能技术发展的主流方向,随着人们对汽车舒适性要求的提高,汽车空调系统正逐渐成为各大汽车制造商所关注的重要问题。在新能源汽车以及工程车辆中,迫切需要可以电驱动的电动空调系统。汽车用电动空调压缩机驱动系统一般由叁部分组成(即电机、驱动器和压缩机),为了适应电动汽车的发展要求,同时解决汽车现有空调驱动系统效率低的问题,本课题研究了一种适合汽车电动空调使用的驱动系统。在传统的永磁同步电机驱动控制系统中,一般需要转子位置和速度信息作为反馈信号,而转子位置、速度的取得几乎都是利用光电编码器、旋转变压器等精密的机械装置获得。在空调压缩机中,由于制冷剂的强腐蚀性,常规的位置传感器很难正常工作,因此研究一种可靠的、低成本的无位置传感器的控制方法,便成了永磁电机控制器研究的热点之一本文的主要内容包括：深入分析了表贴式永磁同步电机(SPMSM,隐极性)和内嵌式(IPM,凸极性)在不同坐标系下永磁同步电机的数学模型和相互转换方法。介绍了永磁同步电机的矢量控制原理和电压空间矢量调制技术以及单电阻母线电流采样方法。对滑模观测器和Luenberger观测器原理分别做了深入的研究和分析。利用滑模观测器原理,采用αβ坐标系下的电机模型,对隐极性永磁同步电机的转子位置和转速进行了实时的在线观测。同时,考虑到对于IPM电机在αβ坐标系下模型较为复杂,为简化应用,我们采取平均交直轴电感的方法,获取αβ坐标系下的模型电感,并使用了一种基于Luenberger观测器和锁相环相结合的转子位置估算方法,同时满足了对(SPMSM和IPM电机)的转子位置和速度检测。最后利用MATLAB/Simulink平台对基于滑模观测器和Luenberger观测器的PMSM转子位置估算算法进行仿真,验证了本文提出的两种控制方法的可行性。在仿真实验的基础上,以ST公司的近年来推出的低成本、高性能的基于arm-cortex-m3内核的STM32微处理器作为控制核心,设计了控制电路及外围辅助电路,采用Luenberger状态观测器,编写了软件,研究结果表明,该驱动系统能够很好地满足车用空调运行要求。
参考文献：
[1]. 变速永磁同步发电系统关键技术研究[D]. 张越雷. 湖南大学. 2016
[2]. 无传感器矢量控制系统及其速度估算的研究[J]. 廖勇, 张凤蕊. 电工技术学报. 2004
[3]. 基于无传感器的电动汽车电机控制技术研究[D]. 王静. 华南理工大学. 2012
[4]. 无传感器矢量控制系统及其速度估算的研究[D]. 张凤蕊. 重庆大学. 2004
[5]. 内置式永磁同步电机无位置传感器复合控制研究[D]. 张伯泽. 上海大学. 2016
[6]. 脉振高频电流注入永磁同步电机的低速无传感器矢量控制[D]. 冯瑛. 南京航空航天大学. 2012
[7]. 磁悬浮列车用直线同步电机控制系统的研究[D]. 于加兴. 西南交通大学. 2007
[8]. 基于滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制系统的研究[D]. 韩彬彬. 西安电子科技大学. 2014
[9]. 研究MRAS算法在低速永磁同步电机无传感器调速系统中的应用[D]. 赵丽杰. 河北工业大学. 2007
[10]. 基于STM32的空调压缩机无位置传感器矢量控制[D]. 曹健安. 东华大学. 2012
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