永磁同步电机无速度传感器矢量控制系统的研究与设计

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永磁同步电机因其一系列优点而被广泛应用于各大领域,但是因其不具备自启动能力,必须有配套的驱动器才可以正常的运行,另外运行时需要转子的位置信号,而常规的位置传感器不具备通用性,并且会增加控制器的硬件成本和故障点,因此近年来,海内外学者提出了多种关于永磁同步电机无速度传感器控制的控制策略。本文主要从系统角度出发,针对不同的负载,设计不同的组合控制策略,从而使驱动器在全速度范围内实现对永磁同步电机的无速度传感器控制。具体研究内容如下:(1)概述了永磁同步电动机的常用控制策略,介绍了几种不同策略的无速度传感器控制方法,通过对比和分析,确定了本文拟解决问题所采用的控制策略。(2)介绍了永磁同步电机的基本结构和相应的特点,建立了其在几种常用坐标系下的数学模型,确定了id=0的矢量控制方法,提出了一种简单实用的离线电机参数辨识方法,并阐明了对控制系统进行标幺化和数字定标的好处和必要性,推导并得出了永磁同步电机矢量控制算法中电流环的PI参数的设计方法。(3)研究了适用于中高速段的基于基波反电势模型的龙伯格观测器法和适用于零速和低速段的脉振高频电压注入法的实现原理,并掌握了永磁同步电机速度观测器的设计方法,然后搭建了相应的控制算法的仿真模型,验证了设计方法的可行性。(4)根据风机泵类负载的特性,提出了在低速段利用I/F流频比进行速度开环-电流闭环控制的起动策略,然后在中、高速段通过龙伯格观测器估算转子的位置,切换到速度-电流双闭环的矢量控制方法。研究了基于I/F流频比控制的永磁同步电机的起动过程,给出了电机可以稳定起动并平滑加速的条件。提出了一种开环起动算法与中高速段闭环矢量控制算法在运行时的切换策略,确保了在改变控制算法的过程中电机转矩不会突变。提出了一种基于反电势校验法的转子堵转检测方法,可以检测转子在抖振时的堵转状态。(5)研发了一款应用于风机泵类负载的永磁同步电机控制器来验证控制策略的可行性,给出了相应的软件控制流程图。分析了控制器在电机起动、加速和带载运行过程中的实验结果,验证了设计的控制策略的实用性、可行性。最后总结了本文的研究内容和所得到的研究结果,并对进一步提高控制器的性能的方向进行了展望。
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