论文总字数：32185字

摘 要

近年来，随着电机转矩控制要求的提高，精确的电流测量在永磁同步电机矢量控制中变得至关重要。电流测量的偏置误差和增益误差会分别引起一次和二次转矩脉动，恶化控制性能，增加系统损耗。本文研究重点为电流测量误差的补偿方法和更加精确的电流采样方案。首先，文章分析了电流测量误差对永磁同步电机转矩控制的影响，并在此基础上，给出了基于数值分析以及基于滤波原理的两种电流测量偏置误差的补偿方法。仿真和实验结果表明，两种补偿方法都可对电流偏置误差实现补偿，优化电机转矩控制性能，并且基于滤波原理的补偿方法在误差补偿收敛速度上更快。在采样电路设计方面，本文设计对比了两种采样方案，其一为传统的霍尔电流传感器和SAR型ADC组合的非侵入式采样电路，其二为采样电阻和Σ-Δ型ADC组合的侵入式采样电路。论文具体分析了两种采样电路的原理，并设计制造了用于三相逆变器的两种采样电路。在对静态直流信号的测试中，非侵入式采样电路采样数据的峰峰值为0.7200A，标准差为0.1763A，而侵入式采样电路采样数据的峰峰值仅为0.1221A，标准差仅为0.0216A。测试结果表明，基于Σ-Δ型ADC的侵入式电流采样电路具有更高的采样精度，可以有效抑制噪声对电流采样的影响。

关键词：Σ-Δ型模数转换器，电流测量误差，电流采样电路，误差补偿，永磁同步电机

Abstract

Recently, as the higher performance of torque control is required, accurate current measurement is very important in the vector control of permanent magnet synchronous motor (PMSM). The bias error and gain error of current measurement will cause one and two torque pulsations respectively, deteriorate control performance and increase system loss. The purpose of the study is to explore current measurement error compensation method and more accurate current sampling circuit design. Based on the analysis of current measurement error, two kinds of offset error compensation methods based on numerical analysis and filtering principle respectively are given. Two kinds of compensation method, verified by simulations and experiments, can compensate offset error of current and optimize performance of motor torque control. By contrast, it turns out that the method of compensating based on the principle of the filter is faster at the rate of compensation. In terms of sampling circuit design, the author designs two kinds of sampling circuit. One is the traditional type, named noninvasive sampling circuit, composed of hall current sensor and SAR ADC, the other is the invasive sampling circuit, which consists of sampling resistor and Σ-Δ ADC. The principle of two sampling circuits is analyzed, and three phase inverters with two sampling circuits are designed. In the static experiment of dc signal sampling, the peak-to-peak value of non-invasive sampling data is 0.7200A, and the standard deviation is 0.1763; while the peak-to-peak value and the standard deviation of the invasive sampling data is 0.1221A and 0.0216 respectively, which are better than the former. In the dynamic experiment, the AC signal was sampled, and the THD of the invasive sampling data is 3.10%, better than THD of the non-invasive sampling data, that is 3.96%. It can be seen from the experimental results that the intrusion current sampling circuit has higher sampling accuracy.

KEY WORDS: Σ-Δ ADC, Current measurement error, Current sampling circuit, Error compensation, PMSM

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 常见ADC结构特点 3

1.3.1 SAR型ADC 3

1.3.2 Σ-Δ型ADC 4

1.3.3 Pipeline 型ADC 5

1.4 主要研究内容 6

第二章 电流测量误差对永磁同步电机控制影响分析及其补偿方法 7

2.1 电流测量误差的分类及其影响 7

2.1.1 电流偏置误差 7

2.1.2 电流增益误差 9

2.2 永磁同步电机矢量控制电流PI调节器参数设计 9

2.2.1 PI控制器 9

2.2.2 电流PI调节器参数 11

2.3 基于数值分析的电流测量误差补偿方法 13

2.3.1 补偿方法 13

2.3.2 基于数值分析补偿方法的仿真结果与分析 17

2.4 基于滤波原理的电流偏置误差补偿方法 20

2.4.1 补偿方法 20

2.4.2 补偿方法仿真结果与分析 24

2.5 两种补偿方法对比 26

2.6 实验验证 27

2.7 本章小结 28

第三章 永磁同步电机电流采样电路 29

3.1 非侵入式电流采样电路 29

3.1.1 开环式霍尔电流传感器工作原理 29

3.1.2 闭环式霍尔电流传感器工作原理 29

3.1.3 两种霍尔电流传感器的区别 30

3.2 侵入式电流采样电路 31

3.2.1 Σ-Δ型ADC原理 32

3.2.2 CIC滤波原理 35

3.3 本章小结 38

第四章 硬件电路设计与实验分析 39

4.1 硬件电路设计 39

4.1.1 三相逆变电路及其驱动设计 39

4.1.2 非侵入式电流采样电路设计 40

4.1.3 侵入式电流采样电路设计 41

4.1.4 电源设计 42

4.2 电路实验结果与分析 43

4.2.1 侵入式电流采样电路静态实验数据分析 44

4.2.2 静态实验数据对比分析 46

4.2.3 动态实验结果对比分析 47

4.3 实验思考 48

4.4 本章小结 49

第五章 总结与展望 50

5.1 全文总结 50

5.2 课题展望 50

致谢 52

参考文献 53

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

近年来，全球的政府都在不断呼吁在工业生产中采用效率更高的电机驱动，因为工业电机驱动的能耗在总的工业生产能耗中占有比较大的比例。如果想要提高效率，就需要针对不同系统的实际需求对电机转矩和转速进行优化，为了实现这个目标，提高电机电流和电压测量精度是一个可行的方法。

电流测量电路是所有逆变器驱动器固有的部分。对于电机驱动系统中的速度以及转矩控制，必须测量逆变器输出电流才能在控制器中进行脉宽调制((Pulse-Width Modulation, PWM)模式的计算。为了在提高可靠性的同时降低驱动成本，工程师们已在消除各种高性能感应电机驱动器中使用的转轴速度或位置传感器付出巨大努力，在感应电机驱动中加入了转子速度估算器，这种估算器使用定子电压、电流采样数据并结合电机参数进行估算。另外，在感应电机磁场定向控制器的使用中，虽然其动态性能主要取决于控制模型参数的精度，但同时也取决于测量结果的精度。

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