城市轨道交通永磁电机牵引系统位置传感器容错控制方法研究

论文总字数：21514字

摘 要

随着城市轨道交通的普及，其牵引系统的可靠性和安全性也成为学者们所研究的热点。而永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗较少、转矩/重量比高、功率因数高、效率高等特点，对于城市轨道交通牵引系统的发展具有重要意义。但是为了满足永磁同步电机调速系统具有高性能的要求，就必须要加入闭环控制环节。传统的做法是在永磁同步电机的转轴上安装机械传感器，以此来获取电机的转速和转子位置信息。但安装机械传感器拥有诸多弊端，例如增加了系统的成本同时也降低了系统的可靠性。所以为了避免遇到安装机械传感器所带来的问题，就需要设计出一种无传感器的控制方式。

本文通过分析高频信号注入法的原理并结合永磁同步电机的矢量控制方案，设计出旋转高频注入法来估测转子的转速和位置信息，最后利用Matalb/Simulink平台对设计的方案进行模拟搭建并仿真验证，结果表明该方法具有可行性和准确性，估算出来的转子速度和位置信息与实际值相差不大，误差可以忽略。

关键词：城市轨道交通；永磁同步电机；矢量控制；无位置传感器控制；高频信号注入法

Method of Urban Rail Transit permanent magnet motor Traction system Position Sensor Fault Tolerant Control

Abstract

With the popularity of urban rail transit, the reliability and security of its traction system has become a hot research by scholars.The permanent magnet synchronous motor has lots of features such as simple structure,reliable operation,small size,light weight,low loss,high power factor,high efficiency and so on,so for the develop of urban rail transit traction system,it is a great significance.However,in order to satisfy the requirement which can make permanent magnet synchronous motor speed control system has a high performance,it is necessary to add a closed-loop control link. The traditional approach is to install a mechanical sensor on the rotor shaft of permanent magnet synchronous motor,so it can get the motor speed and the rotor position.But the installation of mechanical sensors have many problems,such as increasing the cost of the system and also reduces the reliability of the system. Therefore, in order to avoid those problems,we need to design a manner of sensorless-controlled system .

This paper try to analysis the principle of high frequency signal injection method and combined the vector control of permanent magnet synchronous motors,and used the rotating high frequency injection method to estimate the rotor speed and position information. Finally,using the Matlab/Simulink platform to built the simulation.And the results show that the method is feasible and accurate,and the estimated value is approximately equal to the actual value,the error can be ignored.

Key words: Urban Mass Transit，permanent magnet synchronous motor，vector control，sensorless control，high-frequency signal injection method

目录

目录 1

第一章 绪论 2

1.1课题的研究背景 2

1.2永磁同步电机的发展现状 3

1.3永磁同步电机的不同控制方法和对应的研究现状 3

1.4无位置传感器永磁同步电机矢量控制方法的研究现状 5

1.5论文主要研究内容 7

第二章 永磁同步电动机矢量控制基本理论 8

2.1永磁同步电机的种类及相应特点 8

2.2永磁同步电机的数学模型 10

2.2 PMSM的矢量控制 12

第三章 永磁同步电机的矢量控制设计 14

3.1永磁同步电机矢量控制整体框架 14

3.2永磁同步电机模型的建立 14

3.3矢量控制器模块 16

3.3.1坐标变换模块 16

3.3.2速度环及电流环模块 19

3.3.3 PWM模块 19

第四章 基于高频信号注入法的无位置传感器控制 21

4.1 永磁同步电机无位置传感器控制概述 21

4.1.1 高频信号注入法的简介 21

4.2基于高频信号注入法的永磁同步电机的矢量控制 21

4.3 旋转高频电压注入法的原理 22

4.4 基于旋转高频电压注入法的PMSM矢量控制仿真 26

4.4.1 旋转高频电压注入法模型的搭建 26

4.4.2仿真分析 28

第五章 总结和展望 32

致谢 33

参考文献 34

第一章 绪论

1.1课题的研究背景

伴随着全世界各个国家的城市面积持续扩大，国家经济的不断提高，城市人口迅猛的增长，同时流动人口以及机动车的突增，有限的城市街道和无限增加的汽车数量之间形成了难以调解的矛盾。在现在的城市里，街道上出现的越来越多的汽车会带给人们很多经济社会和环境问题诸如交通拥挤、事故频繁、资源浪费、尾气与噪声污染等。城市轨道交通系统因其同时具备了快速、安全性高、零污染、绿色节能和承载量大等优点而成为许多大型甚至中型城市解决其交通难题的第一方案。近年来我国对城市轨道交通的发展加大了投入，城市轨道交通在我国大发展的时代即将到来。但是与此同时越来越多的问题也在城市轨道交通迅猛发展的同时产生了。资源及能量消耗的不断增大，系统的安全隐患等都是需要迅速解决的问题。然而要彻底的清楚这些问题产生的缘由，需要对牵引系统进行进一步的探究。如今欧美日等国等均把安全、高性能作为轨道交通技术发展的必要核心之一。我国拥有广阔的疆土，也具备世界上种类最齐（低速到高速、快运到重载、城市内部轨道到城际轨道等）、技术最先进（运行速度、装备可用率、承载负荷率等）的轨道交通网络，所以轨道交通系统的安全性、准确性以及可靠性对于我国来说极其重要。牵引传动部分是轨道交通系统的中心部分，它的主要作用是完成机械与电磁能量的转换，轨道交通系统控制性能的好坏、动力品质的高低以及能量消耗都在很大程度上取决于牵引系统性能的好坏。所以它是轨道交通系统技术升级的重要部分。在城市轨道交通的牵引系统中采用永磁同步电机能有效的降低能耗，提高效率，降低系统寿命周期成本。永磁同步电机加以最先进的电力电子技术以及控制方案，对于轨道交通牵引系统技术的升级来说肯定会成为一次重大的革命^[1]。

随着电机技术的不断发展，我们的生活和工作中往往离不开电动机的存在，不管是交通还是建筑等等，电动机以及其衍生系统的应用无处不在。电机的发展在推动现代化建设的同时也会增加能量的损耗。电动机能量的转换是建立在磁场存在的基础上的，要使电动机能够成功转换能量，就必须得到气隙磁场。目前，主要有两种方法可以实行，其中一种是通过产生励磁电流来形成磁场，另一种则是在电机中加入永磁材料从而形成磁场。第一种方法必须要有对应的绕组和装置来形成励磁电流从而产生磁场，这就需要持续不停的吸收能量来供给稳定的电流；第二种方法则是因为永磁材料体会在安置之前就提前进行充磁处理，不用再提供能量就能形成电动机所需要的磁场。这类电动机叫做永磁电动机，这样既将电机动机的构造简单化，又能防止能量的额外消耗。三相交流永磁同步电动机(PMSM)，通常简称为永磁同步电机，因其优点很多，诸如转子无损耗、工作功率因数高、响应迅速等，在小、中功率的伺服控制系统中，越来越多的专家学者的开始对其开展研究，其应用领域也随之开始扩展，其应用程度甚至已超过以往的交、直流传动控制所采用的感应及直流电动机。所以，对永磁同步电机控制器的研究与利用，研究永磁同步电机的控制方式和运行方式并将其应用于实际工程中就显得十分必要^[2-3]。

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