论文总字数：39510字

摘 要

16012529 李昊旻

指导教师　 王政

摘要正文：永磁同步电动机具有转子结构简单坚固、功率密度高和运行效率高等显著优点，同时永磁同步电动机能够获得较快的动态转矩响应，抗负载转矩扰动能力很强。因而永磁同步电机被广泛地应用于高性能交流伺服驱动中。本文设计了一种基于扩展卡尔曼观测器的精确参数估计方法，从而取代了传统机械传感器。待观测状态变量选择转速、转子位置和以αβ坐标表示的定子磁链，输入、输出变量分别为定子电压和电流，构建EKF观测器。与传统直接转矩控制技术相比，基于空间矢量调制的直接转矩控制不但保证了恒定的器件开关频率，而且有效减少了直接转矩控制方法中存在的转矩脉动。噪声的统计特性往往对滤波估计结果有较大影响。本文通过大量仿真比对，对系统过程噪声、测量噪声和模型参数变动对EKF观测器估计效果的影响进行了深入研究与分析的同时也研究了EKF估计器对突变转速给定和突加负载转矩的跟踪性能。分析结果表明EKF估计出的状态变量的估计精度满足给定的误差要求，所构建的无位置传感器DTC系统具有良好的动态控制性能。

关键词：扩展卡尔曼滤波；直接转矩控制；无位置速度传感器；永磁同步电机；空间矢量调制

Abstract

Abstract： Because of the incomparable advantages, such as the robust rotor structure, high power density, high efficiency, rapid dynamic torque response and strong capability to resist load torque disturbance, PMSM is widely used in high performance AC servo systems.To eliminate the traditional mechanical sensor of PMSM drives and to get the stator flux linkage for direct torque control system, this paper proposes an novel extended Kalman filter(EKF) observer. The stator flux linkage described under αβ coordinate, rotor speed and rotor position are chosen as state variables. The stator voltage and current obtained by sensors serve as input control variables and output variables, respectively. As a result, the stator flux, speed and rotor position are reconstructed, or observed, by EKF. Compared with traditional DTC control, SVM-DTC effectively reduces the torque ripple and keeps an constant switching frequency. Statistic characteristic of random parameters would affect estimated results significantly when using EFK to estimate rotor speed and position. In this paper, large amount of simulations are carried out to study the effect of the system model noise, measurement noise and model parameter variation on the estimation result of the EKF observer. Analysis results show that EKF filter accurately reconstruct the stator flux linkage, speed and rotor position, with the estimation accuracy of the state variables less than the given error requirements. The constructed sensor-less EKF-DTC system has good speed and torque control performance.

Key words: extended kalman filter(EKF)；direct torque control(DTC)；speed sensorless；permanent-magnet synchronous motor (PMSM)；Space vector modulation(SVM)

目录

1 绪论 1

1.1引言 1

1.2直接转矩控制 1

1.3大功率电机驱动系统 2

1.3.1中大功率变频系统的分类 2

1.3.2电压源型逆变器 3

1.3.3中点箝位型多电平逆变器 3

1.4 永磁同步电动机无位置传感器控制技术和定子磁链观测 3

1.5无位置传感器技术 4

1.5.1基于电机电磁参数的估算方法 4

1.5.2扩展卡尔曼滤波器法 4

1.6本课题研究内容 5

1.6.1 论文研究内容 5

1.6.2 论文结构 5

2 中点箝位型三电平逆变器仿真及实验验证 7

2.1空间电压矢量调制策略的研究 7

2.1.1三电平SVPWM调制策略 7

2.1.2电压矢量对中点电压的影响 8

2.1.3实现三电平SVPWM调制策略的步骤 8

2.2三电平SVPWM调制策略的MATLAB仿真模型搭建 8

2.2.1仿真电路介绍说明 9

2.2.1大扇区的判断 9

2.2.2判断小扇区 10

2.2.3矢量合成时间计算 10

2.2.4七段式开关序列时间分配 12

2.2.5实现矢量状态次序及生成开关信号 14

2.3中点箝位型三电平逆变器SVPWM调制策略的实验验证 14

2.3.1实验装置说明 14

2.3.2初步实验结果 15

3 基于EKF无传感器PMSM系统的SVM-DTC控制技术研究 16

3.1正弦波永磁同步电动机(PMSM)的数学模型 16

3.2连续变量动态时不变非线性系统 16

3.3状态重构和状态观测器 18

3.4扩展卡尔曼滤波（EKF）的研究 19

3.4.1离散卡尔曼滤波器原理 19

3.4.2 线性系统离散化 22

3.4.3离散扩展卡尔曼滤波器(EKF)原理 22

3.5基于SVM-DTC理论的无位置传感器PMSM的EKF模型研究 22

3.5.1直接转矩基本理论和PMSM模型 24

3.5.2 永磁同步电机DTC-SVM模型的建立 26

4 EKF估算定子磁链、转速和位置的仿真特性研究 27

4.1引言 27

4.2定子磁链、转速、位置和电磁转矩的稳态结果及分析 27

4.2.1 定子磁链估计结果 28

4.2.2 转速估计结果 29

4.2.3 位置估计结果 31

4.2.4 电磁转矩观测结果 32

4.2.5 三电平电压波形 33

4.3给定速度动态变化时转速、位置和电磁转矩的动态结果及分析 34

4.3.1 转速的动态响应 34

4.3.2位置的动态响应 36

4.3.3电磁转矩的动态响应 36

4.3.4定子磁链的动态响应 37

4.3.5转速给定值大幅度提升 37

4.3.6转速给定值小幅度下降 38

4.4负载转矩动态变化时转速、位置和电磁转矩的动态结果及分析 38

4.4.1 突加较小负载转矩 38

4.4.2 突加变化负载转矩的动态响应 39

4.4.3 突加较大负载转矩 40

4.4模型噪声和测量噪声统计特性对EKF观测器估计效果的影响 42

4.4.1系统状态变量协方差初始矩阵对起动过程的影响 42

4.4.2系统过程噪声统计特性对EKF估计效果的影响 42

4.4.3测量噪声统计特性对EKF估计效果的影响 46

4.5电机模型参数对EKF观测器估计效果的影响 47

5 总结与展望 49

致 谢 50

参考文献 51

第一章 绪论

1.1引言

永磁同步电动机具有转子结构简单坚固、功率密度高和运行效率高等显著优点，同时永磁同步电动机能够获得较快的动态转矩响应，抗负载转矩扰动能力很强，因而永磁同步电机得到广泛的应用。

目前针对永磁伺服电动机调速控制较为成熟的方法主要有永磁同步电动机矢量控制（FOC）技术和永磁同步电动机直接转矩（DTC）控制技术。目前各种基于新型控制理论对传统直接转矩控制和的矢量控制的完善成为优化电机控制性能的研究热点，尤其是无传感器永磁同步电动机系统。

1.2直接转矩控制

基于磁场定向的矢量控制思想确实可以称得上是开创性的，将对磁场和转矩的控制变为类似直流电机的对直轴、交轴电流的控制。而当这一技术在电机控制领域得到广泛应用时，日本学者I. Takahashi和德国学者M. Depenbrock提出了以滞环比较器代替磁链解耦的新型策略，即所谓的直接转矩控制。对电动机的控制的最终目标是对输出电磁转矩的有效控制。永磁同步电机直接转矩控制直接选择转矩和定子磁链作为要控制的变量，不需要进行旋转坐标变换，磁场定向和交直轴电流控制，控制结构被简化，因此提高了电动机伺服系统的动态响应能力。传统的电压积分型定子磁链观测方法只需要测定电枢绕组的阻值，控制系统鲁棒性较强。因此，永磁同步电机直接转矩控制技术不仅是当前交流传动领域的研究热点，同时也是工业生产应用的首选技术。

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