基于高频注入方式的永磁同步电机Sensorless控制毕业论文

 2020-04-10 16:41:36

摘要

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor）是同步电机中重要的一类。它拥有电机结构简单、体积轻盈、功率因数高、便于控制等优点，因而永磁同步电机在工业界以及日常生活中发挥出越来越大的作用。

在PMSM的控

制系统中，常常需要获得电机的转子速度、位置信息，机械式传感器成为了获取这些信息的重要途径。但是一些传感器的安装过程复杂、使用传感器成本偏高，这些弊端阻碍了PMSM进一步的发展。

在此背景下，PMSM的无传感器技术成为了提高工业自动化程度的重要条件。为了省去PMSM上检测电机转子位置、速度传感器，相关的科技工作者进行了大量的理论研究与实践证明。

本毕业设计以应用高频注入方式下的PMSM无传感器矢量闭环控制作为研究内容，其主要包括了以下几点：

首先，本文简要介绍了国内外PMSM无传感器矢量控制的理论发展过程、实际研究现状，并对目前发展较为完善的多种PMSM无传感器控制方法进行了归类。

其次，本文对PMSM的电机结构模型及数学模型进行了分析，进而明确了PMSM的矢量控制原理，并在Matlab/Simulink仿真软件中建立了PMSM矢量控制系统模型，对具有传感器的PMSM的双闭环矢量控制系统进行了仿真分析。

然后，本文分析了PMSM的几种高频信号注入方式的原理，并进一步对比这几种高频注入法各自的适用范围和建立的难易程度，最终选择了脉振高频电压注入法，并对此方法进行了理论推导和转子位置估算器结构设计。

最后，本文在Matlab/Simulink软件中建立了基于脉振高频电压注入方式下的面贴式永磁同步电机无传感器=0的矢量控制仿真模型。

关键词：永磁同步电机；矢量控制；高频注入法

Abstract

Permanent Magnet Synchronous Motor is an important category in Synchronous Motor. It has a simple structure, light volume and high power factor. Owing to advantages of easy to control, Permanent Magnet Synchronous Motor in industry and play a more and more important role in daily life.

In PMSM control system, it is often necessary to obtain rotor speed and position information of motor, and mechanical sensor becomes an important way to obtain these information. However, the installation process of some sensors is complicated and the cost of using sensors is high, which hinders the further development of PMSM.

In this context, PMSM's sensorless technology has become an important condition for improving industrial automation. In order to avoid the detection of rotor position and speed sensor on PMSM, a lot of theoretical research and practical proof have been carried out by related scientists.

This graduation project focuses on PMSM sensorless vector control based on high frequency injection method. The main contents of the research include:

First of all, in this paper the theory of all-digital fuzzy sensorless control at home and abroad development process, the actual research status made brief explanation, and complete to the current development of all-digital fuzzy sensorless control method for classification.

Second, in this paper, the motor structure of all-digital fuzzy model and mathematical model are analyzed, and the vector control principle of all-digital fuzzy, and in the MATLAB/Simulink simulation software all-digital fuzzy vector control system model is established, on the double closed-loop vector control system with sensors of all-digital fuzzy simulation analyzed.

Then, this paper analyzes the several methods of high frequency signal injection principle of all-digital fuzzy, and comparing the several kinds of high frequency injection method further their respective applicable scope and the establishment of ease, finally chose the high-frequency voltage pulse vibration injection method, and the theoretical derivation of the method and the rotor position estimation device structure design.

Finally, in MATLAB/Simulink, a vector control simulation model of PSM with no sensor =0 was established based on pulse vibration hf voltage injection method, and the simulation research was carried out.

Key Words：Permanent Magnet Synchronous Motor；vector control；High frequency

injection method

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1 本课题的研究背景 1

1.1.1永磁同步电机的发展现状 1

1.1.2永磁同步电机的特点 1

1.2无传感器矢量控制的研究现状 1

第二章 PMSM矢量控制系统分析与仿真 3

2.1 永磁同步电机的基本结构 3

2.2 永磁同步电机的数学模型 4

2.3永磁同步电机矢量控制理论 7

2.3.1 矢量控制的基本原理 7

2.3.2 Id=0矢量控制方式 7

2.3电压空间矢量脉宽调制原理 9

2.3.1电压空间矢量的定义 9

2.3.2 SVPWM的算法实现以及仿真 10

2.4永磁同步电机矢量控制系统的建模与仿真 14

第3章基于高频注入法的PMSM无传感器矢量控制原理 17

3.1 高频注入法的基本原理 17

3.1 PMSM在低转速高频条件下的数学模型 18

3.2 四种高频信号注入方式的介绍以及比较 18

3.2.1 旋转高频电压注入法 18

3.2.2 旋转高频电流注入法 19

3.2.3 脉振高频电压注入法 20

3.2.4 脉振高频电流注入法 23

3.3 几种高频注入法的比较 24

第4章脉振高频电压注入法PMSM无传感器矢量控制仿真 26

4.1 脉振高频电压注入法仿真模型 26

4.2 PMSM低速运行状态仿真分析 28

致谢 30

参考文献 31

第1章绪论

1.1 本课题的研究背景

1.1.1永磁同步电机的发展现状

十九世纪前叶，利用天然磁铁矿石产生励磁磁场的永磁电机被发明出来，然而天然磁铁的磁场能量密度比较低，不久被电励磁电机取代。

近年来，以稀土类永久磁体为代表的永磁材料的抗腐蚀性、热稳定性等优良性能不断提升；稀土材料制造加工成本不断降低；电力电子技术、大规模集成电路、现代计算机控制技术等科学迅速发展，使得对各类电机的控制策略和方法趋于完善；全球范围内环保意识不断增强、节能观念深入人心。这些客观上的因素推动使得稀土永磁材料迅速，于是对永磁同步电机PMSM(Permanent Magnetic Synchronous Motor)的研究越来越受到人们的重视，赢得了广泛的发展空间。

另外，我国作为一个盛产稀土永磁材料的“稀土王国”，已发现的稀土矿石储藏量达到世界稀土矿产总储藏量的八成左右。我国丰富的稀土资源，为我国永磁同步电机的研究工作奠定了坚实的物质基础。因此，不断研究完善改进永磁同步电机的结构以及控制策略，将对我国的电机事业的发展起到推动作用。

1.1.2永磁同步电机的特点

与异步电机相比，PMSM具有占用体积更小、物理结构更加简单、应用范围更宽广等优良特性。PMSM是电机的转子部分上嵌入了永磁材料，当电机转子和定子在磁场中做切割磁感线运动时，电机转子绕组上不会产生感应电流，也就不会存在磁滞损耗，这样的结构特点大大提高了PMSM的工作效率。

PMSM的转子上没有感应电流的励磁效应，并且定子绕组呈阻性，电机的功率因数近似于1，随着电机功率因数的提高，也进一步改善了电能的品质。

1.2无传感器矢量控制的研究现状

在高性能的PMSM控制系统中，通常需要在转子轴上安装机械式传感器，以获得永磁同步电机的转子速度和转子位置信息，进而确定电机定子、转子磁场间的空间角度，实现永磁同步电机的矢量控制。然而在实践中，机械式传感器在电机的驱动系统中也有很多不便之处:

(1)机械式传感器的使用会占用电机上的大量空间，增大电机的转动惯量。另外，机械式传感器需要大量连接线和接口电路，然而过多的电路增加系统的复杂性，导致系统容易受到各类干扰，降低电机传动系统的可靠性。

(2)在电机转子上安装机械式传感器以及传感器的驱动电路会增加电机成本，有些精密传感器的价格甚至可以比肩电机自身的价格，使得经济效应大大降低。

(3)温度、湿度和振动等因素会限制机械式传感器使用，使PMSM不能灵活地应用于各类场合，妨碍了PMSM向高速化、小型化方向发展。

因此，除去传感器在电机的转轴上的使用对电机高速化、微型化等研究具有重要意义。PMSM无传感器矢量控制是通过获取电机转子绕组中的有关电信号，采用适当方法估算出转子的速度以及位置信息，从而代替机械式的传感器在电机运行中的作用，实现PMSM的双闭环控制。

根据PMSM运行在不同速度状态下采用无传感器控制对转子信息估算的效果，可以把PMSM的无传感器矢量控制分为两大类：

(1)适用于PMSM中速和高速的方法:

直接计算方法、基于电感变化的估算方法、模型参考自适应方法、基于各类观测器的估算方法

(2)适用于PMSM零速或极低速的方法:高频信号注入法

(3)人工智能理论等其他方法

图1.1 PMSM无传感器控制方法分类

第二章 PMSM矢量控制系统分析与仿真

2.1 永磁同步电机的基本结构

PMSM的一大特点是产生转子磁通是利用永磁体而不是转子励磁绕组，，从而省去了电机组成部分中的励磁线圈、滑环和电刷这些结构。PMSM和绕线式同步电机有相同的定子结构，都是由三相定子绕组和定子铁芯构成。

永磁同步电机按照电机转子在气隙中产生的磁通形状进行分类，可以分为梯形波永磁同步电动机，也被称为无刷直流电机(Brushless DC Motor)；正弦波永磁同步电动机，简称为永磁同步电动机。PMSM要求输入的定子电流是三相正弦的，所以称为三相永磁同步电动机。本毕业设计以PMSM为研究对象。

电机转子不同的磁路结构会影响到电机的控制方式、运行性能和适用场合。PMSM有着区别于其他电机的转子结构，按照构成电机转子的永磁体结构上的区别，可以大致把PMSM分为三类:

(1)面贴式PMSM。在面贴式电机中，磁阻与电机转子位置无关，所以在电枢绕组的轴和轴上的电感分量相等，该电机在电磁性能上属于隐极型。主要应用于在无刷直流电机和永磁同步电机小范围恒功率运行中，这样的转子结构会起到改善电机气隙密度、优化永磁体磁极、提高电机运行性能的作用。

(2)嵌入式PMSM。铁磁材料存在于嵌入式永磁同步电机转子结构中，这样的结构会大大提高相邻的两个永磁极之间的磁导率，从而导致电机转子磁路不对称，这类永磁同步电机的转子结构在电磁性能上属于凸极型。嵌入式PMSM的转子结构比面贴式PMSM的转子结构具有更好的动态性能、更高的功率密度，主要用于某些永磁同步电机的调速。

(3)内置式PMSM。该类PMSM的永磁体置于转子的内部，转子结构在电磁性能上属于凸极型。这样的转子结构使电机具有更高的凸极率，同时可以提高电机的功率密度以及过载能力，在高动态性能的PMSM中有广泛的应用。

以上三种转子结构基本可以满足永磁同步电机在大部分场合下的不同运行性能要求。本毕业设计选择在贴面式PMSM的基础上进行无传感器控制的仿真。

图2.1 PMSM三种转子结构

2.2 永磁同步电机的数学模型

PMSM运行时的动态系统是个强耦合、多变量的高阶非线性系统。为了分析PMSM瞬态运行时的性能，需要获取电机转子速度和位置信息。然而PMSM正常运行时电机定子、转子之间处于相对运动状态，电机转子结构上的永磁体与定子绕组、定子绕组与定子绕组的磁场之间会产生相互影响，再加上电机定、转子磁路饱和等一系列非线性因素，使得PMSM内部的电磁关系十分复杂，进一步加大了建立动态数学模型的难度。

通常采用转子轴坐标系来建立永磁同步电机的数学模型。为了降低分析的难度，建立简化的数学模型，首先假设:

(1)忽略电机的铁心饱和效应，以及包括了涡流和磁滞损耗在内的铁心损耗影响；

(2)电机的定子三相绕组采用Y型连接，避免零序电流产生，也不会产生零序磁链的影响；电机定子绕组注入电流是标准的三相正弦波电流，忽略边缘效应；

(3)电机转子结构上没有阻尼绕组;永磁体也不考虑阻尼作用；

(4)忽略温度等因素对电机电阻、电感等元件影响，电机转子采用的永磁材料认为具有线性的退磁曲线，同样不受温度的影响；忽略集肤效应；

(5)电机运行时，电机转子上永磁体在气隙中产生的磁动势认为是标准正弦分布，忽略高次谐波影响；

为了获取永磁同步电机运行时的动态性能的相关信息，PMSM调速控制系统也要采用坐标变换公式进行运算，坐标变换原则需要保持磁动势在各坐标系中完全一致。下图为贴面式永磁同步电机的三相静止坐标系下的各参数位置示意图。

图2.2 永磁同步电机的各坐标系下的示意图

上图中包含了电机定子三相静止坐标系、两相静止坐标系和轴两相旋转坐标系。转子轴坐标系不停旋转的，它的旋转速度等同于电机转子旋转的角速度，同时也是转子磁场的旋转角速度。通常情况下假定电机转子逆时针旋转方向为正方向，所以转子参考坐标系的轴与定子三相绕组中的A相绕组轴线间的夹角定义为转子位置角，用电角度来表示。