关键词：
永磁同步电机
无位置传感器
磁场定向控制
相位补偿
有源磁链
摘要：
永磁同步电机因其高功率密度、高效率和良好的动态稳态性能,在工业自动化、电动汽车和航空航天等领域得到广泛应用。传统的电机控制算法通常依赖于霍尔、光电编码器等位置传感器,不仅增加了系统的成本、体积和复杂度,还降低了可靠性,因此无传感器控制技术日趋成为国内外学者的研究热点。本文以磁链为状态观测变量,设计了一种基于非线性相位补偿有源磁链观测器的永磁同步电机无感矢量控制系统,用以实现精准的转子位置估计和稳定高效的电机控制。
首先,本文重点围绕永磁同步电机的转子位置估计展开研究。针对传统非线性磁链观测器因模型不匹配导致应用范围只局限在表贴式电机的问题,设计基于有源磁链的非线性观测算法,通过引入有源磁链概念重新建立观测模型,有效消除估计偏差,由此将算法应用范围推广到内置式电机。针对传统非线性磁链观测器因梯度搜索增益的取值裕度有限以致影响观测稳定性的问题,设计基于相位补偿的非线性观测算法,利用梯度搜索转子磁链的幅值和相位使得误差动态非自治方程变的更加对称,从而优化收敛路径,提高收敛速度与稳定性。
其次,针对无感矢量控制系统进行关键参数设计以及仿真分析。在电流环参数设计中使用去耦降阶的方法,将交叉耦合电动势作为电压控制的前馈,实现交直轴电流完全解耦,使得非线性系统转化为线性定常系统。随后利用电流环带宽降低系统阶数并完成电流环控制器的参数整定。在转速环参数设计中使用有功阻尼的方法,人为增加系统的阻尼特性以实现临界阻尼或过阻尼,从而抑制系统震荡、改善动态响应,并且依据阻尼比和自然频率完成转速环控制器的参数整定。
最后,为验证上述理论研究的有效性,设计以单片机为控制核心的软硬件平台,并在该平台进行电机启动、转速突变、反转和负载等典型工况的实验测试。实验结果表明,本文所设计的观测器相较于传统非线性磁链观测器在电机零速启动时将位置估计收敛时间由1.5s缩短到了1s,使收敛速度提升了33%,在电机低速稳态时将位置估计误差由0.25rad减小到了0.09rad,使估计精度提升了64%。由此证明非线性相位补偿有源观测器能够实现更加快速、准确、稳定的转子位置估计,有效提升了无感矢量控制系统的动态性能与鲁棒性。
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