电励磁同步电机无传感器控制检测技术研究
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摘要
基于电力电子技术的同步电机驱动系统具有效率高、调速范围宽、调速精度高、稳定性高、动态响应快等优点，在高压大功率、高性能场合得到了广泛的应用。现有同步电机驱动系统普遍需要安装大量传感器，系统硬件复杂，故障率高，影响了系统可靠性。另外，电机参数存在时变性，对系统的控制性能也存在着影响。电机无传感器控制技术和参数在线辨识技术的应用是提高驱动系统控制性能的有效途径。本文以电励磁同步电机控制系统为研究对象，对同步电机的无传感器控制、参数在线辨识等关键技术进行深入研究。
本文基于电励磁同步电机的结构和物理特性，提出了一种基于自传感的绕组温度和电阻在线辨识方法。首先利用转子回路的电压和电流信息在线计算出转子绕组电阻，然后根据转子铜材料的温度特性在线计算转子绕组温度，再根据电机损耗功率和电机发热特性计算出定子绕组温度，最后利用定子铜材料的温度特性计算定子绕组电阻。该方法不需要温度传感器，提高了系统的可靠性。
本文基于电励磁同步电机的基本电磁关系，提出了一种基于定子高频注入的转子位置及速度检测的方法。该方法不需要机械位置速度传感器，通过对电机定子一相注入高频电压信号，产生高频脉振磁场。随着电机转子的位置改变，高频脉振磁场在转子绕组中感应的高频电动势信号也随之改变，转子绕组中感应的高频电势信号大小与转角成余弦关系，根据转子输出高频信号确定转子的位置及同步机的转速，进而实现电励磁同步电动机的无速度传感器控制，通过仿真和样机实验验证了该方法的正确性和有效性。另外，本文提出一种基于转子高频注入的转子位置及速度检测的方法。该方法也不需要机械位置速度传感器，通过对电机转子绕组注入高频信号，产生高频脉振磁场，随着电机转子的位置改变，高频脉振磁场在定子绕组中感应的高频电势信号也随之改变，定子U相绕组中感应的高频电势信号大小与转角成余弦关系，根据定子输出高频信号对转子的位置及同步机的转速进行估计，并通过仿真和样机实验对其进行验证。
同步电机注入的高频信号会影响电机的效率、转矩等性能，为了定量分析这些特性的变化规律，本文采用有限元法对其进行了定量的计算与分析。另外，本文通过有限元分析高频信号注入后的同步电机高频电磁关系，验证了基于高频注入法的有效性。
经过大量仿真和样机实验证明，本文所提出各种无传感器检测方法和控制策略是可靠有效性。
Synchronous motor drive system based on power electronics technique has beenwidely used in the fields of high voltage and power for its high efficiency, wide speedregulating range and high precision, high stability, fast dynamic response, etc.Existing control systems require a large number of electrical sensors, which affectsthe system reliability because of complex system hardware and high failure rate. Inaddition, the change of motor parameters will also affect system performance. Theapplication of sensorless control and online parameter identification technology is aneffective way to improve reliability and efficiency of the drive system. This paperconsiders the control system of the electrically excited synchronous motor as theresearch object and presents in-depth studies of key technologies such as synchronousmotor sensorless control, online parameter identification, and so on.
Based on the basic electromagnetic relations of electrically excited synchronousmotor, this paper proposed a method getting the temperature and resistance of thewinding by online identification based on self-sensing, and two methods detectingrotor position and speed by injecting high-frequency signals into stator and injectinghigh-frequency signals into rotor respectively. The simulate and experimental resultsanalyze and validate the mentioned methods which proved to be good.
本文基于电励磁同步电机的结构和物理特性，提出了一种基于自传感的绕组温度和电阻在线辨识方法。首先利用转子回路的电压和电流信息在线计算出转子绕组电阻，然后根据转子铜材料的温度特性在线计算转子绕组温度，再根据电机损耗功率和电机发热特性计算出定子绕组温度，最后利用定子铜材料的温度特性计算定子绕组电阻。该方法不需要温度传感器，提高了系统的可靠性。
本文基于电励磁同步电机的基本电磁关系，提出了一种基于定子高频注入的转子位置及速度检测的方法。该方法不需要机械位置速度传感器，通过对电机定子一相注入高频电压信号，产生高频脉振磁场。随着电机转子的位置改变，高频脉振磁场在转子绕组中感应的高频电动势信号也随之改变，转子绕组中感应的高频电势信号大小与转角成余弦关系，根据转子输出高频信号确定转子的位置及同步机的转速，进而实现电励磁同步电动机的无速度传感器控制，通过仿真和样机实验验证了该方法的正确性和有效性。另外，本文提出一种基于转子高频注入的转子位置及速度检测的方法。该方法也不需要机械位置速度传感器，通过对电机转子绕组注入高频信号，产生高频脉振磁场，随着电机转子的位置改变，高频脉振磁场在定子绕组中感应的高频电势信号也随之改变，定子U相绕组中感应的高频电势信号大小与转角成余弦关系，根据定子输出高频信号对转子的位置及同步机的转速进行估计，并通过仿真和样机实验对其进行验证。
同步电机注入的高频信号会影响电机的效率、转矩等性能，为了定量分析这些特性的变化规律，本文采用有限元法对其进行了定量的计算与分析。另外，本文通过有限元分析高频信号注入后的同步电机高频电磁关系，验证了基于高频注入法的有效性。
经过大量仿真和样机实验证明，本文所提出各种无传感器检测方法和控制策略是可靠有效性。
Synchronous motor drive system based on power electronics technique has beenwidely used in the fields of high voltage and power for its high efficiency, wide speedregulating range and high precision, high stability, fast dynamic response, etc.Existing control systems require a large number of electrical sensors, which affectsthe system reliability because of complex system hardware and high failure rate. Inaddition, the change of motor parameters will also affect system performance. Theapplication of sensorless control and online parameter identification technology is aneffective way to improve reliability and efficiency of the drive system. This paperconsiders the control system of the electrically excited synchronous motor as theresearch object and presents in-depth studies of key technologies such as synchronousmotor sensorless control, online parameter identification, and so on.
Based on the basic electromagnetic relations of electrically excited synchronousmotor, this paper proposed a method getting the temperature and resistance of thewinding by online identification based on self-sensing, and two methods detectingrotor position and speed by injecting high-frequency signals into stator and injectinghigh-frequency signals into rotor respectively. The simulate and experimental resultsanalyze and validate the mentioned methods which proved to be good.
引文
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