摘 要

随着永磁材料性能的改善和电力电子技术的快速发展，推动了新型永磁同步电动机的开发进程，有力地促进了相关行业的蓬勃发展。永磁同步电动机具有高效率、高功率因数、体积小、重量轻、启动转矩大和力能指标好等显著优点，使得永磁同步电动机得到了广泛应用。在当今技术发展日新月异的时代，我们更需要对它进行分析和研究。

为了实现永磁同步电动机的高准确度和动态性能的控制，就必须安装机械式传感器来检测转子的位置和速度。与此同时也增加了相当高的成本，于是无传感器控制技术应运而生，它不仅能够克服机械式传感器的缺陷，而且能够增加系统的可靠性和稳定性。

所以，许多永磁同步电机无位置传感器控制方案被提了出来。依据其在不同速度区间的估测效果，可以将无位置传感器控制技术分为两大类：第一类适用于中、高速运行的转子位置检测，但在低速时无法提取信号而导致无法应用；第二类可以在全速范围内对转子的速度和位置进行检测，通过励磁将凸极含有的位置信息分离，将位置信息估测出来。目前，无传感技术有以下几种：闭环的模型参考自适应法、状态观测器法、扩展卡尔曼滤波器法、滑模变结构法等等，但大多数对转子位置无法作出准确估测。针对这一问题，本文对基于高频信号注入法的永磁同步电机无传位置感器矢量控制做了研究。

本文主要研究内容如下：

(1)了解了论文的研究背景和国内外的研究现状，以及永磁同步电动机的基本结构和原理；
(2)分析了几种坐标变换理论，并推导了永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型。进一步研究了永磁同步电机的控制技术，并重点对矢量控制进行论述，确定论文应用的控制方法；
(3)重点研究了高频注入法的原理。主要介绍了高频电压注入法的基本原理。在此基础上，搭建了高频电压注入下的永磁同步电机无传感器矢量控制系统，验证了其可行性。

关键词：无位置传感器控制；永磁同步电动机；高频旋转电压注入；矢量控制

Abstract

With the rapid development of permanent magnetic materials and to improve the performance of power electronics technology, to promote a new type of permanent magnet synchronous motor development process, effectively promoted the rapid development of related industries. Permanent magnet synchronous motor has a high efficiency, high power factor, small size, light weight, starting torque can be indicators of good Japanese and other significant advantages, such permanent magnet synchronous motor has been widely used. In today's era of rapid technological development, we need to analyze it and study.

In order to achieve control of permanent magnet synchronous motor with high accuracy and dynamic performance, you must install the mechanical sensors to detect the position and speed of the rotor. At the same time also increases the relatively high cost, so sensorless control technology to be shipped on, it can not only overcome the shortcomings of mechanical sensors, but also can increase the reliability and stability of the system.

Therefore, many of PMSM sensorless control scheme is proposed. According to their estimated effects of different speed range can be sensorless control technology is divided into two categories: The first category applies to the rotor position detection at high speed, but can not extract the signal at low speeds without a result can not be applied ; second class speed and position of the rotor can be detected in the full range of location information field will contain the salient pole separation, the estimated position information out. Currently, no sensor technology are the following: a closed-loop model reference adaptive method, a state observer method, extended Kalman filter method, sliding mode method, etc., but most are unable to make an accurate estimate of the rotor position . To solve this problem, this paper based on high frequency signal injection method of permanent magnet synchronous motor vector control transfer position sensor to do the research.

This article main research content is as follows:

(1) to understand the status of background research papers and studies at home and abroad, as well as the basic structure and principles of the permanent magnet synchronous motor;

(2)To analyze several coordinate transformation theories, and deduce the mathematical models for permanent magnet synchronous motor in different coordinate systems. Further study the fundamental principle of vector control, classify various control methods, and analyze their respective characteristics.

(3)Focuses on the principle of high frequency injection method. Mainly introduced the basic principle of high frequency voltage injection method. On this basis, set up under the high frequency voltage injection of permanent magnet synchronous motor sensorless vector control system, and its feasibility was verified.

Key Words: Sensorless control；Permanent magnet synchronous motor；High frequency rotating voltage injection；Vector control.

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 IV

第一章 绪论 1

1.1 论文的研究背景 1

1.2 课题的国内外研究现状 1

1.3 论文研究的主要内容 3

第二章 永磁同步电动机的结构原理和数学模型 4

2.1 永磁同步电动机的概述 4

2.1.1 同步电动机的基本原理 4

2.1.2 永磁同步电机的基本结构 4

2.1.3 永磁同步电机的分类 5

2.2 永磁同步电动机的数学模型 5

2.3 坐标变换 6

2.4 各个坐标系下的永磁同步电机数学模型 8

2.4.1 A-B-C坐标系下数学模型 8

2.4.2 α-β坐标系下数学模型 10

2.4.3 d-q坐标系下数学模型 11

2.5 章节小结 13

第三章 永磁同步电机的矢量控制原理 14

3.1 永磁同步电机的控制技术 14

3.1.1 直接转矩控制(DTC) 14

3.1.2 滑模结构控制 14

3.1.3 基于状态观测器控制 14

3.1.4 矢量控制(SVPWM) 15

3.2 常用的矢量控制方式 15

3.3 章节小结 16

第四章 基于高频信号注入法无位置传感器控制仿真 17

4.1 高频旋转电压注入法 17

4.2 高频载波电流信号解调 18

4.3 转子位置速度估计 19

4.4 矢量控制系统仿真 20

4.5 章节小结 23

第五章 结束语 24

参考文献 25

附录 26

致 谢 28

第一章 绪论

1.1 论文的研究背景

随着电力电子技术以及电机控制技术的迅猛发展,与之相应的电力变换技术也得到迅速发展。从上世纪50年代开始,电力电子器件从最初的晶闸管、门极可关断晶闸管、电力双极型晶体管、电力场效应管发展到绝缘栅极双极型晶体管。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力变换技术也不断焕发出新的活力^[1][2]。

作为联系弱电与强电的纽带,电力变换技术实现了对电能的变换和控制,使电力电机系统输出符合期望的电压、电流,以达到电力领域的要求和标准。与此相呼应的交流调速系统在进入21世纪的今天正逐步取代直流调速系统，从早期的基于交流电动机稳态数学模型的控制方法到矢量控制设想的提出，再到转差型矢量和矢量控制数字化的应用，再到直接转控制理论的提出，随着控制技术和控制手段的不断提高,发展到如今的交流变频调速，使得交流调速系统的性能大大提高。

在运动控制系统中一般需要设置转速闭环控制环节,,通常采用与电动机同轴安装的转子速度位置传感器,但这些速度位置传感器有有许多缺陷，如使机械安装要求高、需要电缆连接、调试工作量大等因素，有时由于环境和空间的限制，导致根本无法安装传感器，对电动机系统的运行可靠性产生了较大影响。无速度位置传感器控制的的调速系统正好可以弥补这些不足。其基本方法是实时监测定子电流和电压，再依据相应的电机模型和合适的算法对转速进行估算，用估算的值进行反馈控制。但此方法估测精度有待提高，是电机领域的无速度传感器控制的一个重要课题。

1.2 课题的国内外研究现状

国外在20世纪70年代首次将无传感器技术用于感应电机，调速比虽然较高，但难以保证精度和稳定性。后来，经过众多专家的研究和探索，仅在电机有限的速度范围内能够使电机运行良好。在1983年，Joetten首次完成了无传感器技术在感应电机矢量控制中的应用，这是交流传动技术发展的里程碑，把无传感技术引领到了一个新的高度。我国主要以感应电机和无刷直流电机为研究对象，而对永磁同步电机的研究相对较少，不过目前国内也取得了一些成果，但与国外对于无传感器技术的研究相比仍有一定的距离^[5-7]。