【摘 要】
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随着电动化与智能化浪潮席卷全球,能源转型已经成为现代工业发展的必经之路。电机作为电驱动系统的核心,引起了各行各业的广泛关注。其中,永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine,PMSM）凭借高运行效率、高启动转矩、小体积等优点,被广泛使用。其应用场景涉及精密伺服控制、运载装备牵引驱动、风力发电等诸多领域。矢量控制（Field Oriented Contro
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随着电动化与智能化浪潮席卷全球,能源转型已经成为现代工业发展的必经之路。电机作为电驱动系统的核心,引起了各行各业的广泛关注。其中,永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine,PMSM）凭借高运行效率、高启动转矩、小体积等优点,被广泛使用。其应用场景涉及精密伺服控制、运载装备牵引驱动、风力发电等诸多领域。矢量控制（Field Oriented Control,FOC）作为PMSM常用的控制方案,可以获得理想的电机转速与转矩控制性能。然而,矢量控制算法的旋转坐标变换,需要时刻获取精确的转子位置信息。因此,往往需要在电机转子上安装高精度的机械式位置传感器来实时量测转子位置值。然而,位置传感器一般价格昂贵,还会不可避免地增加电机系统的复杂度和体积,降低其可靠性。基于所量测的电机电流电压信号来获取转子位置的无位置传感器控制算法,解决了这一问题。现阶段,PMSM无位置传感器控制方案主要可分为三大类:基于电机凸极特性的方案、基于电机基频模型的方案以及开环控制方案。不同类型的无位置传感器方案各具其优缺点,并分别适用于不同的使用工况。然而,在一些特殊工况下,现有的传统控制方案却较难实现理想的控制效果,甚至会启动失败或运行失稳。针对此问题,本文的核心内容以实现特殊工况下PMSM的无位置传感器控制为目标,并对其可靠性进行针对性算法设计。即在“三大类”典型方法的基础上,解决“三种特殊工况下”所存在的可靠性设计问题。具体研究内容如下:（1）研究了基于电机凸极特性的高频注入算法、基于电机模型的传统滑模观测器算法以及开环V/F控制与I/F控制。探索了各个方案的基本原理以及实现过程,并完成实验分析,为解决特殊工况下无位置传感器的可靠性设计问题奠定理论和工程应用基础。（2）研究了自由运行状态下PMSM的无位置传感器控制方案,提高了电源重启后,PMSM再次受控时的可靠性。针对电动汽车等应用场景下,可能出现的自由运行工况,本文通过高频脉振电压注入法与短脉冲注入相结合的控制方案,实现了PMSM在自由运行状态下的初始位置检测、极性判断以及位置估计。最终实现了在PMSM自由运行状态下,电源重启之后电机的快速受控运行。（3）研究了PMSM全速域内的无位置传感器柔性切换控制方案,改善了PMSM在全速域内运行时的可靠性,以及不同类型无位置传感器算法切换时的可靠性。针对单一方案较难适用于全速域内（零速、低速、高速）的难题,本文提出一种将高频注入法（用于零、低速）和滑模观测器算法（用于中、高速）相结合的柔性切换控制策略。其通过高频注入法零速启动及低速运行,并在中高速工况通过基于权值函数的切换方法实现与滑模观测器算法间的柔性过渡,最终实现了全转速范围内的无位置传感器控制,并具有较好的可靠性。（4）研究了隐极式PMSM的初始位置检测及低速稳定启动与运行方法,改善了隐极式PMSM开环启动时的可靠性,并实现了高频注入法在隐极式PMSM上的可靠应用。隐极式PMSM由于凸极特性近似为零,因此往往难以通过高频注入法来实现静止情况下的初始位置检测与启动。本文提出通过高频阻抗测量和极性判断的方法,实现了隐极式PMSM的初始转子位置检测。在此基础上,又提出了一种三步启动方案来实现隐极式PMSM的开环稳定启动与运行,并进一步实现了从开环控制到闭环矢量控制的无位置传感器控制切换。通过上述方案,可控制隐极式PMSM在无位置传感器的控制模式下实现可靠的初始位置检测、启动及运行。综上所述,在典型的无位置传感器控制方案基础上,本文针对三种特殊工况进行了建模分析并设计了相应的解决方案,并通过实验进行了验证。实验结果表明,通过所提控制方案,可以实现PMSM在上述特殊工况下的无位置传感器可靠运行。因此,相应工作不仅具有理论意义,还有着较好的应用价值。
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