基于全数字轴角转换的高可靠性永磁同步电机驱动系统研究

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航天、深海、电动汽车等工业领域及家电领域的电机驱动系统一般采用结构简单、调速性能好以及使用寿命长的永磁同步电机(PMSM),为了在恶劣的环境中稳定运行,电机转子位置传感器一般使用高可靠性、高精度和环境耐受性强的旋转变压器。合理的硬件设计配合软件算法进行旋转变压器全数字轴角转换(RDC)既可以缩小硬件电路体积,又可以提高位置检测精度和抗电磁干扰(EMI)能力;而相电流重构技术则可以进一步减少电流传感器的数量、提高系统的可靠性。研究这两项关键技术对我国工业和家电领域发展具有重要的意义。根据旋转变压器的工作原理,研究相敏解调法进行旋变输出信号的解调。研究传统的角度观测器法来获取解调信号中包含的转子位置,对三种角度观测器法稳态和动态性能指标进行分析,为研究RDC系统的高精度位置检测提供理论依据。针对相敏解调法中使用RC滤波器存在相位滞后大等问题,提出基于二阶巴特沃斯低通滤波器的相敏解调法,由于该滤波器的相频特性是线性的,通过最小二乘法进行补偿得到相位滞后小、高精度的解调效果。针对角度观测器法存在相位滞后、计算量大等问题,提出使用稳态扩展卡尔曼滤波器(SSEKF)获取转子位置,该方法具有计算效率高、响应速度快、位置检测精度高和跟踪加速度输入时不存在稳态误差等优点,能够有效提高RDC系统的整体性能。针对电机驱动系统在密闭空间工作时存在EMI大的问题,研究旋变抗电磁传导干扰策略。在分析脉冲宽度调制(PWM)干扰的产生机理、耦合路径和影响因素的基础上,研究使用EMI滤波器和仪用放大器抑制PWM干扰的硬件抗EMI策略。针对硬件策略无法抑制的干扰,进一步提出限幅滤波器加相敏解调法的软件抗EMI策略,硬件电路结合软件算法的策略能够有效抑制PWM传导共模干扰。设计PMSM驱动系统的硬件电路。为了进一步缩小电机驱动器的体积、提高可靠性,研究基于直流母线采样法的PMSM相电流重构技术,针对直流母线采样法存在的电流重构盲区,研究脉冲移位法。结合硬件设计和软件算法,通过实验验证了所提出的巴特沃思滤波器相敏解调法和SSEKF转子位置获取方法相结合的RDC系统具有高位置检测精度、跟踪加速度输入时误差角度小和计算量小等优点,同时验证了相电流重构技术在稳态、动态的工况下均有较好的电流重构效果。
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