基于单电流传感器的永磁同步电机相电流重构算法研究

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永磁同步电机因其高可靠性、高精度、高功率因数等众多优点在工业伺服和航空航天等领域得到了广泛的应用。现代永磁同步电机多采用闭环矢量控制驱动系统,需要实时检测绕组相电流和转子位置信息,但无论是位置传感器还是电流传感器价格都较昂贵,从而对驱动系统的成本造成不利影响。因此,在不降低控制系统性能的情况下,用软件算法代替硬件来减少传感器数量的使用具有十分重要的意义。现有的相电流重构技术多采用在直流母线上安装一个电流传感器来实现三相电流的检测,但其在低调制区和扇区边界区存在盲区需要复杂的补偿算法。为解决这些问题,本文对相电流重构技术的实现原理、电流重构盲区、重构误差及不同采样方式下的拓扑结构进行了深入的研究。首先,在坐标变换的基础上建立了永磁同步电机控制系统的数学模型,并选取了简单高效的_di(28)0的控制策略作为本文驱动系统的控制方案。针对永磁同步电机正弦波控制方案进行了对比分析,得出了SVPWM比SPWM的调制度高15%的结论,这使得SVPWM的直流母线电压利用率更高,并给出了SVPWM调制算法的具体实现方式。其次,研究了相电流重构技术的基本原理,得出三相电压源逆变器的各支路电流与绕组相电流在不同电压矢量作用下的对应关系。在直流母线采样相电流重构技术的基础上简要介绍了电流重构盲区的脉冲移位法与矢量插入补偿算法,并通过仿真验证了直流母线采样相电流重构方法的有效性。然后,介绍了零矢量时段的电流采样法,阐述了其工作原理,并通过理论计算得出了其有效工作的区域及具体适用范围,解决了直流母线采样法在低调制以及扇区边界区因有效电压矢量幅值过小不能重构三相相电流的问题。最后,针对零矢量采样法的电流重构盲区问题,对电流传感器的安装位置进行了改进,提出了一种混合矢量采样法,使其不仅能够在零矢量时段内采集到足够的相电流信息,也可以在有效电压矢量时段内完成相电流重构,并在混合矢量采样的基础上插入零矢量来进一步缩小相电流重构盲区,提高系统的控制精度。分析了相电流突变引起的电流重构误差原理,通过混合采样补偿算法提高PWM周期内的相电流重构次数,有效的减少了相电流突变所带来的误差,进而提高了永磁同步电机控制系统性能。本文对不同电压矢量作用下的永磁同步电机相电流重构技术进行了深入的研究。将直流母线采样法和零矢量采样法下的相电流重构进行了对比分析,并通过改进传感器的安装位置,将有效电压矢量作用时间下的相电流重构和零电压矢量作用时间下的相电流重构算法进行融合。此重构算法不仅进一步减少了永磁同步电机相电流重构盲区范围,而且保证了其控制系统性能,对驱动系统的低成本应用领域具有重要意义。
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