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基于滑动平均滤波的永磁电机无位置传感器控制策略.docx
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基于滑动平均滤波的永磁电机无位置传感器控制策略.docx
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1 引言
如今,永磁同步电机(Permanent magnet synchronic motor, PMSM)在高性
能要求变速系统中的应用越来越广泛
[1,2,3,4]
。永磁同步电机的高性能矢量控制需
要精确的转子位置信息,通常要在转子轴端安装位置传感器
[5,6]
。然而,这些传感
器会使系统的成本增加、体积增大,极易受外界环境干扰。为克服这些缺点,永
磁同 步 电机的无传 感 器控制(Sensorless control)技术 成为热门研 究 课题。通
常,PMSM 无位置传感器的实现方法可以根据电机运行频率范围分为两类。当
电机运行频率在中/高速时,转子位置信息的获取主要利用模型法
[7,8,9,10,11]
。而当
电 机 零 / 低 速 运 行 时 , 主 要 应 用 高 频 信 号 注 入 法 (High frequency signal
injection,HFSI)
[12]
来获取转子位置及转速。
高频信号的注入会在电机基频电流中引入高频响应电流。因此,为保证系
统跟随给定的动态性能,应使电机中的反馈电流平滑真实且不包含高频成分。
故不可避免地要使用到低通滤波器(Low pass filter, LPF)处理。此外,高频信号
注入虽然能够实现电机零/低速无传感器控制的运行,但信号的注入增加了信号
处理的复杂程度,在对高频电流响应的处理过程中也需要借助 LPF、高通滤波
器(High pass filter, HPF)或带通滤波器(Band pass filter, BPF)和转子位置观测
器等实现转速和转子位置的估计。滤波器截止频率的选择使得系统未确定参数
数量增加,降低了系统对于参数的鲁棒性,影响转 子位置的观测精 度,不利于系
统的设计。滤波器的引入限制了系统的带宽,影响系统动态性能。因此,众多学
者对此展开了探讨钻研。文献[13]中,二阶广义积分器被提出与 PI 调节器相结
合可以提高电流环的动态性能,但积分器的引入无疑加大了系统的复杂性和计
算量
[14]
。除此之外,针对注入信号与调制信号的时序关系,文献[15]提出了滑动平
均滤波器(Moving average filter,MAF),利用高频信号的周期性和半波对称性来
消除特定谐波,结构简单,仅需设计采样深度一个参数,便于实现,用于取代传统
的 LPF、BPF 和 HPF,实现高动态品质的无传感器控制。
文章以永磁同步电机低速无传感器控制方法为基础,首先分析了传统滤波
器对永磁同步电机无位置传感器控制系统的影响,进而提出基于 MAF 的无传感
器控制方法。其次,对传统滤波器和滑动平均滤波器在离散域进行分析,验证所
提算法的理论可行性。最后分别利用仿真平台和永磁同步电机对拖试验平台验
证了算法的有效性。
2 无传感器系统传统信号处理方式
2.1 高频方波信号注入转 子位置观测
PMSM 在 d-q 轴系下的高频数学模型为
[16]
(1)
式中,u
dh
、u
qh
分别为 d-q 轴高频电压分量;i
dh
、i
qh
分别为 d-q 轴系下的高频
电流分量;L
d
、L
q
分别为 d-q 轴电感;ρ 为微分算子。
注入的信号数学表达式为
uinj={Uinjt∈[nTinj,(n+12)Tinj]−Uinjt∈[(n+12)Tinj,(n+1)Tinj]uinj={Uinjt∈
[nTinj,(n+12)Tinj]−Uinjt∈[(n+12)Tinj,(n+1)Tinj]
(2)
式中,uinjuinj 表示注入的高频方波信号;U
inj
表示注入信号幅值;T
inj
表示注入
信号的周期;n 表示已经注入信号的周期。
图 1 为各轴系间的相位关系,按顺时针方向依次为两相旋转坐标系(d-q 轴
系)、估计的两相旋转坐标系(d^−q^d^−q^轴系)、两相静止坐标系(α-β 轴系)以
及 滞后 d^−q^d^−q^轴系 45°的两相旋转测量轴系(dm−qmdm−qm 轴系)。
图 1
图 1 坐标轴系关系图
从测量轴系提取转子位置误差为
[16]
θ~e=2√2LdLqUinjTinj(Ld−Lq)(Imdh−Imqh)θ~e=22LdLqUinjTinj(Ld−Lq)(Idhm−Iqh
m)
(3)
式中,θ~eθ~e 为从测量轴系提取转子位置误差;ImdhIdhm、ImqhIqhm 为测量
轴系下的高频电流信号的幅值。
由式(3)可知,可以根据电流的幅值计算转子位置误差,因此,获得高频电流
响应的幅值显得尤为重要。通过高通滤波器处理测量轴系下的总电流可以分离
出高频电流响应的幅值。对分离到的波形进行绝对值处理,可得到幅值不变、
频率倍增的非负信号,可以采用低通滤波器分离出包含转子位置误差信号的直
流信号。图 2 为位置误差信号提取流程图,同时为了提高观测器输入对电机参
数及输入电压幅值的鲁棒性,对提取到的电流幅值进行标幺化处理。
图 2
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