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大功率永磁同步电机无位置传感器控制系统设计

大功率永磁同步电机无位置传感器控制系统设计

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作者：周宁群武汉理工大学

学位级别：硕士

随着高能量密度永磁材料的兴起,大功率永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)在舰船、潜艇等重要领域的应用越来越普遍。然而,这些应用场景下的控制系统需要面临极端和复杂的工况,因此其对器件的可靠性、系统噪声、电... 详细信息

随着高能量密度永磁材料的兴起,大功率永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)在舰船、潜艇等重要领域的应用越来越普遍。然而,这些应用场景下的控制系统需要面临极端和复杂的工况,因此其对器件的可靠性、系统噪声、电流谐波含量、控制精度等性能有着较高的要求,控制系统的设计往往较为困难。针对这一现状,本文对大功率PMSM无位置传感器控制系统的设计进行了研究,从逆变器拓扑和控制策略的角度改进了无传感器控制系统,并根据实际工况进行了软硬件平台的优化设计。首先,本文对逆变器拓扑进行了改进。文中分析了传统三相逆变拓扑在驱动大功率PMSM时存在的不足,并由此引入了交错并联拓扑。通过理论推导,证明了交错并联拓扑在抑制电流谐波和高频噪声干扰、提升开关器件使用寿命等方面的优越性能。接着,本文对无传感器控制策略进行了分析及改进。滑模观测器法因具有良好的鲁棒性,被广泛应用于大功率PMSM无位置传感器控制系统中,但其存在的抖振现象会引入不必要的高频抖振干扰,从而产生额外的系统噪声。针对这一问题,本文提出了改进的变指数趋近律和新型饱和函数,对传统滑模观测器进行了优化,有效地削弱了系统抖振,提高了电机的控制精度。然后,本文结合实际工况设计了控制系统的软硬件平台。文中设计了驱动电路和用于交错并联拓扑的PWM信号分频算法,有效提升了系统的等效开关频率。同时,考虑到大功率PMSM控制系统应用环境恶劣,程序更新维护较为困难,文中设计了一种基于CAN总线的程序在线更新算法,大大简化了系统的更新维护步骤。最后,本文搭建了实验平台对所提出的优化设计方案进行实验验证。实验结果表明,本文设计的大功率PMSM无位置传感器控制系统具有良好的可靠性,并实现了系统噪声和电流谐波的抑制,具有较好的工程应用价值。

关键词：大功率永磁同步电机交错并联拓扑系统噪声电流谐波滑模观测器

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