无调制器的永磁同步电机全速域无位置传感器控制研究

There is a widespread demand for the position-sensorless control of the permanent magnet synchronous machine drives. Most existing rotor position estimation methods, however, have only limited applicable speed ranges. The back-EMF-based methods are not effective in the low or zero speed. At the medium or high speed, the performance of the signal-injection-based methods suffers from the low voltage utilization ratio, the torque ripple and the slow responsiveness. The combination of different methods at the different speeds also brings about the problem of the smooth switching in between. In this project, in order to realize full-speed-range position estimation, a unified method will be proposed based on the finite-control-set model predictive control (FCS-MPC), which is free of the modulators. The need for the extra excitation is reduced thanks to the inherent excitation within the discrete switching nature of the FCS-MPC. The mechanism of the parameter variations under the extreme operation conditions will be studied, based on which an adaptive model will be set up for better position estimation accuracy and wider speed range. The rank-deficiency problem of the multiple-variable estimation at the steady state will also be solved with the inherent excitation. The excitation management will be studied in order to elaborate the relationship between the estimation accuracy and the minimum excitation needed, and also to realize automatic excitation adjustment under the precondition of acceptable estimation performance. In this way, the control margin will be saved and the system cost will be reduced.

永磁同步电机的无位置传感器控制技术具有广泛的应用需求。然而现有的位置估计方法往往受速域限制：反电势类方法不适用于零低速，信号注入类方法在中高速区的性能受电压利用率、转矩脉动、响应速度的限制，而不同方法的组合也会带来速域间平滑切换的问题。本课题拟基于无需调制器的有限集模型预测控制，利用离散开关产生的固有激励降低对额外注入需求，实现永磁同步电机无位置传感器控制全速域统一的位置估计方法。课题将研究无调制器场合极端工况下电机模型参数变化机理，建立对应的自适应模型，从而实现更好的位置估计精度和更大的调速范围，并同样基于离散开关固有激励解决多变量估计的稳态欠秩问题。课题还将研究激励管理，从而阐明估计精度与所需最小激励之间的关系，以及实现满足估计精度前提下的激励按需自动调整，节省控制裕量，降低系统成本。

针对永磁同步电机无位置传感器控制受速域限制、对参数变化敏感、注入激励信号对控制产生干扰等问题，项目对无调制器的永磁同步电机全速域无位置传感器控制进行了研究。首先，研究出一种利用无调制器离散开关控制固有纹波作为激励源的全速域凸极位置检测方法，使电机在有位置传感器能达到的全速度范围内均能实现高性能无位置传感器控制，而无需方法组合或切换。其次，通过自适应预测模型和代价函数两方面降低了无传感预测控制对模型精度的敏感性：提出一种基于集总电势和动态感纳估计的自适应预测模型，使预测过程无需任何电机参数，并且对参数变化、逆变器非线性均有一定的抗扰能力，在不同参数的永磁同步电机系统中具有良好的移植性和通用性；提出一种基于比例-积分-微分型代价函数的有限集模型预测控制，通过积分代价消除模型失配带来的稳态误差，通过微分代价降低由模型失配带来的纹波误差。第三，研究了两种激励管理方法：一是通过代价滞环将有限集模型预测控制和多矢量模型预测控制结合，在获得两者优点的同时，能通过滞环带宽权衡激励纹波和控制性能；二是无调制器场合的开关频率控制，使开关频率作为一个新的控制自由度实现激励纹波和控制性能的权衡。此外，还研究了双电阻采样等欠激励场合滤除无效信息从而提高估计性能的方法。项目研究成果丰富了无调制器预测控制的理论，提出了新的无位置传感器控制策略，也为工业伺服系统、电子油泵、智能家居等不同规格的永磁同步电机无位置传感器驱动系统提供了一种通用解决方案。