无位置传感器推力矢量控制系统永磁同步电机高效力矩控制方法研究

The efficiency and reliability of the thrust vector control system become choke points that influence our propulsion system development. Assuming that if the interior-type structure, sensorless motor driving technique and harmonic suppression method are combined in the electrical servo system, the above problems can be solved. However, it is difficult to obtain the high control performance for the servo motor for its peculiarities, such as sensorless, salient pole structure, current harmonic distortion, and large speed range. This project reveals the effecting rule that different high frequency injected signal imposes on the high frequency motor model and stability of the position tracking, and aims at address the problem of rotor position detection at zero and low speed. Upon this, a wide bandwidth and high accuracy rotor position estimation method will be designed in high speed range based on the analysis of estimation error induced by current harmonic. After that, the maximum-torque-per-ampere algorithm that directly accounts for the nonlinear current dependencies of inductance and magnetic linkage on direct and quadrature-axis current using the Lagrangian approach. And then, the stator current harmonic components will be analyzed, and a fast and high accuracy current harmonic suppression method in the whole speed range will be proposed. Finally, proposed method will be validated through the simulation and experiments. Research work can provide the theory basis for promoting the development of propulsion system.

推力矢量控制系统的效率与可靠性成为制约我国运载系统性能的瓶颈。将内埋式结构、无位置传感器驱动技术与谐波抑制方法相融合可以突破这一瓶颈，然而如何实现全转速范围无位置传感器电动伺服系统的高性能控制成为制约其性能的关键。本项目以无位置传感器电动伺服电机为研究对象，针对其无位置传感器、凸极结构、定子电流谐波畸变、转速变化范围大等特点，首次揭示不同信号注入法对高频电机模型与位置跟踪稳定性的影响机理，解决静止与低速高精度转子位置估计难题，并分析电流谐波对反电势估计造成的误差，设计高带宽高精度中高速转子位置检测方法；继而建立直交轴电感、磁链相对于直交轴电流的非线性模型，提出强鲁棒性无位置传感器伺服电机最大力矩电流比控制方法；然后分析电动伺服电机谐波构成，设计全转速范围快速高精度的电流谐波抑制方法，从而解决电动伺服系统高效高可靠控制这一基础性问题，最终大幅提高运载系统的整体性能。

推力矢量控制系统即伺服系统是运载系统的关键执行机构，其效率与可靠性是影响整个运载系统性能的关键因素。本项目通过研究无位置传感器伺服电机最大力矩电流比控制方法与谐波抑制方法，完成了提高电机可靠性与效率的新机理和新途径探索。.（1）针对无位置传感器电机在起动和低速运行时基波信号信噪比低，难以提取，导致电机起动失效的问题，提出了一种基于虚拟脉振高频注入结合载波频率成分法的转子位置检测新方法。该方法易于工程实现，准确性高，且算法执行时间短，解决了无位置传感器电机起动与低速转子位置高精度检测难题。 .（2）针对常规最大力矩电流比控制方法易受温度、磁饱和等因素的影响，提出了一种基于参数在线辨识的最大转矩电流比预测控制方法。该方法可以有效的跟踪最大力矩电流比工作点，能够满足电动伺服电机系统高效运行的要求。.（3）针对电流高次谐波导致电机损耗与转矩脉动增加的问题，提出了基于谐振控制器的电流谐波快响应抑制方法，有效地消除了电机变速运行中相位滞后对系统动态性能的影响。进而，针对恒转速工况提出了基于重复控制器的电流谐波高精度抑制方法，提高了系统的稳定性和谐波抑制精度。.（4）针对反电动势谐波导致无位置传感器电机中转段转子位置估计误差问题，提出了一种基于正交锁相环+同频提取器的高精度无位置检测方法。该方法可以有效降低转子位置检测误差，进而提高了电机系统的整体效率。.（5）针对高速无位置传感器电机反电动势过零点检测电路中的低通滤波器会引起位置信息相位延迟严重、电机误换相问题，提出了一种基于“90°-α”和“150°-α”最优滞环切换的无位置换相控制算法。该方法有效解决了高速电机高带宽高精度无位置传感器驱动问题。