基于转速分段优化和平滑切换的高速永磁同步电机无传感器控制技术研究

High-speed permanent magnet synchronous machine (HPMSM) system has a broad application prospects in aerospace, high-speed machine tools and other fields due to its advantages of small size and high integration. However, the conventional sensorless control technique has some challenging problems such as unstable startup, low energy efficiency and easy switch oscillation. .Therefore, this project will focus on HPMSMs sensorless control technique and achieve stable and efficient operation in full speed range by using speed segment optimization and smooth switching method. Research contents include: ①During startup stage, this project studies the startup failure of I/F control method without the initial rotor position. A low-speed hybrid control method based on high-frequency composite signal injection method for startup is proposed to improve startup stability. ②During high-speed stage, the optimal efficiency model is constructed by fusing the maximum torque current ratio control strategy. On this basis, the high-speed "double reactance" control method against motor parameter perturbation and external interference is studied to improve the operation efficiency under complex conditions. ③During switching stage, aiming at the switching oscillation caused by the structural difference between high-speed and low-speed control schemes, an adaptive switching method based on gradual structural model is proposed to improve the smoothness of switching operation. The implementation of this project will help accelerate the development of high-end equipment manufacturing industry, and provide new ideas for the application and popularization of HPMSMs sensorless control technique.

高速永磁同步电机系统因体积小、集成度高等优点在航空航天、高速机床等领域具有广阔应用前景，但传统无传感器控制技术存在启动不稳、高速能效低以及切换易振荡等挑战性问题。为此本项目将重点研究高速永磁同步电机无传感器控制技术，运用转速分段优化和平滑切换的控制方法实现稳定、高效运行。研究内容包括：①启动阶段，研究I/F控制方法在转子位置未知时的启动失效机理，提出基于复合高频信号注入辅助启动的混合控制方法，提高启动时的稳定性。②高速阶段，构建融合最大转矩电流比控制策略的最优效率模型，并在此基础上研究抗电机参数摄动和抗外部干扰的高速“双抗”控制方法，提升复杂条件下的运行效率。③切换阶段，针对高低速控制方案结构差异导致的切换振荡问题，提出基于渐变结构模型的自适应切换方法，提升切换运行的平滑性。本项目的开展，将有助于加速我国高端装备制造业的发展，为高速永磁同步电机无传感器控制技术的实用化、普及化提供新思路。

高速永磁同步电机(HPMSM)系统因体积小、功率密度大、集成度高等优点在航空航天、高速机床、飞轮储能、分布式发电、天然气开采及输送、真空离子泵等高端驱动设备应用领域具有广阔应用前景。为了实现高性能 HPMSM 驱动系统调速控制，多采用较精密的机械式编码器来获取转子的位置或速度信息。然而，所采用的机械式编码器不仅会增加系统体积和成本，其往往也是整个驱动控制系统中的脆弱环节，易受震动，灰尘，湿度等运行工况的影响。一旦编码器发生故障，容易导致系统发生飞车，损坏设备甚至造成人员伤亡等事故。此外，机械式编码器的安装维护困难、连接线路复杂、易受噪声和电磁干扰等缺陷也会降低系统的可靠性，限制了 HPMSM 的应用。因此，研究 HPMSM 无位置传感器控制技术既符合高效电机的发展趋势，也是当前我国高端装备制造产业发展的迫切需求。.根据不同的转速适用范围，将低、高转速段无位置传感器控制方法复合使用，目前已基本能实现HPMSM全速度无传感器控制运行并获得部分应用。但传统无传感器控制技术仍存在启动不稳、高速能效低以及切换易振荡等挑战性问题。为此本项目基于转速分段优化和平滑切换的控制思路，在启动阶段，研究I/F控制方法在转子位置未知时的启动失效机理，提出基于复合高频信号注入辅助启动的混合控制方法，提高启动时的稳定性；在高速阶段，构建融合最大转矩电流比控制策略的最优效率模型，并在此基础上研究抗电机参数摄动和抗外部干扰的高速“双抗”控制方法，提升复杂条件下的运行效率；在切换阶段，针对高低速控制方案结构差异导致的切换振荡问题，提出基于渐变结构模型的自适应切换方法，提升高低速切换运行的平滑度；最终形成一套完整、可靠、高效的HPMSM 全转速段无位置传感器控制解决方案。本项目的完成，将有助于加速我国高端装备制造业的发展，为高速永磁同步电机无传感器控制技术的实用化、普及化提供新思路。