本文是一篇机械论文，本文分析国内外驱动系统及算法的研究现状。探讨矿用电机驱动控制系统的发展，阐述了井下高温环境系统电路设计方案，同时对几种广泛应用的现代PMSM控制策略进行了简要的对比分析。
第一章绪论
1.1研究背景
伴随着工业化进程的持续推进，我国经济对矿产资源开发利用的需求也不断激增，根据《全国矿产资源规划（2016-2020年）》[1]目标规划，保证重要矿产资源储量保持稳定增长，规划267个国家规划矿区，大中型矿山比例超过12%，主要矿产资源产出效率提高15%。而电机作为矿产资源开发关键设备，特别是大功率电机在矿产资源的开发过程中得到广泛应用。矿产资源开发通常是在各种极端环境下进行的，作为高效控制电机的驱动控制单元，其对环境的适应性是实现极限探测的关键，这将对电机驱动控制系统环境适应性、控制性能等提出了更高的要求。如井下油田勘探环境温度达到100℃以上[2]，温度应力对高度集成电路的影响很大，因此对集成电路中的元器件温度适应性要求更高，其主要影响包括：可造成电子元器件或部件失效、降低使用寿命[3]、电子元器件性能等。为此不少学者对电子元器件的温度特性进行了探索，例如学者胡雷对同型号的四个电解电容在其工作温度范围内（-25~105℃）进行测试[4]，其实验如图1.1所示，根据相同的四种电解电容在不同的温度下，伴随着实验温度的升高，各个电解电容的电容量和等效串联阻抗（Equivalent Series Resistance，ESR）温度特性都随温度的升高产生很大的变化。所以，电机驱动控制系统的高温适应性研究，对提高其可靠性、延长其产品使用周期具有重要意义[5]。
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1.2矿用电机驱动控制系统研究及井下高温电路设计研究
1.2.1矿用电机驱动控制发展
电机驱动控制在矿产资源行业的应用由来已久，随着近代电子电力的发展时刻发生着日新月异的变化。如割煤机、通风机、皮带运输机、矿井主动提升机等的应用。
最早20世纪50年代应用于带式输送机，德国鲁尔区Haniel-ProsperⅡ号煤矿首次开发了基于钢丝绳芯的带式输送机。随着时代发展逐渐出现了多种驱动方式应用于矿用输送机，如调速型液力耦合器、CST驱动、电软起动、变频器+异步电机+减速机[9]。而现如今矿产资源开发中，永磁同步电机在矿用电机的应用有着很大的占比，基于变频器加永磁同步电机直驱驱动方式逐渐在国际电机控制领域中得到越来越多的应用。这些变频方式还伴随了各种可控功率器件和变频技术的产生，如功率器件MOSET、IGBT，这些器件普遍拥有耐高温、高频率工作、导热性好、低损耗耐高压[10]等特点。除了变频器的发展，各种拓扑结构的不断更新同样加速了电机驱动控制的发展。
近代以来，矿用电机车进入了矿产资源开采的行业中，电机驱动控制系统的研究程度不断加深，为更高精度的电机驱动控制系统奠定了基础。其研究主要在电机变频器技术和调速技术不断被广泛改进与创新[11-12]。国外学者Lazurenko Oleksandr设计一种可从不同电压等级为矿用电力机车的牵引感应电动机（Traction Induction Motor，TIM）供电的电源电压逆变器结构[13]。通过各种电源（接触网、牵引蓄电池组）为矿用电机车的牵引感应驱动（TractionInduction Drive，TID）供电，电源可以将TIM电源电压调整到较低水平。这是通过适当的算法控制电源电路中的逆变器桥来实现的，由于电压的平衡，脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)不会改变，来降低动态损耗，提高有用效率，进而达到更高性价比高、线性度好的效果[14]。
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第二章PMSM控制系统
2.2三相PMSM坐标变换理论
本节为了便于后期控制器的设计，需要选择合适的坐标变换对三相PMSM的数学模型进行降价和解耦变换。主要通过两种变换方式：静止坐标变换（Clark变换）和同步旋转坐标变换（Park变换）。
2.2.1 Clark坐标变换
三相PMSM基本数学模型由上式（2.12）到式（2.16）整合构成，由ABC三相坐标的电压方程和电磁方程不难看出PMSM的数学模型是一组与转子随时位置有关的非线性时变方程。因此对PMSM直接控制和分析异常困难，PMSM的强耦合，非线性的特性迫切需要合适的数学模型对其解耦，为此需要对电机数学模型进行坐标变换以此达到易于控制的目的。
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2.5空间矢量脉宽调制
脉宽调制是一种可把母线直流电转换为三相交流电的技术，这种方法广泛应用于电机电源控制领域[38]。正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）算法是较为传统的脉宽调制方法，而本文介绍了一种空间电压矢量PWM技术，两电平空间矢量调制算法，这种技术比较SPWM有着更好的转换效率。SVPWM技术是无刷电机或PMSM，用于正弦波或矢量控制方式的重要技术。
2.5.1三相电压的空间矢量
该空间向量问题实质上是由三个标量向一个综合向量的转化，三相正弦波电压简化为单相矢量旋转电压。SVPWM的理论依据是在一个切换周期中，电源转换装置对电压向量的综合。图2.4是常规PMSM控制系统的逆变器，其中S1-S6是功率开关元器件IGBT，dcU是直流母线电压。
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第三章基于改进EKF系统高温适应性研究............................31
3.1引言..............................31
3.2扩展卡尔曼滤波器原理与模型.....................31
第四章硬件与软件设计................................45
4.1系统总体结构................................45
4.1.1系统性能指标..................................45
4.1.2系统总体结构....................................46
第五章实验验证...............................65
5.1实验平台搭建......................................65
5.2三相电流波纹实验.............................67
第五章实验验证
5.1实验平台搭建
实验验证搭建平台满足要求：
（1）永磁同步同步电机如图5.1所示，电机具体必要参数如表5.1所示。
机械论文参考
本章完成实验平台的搭建。通过三相电流和高温箱进行实验验证，实验结果表明：在125℃高温环境中三相交流电幅值和为0、相位差互补120°稳定达到平衡状态，则电流闭环中电流信号的反馈持续稳定，电流环控制对象PWM逆变器、电机三相绕组、电流检测电路正常，系统转子位置跟踪观测器EKF对检测到的电流信号做到实时跟踪。同时该系统板载可在10分钟达到最高环境温度，并能够持续稳定运行在两小时以上保持与上位机正常通讯。因此该系统拥有良好的环境适应性与控制精度，符合实际应用标准。
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第六章总结与展望
6.1总结
本文研究了矿用高温环境下电机驱动控制系统。主要通过控制策略的选择、控制系统的优化和硬件设计三方面进行展开，设计了一种矿用高温环境下PMSM驱动控制系统。无位置传感器控制策略，简化系统连接线路，提高了系统的可靠性。改进基于EKF无位置传感器控制系统保证了系统的控制精度要求。栅极驱动IC的高温专用电路设计和板间散热处理提高了驱动部分的高温适应性。该系统在125℃高温环境中具有良好的高温适应性及控制性能。本文主要研究内容如下：
（1）分析国内外驱动系统及算法的研究现状。探讨矿用电机驱动控制系统的发展，阐述了井下高温环境系统电路设计方案，同时对几种广泛应用的现代PMSM控制策略进行了简要的对比分析。
（2）建立了PMSM在不同坐标下的数学模型。对电机矢量控制进行深入探讨，其中包括空间矢量脉宽调制和闭环控制调节器的设计。同时对基于三相PMSM无位置传感器控制系统的建模仿真，验证了三相PMSM无位置传感器控制系统在动态响应和抗干扰性方面表现出良好的性能。
（3）基于改进EFK无位置传感器控制系统高温适应性研究。通过将脉振高频电压信号注入同步旋转坐标系中的d轴上，使叠加后的基波信号共同施加给三相绕组，其后利用带通滤波器将EKF输出的电压信号抽取并做幅值调制处理，估算出转子位置。最后对该控制系统进行MATLAB/Simulink仿真，实验结果表明电机转子位置误差由范围-0.32~0.1缩小至-0.23~0.05，有用信噪比提高约47.62%，一定程度上对高温环境中电机绕组磁性，转子振动等噪声起到滤波增益和自适应的效果，提高驱动系统在高温下的控制精度和改善低速情况下转子位置信号问题。
参考文献（略）