● 摘要
临近空间为海拔20到100公里的空域，是战略竞争的一个特殊空间，因此各个国家争相研制临近空间飞行器。现有的临近空间飞行器包括：高空长航无人机、浮空气球和平流层飞艇。其中，平流层飞艇依靠螺旋桨的推力来克服阻力，从而实现推进与定点控制。高可靠电力推进系统设计是平流层飞艇设计的九大关键技术之一，它对电机调速系统的基本要求是高可靠低振动。为了提高电力推进系统的可靠性，系统采用有位置反馈控制和无传感器控制冗余备份方案，当检测到旋变受到严重干扰或完全失效时启动无传感器控制；为了达到系统的低振动低噪声要求，本文引入LCL 输出滤波器来抑制永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor-PMSM）在控制过程中由于功率开关器件的高频动作产生的频率从几kHz到数十MHz的电磁干扰（EMI）电磁干扰和谐波转矩脉动。
本文的研究思路是，首先完成输出滤波器的参数选择并对LCL输出滤波器和永磁同步电机进行统一建模，然后，完成实验平台的设计，以及带旋变反馈的矢量控制来检测转子位置作为参考，在此基础上研究无传感器控制方法，并把估计的转子位置与旋变反馈的参考位置定量比较结果。
课题以国家自然科学基金项目和临近空间飞行器的电力推进系统用双余度永磁同步电机项目为背景，针对高可靠低振动的技术问题进行理论分析和实验验证，主要取得以下四方面的研究成果：
首先，为了满足高可靠低振动的要求，在永磁同步电机控制系统中引入LCL输出滤波器，并采用有位置反馈和无传感器控制冗余备份方案，最终达到要求的效果；
其次，在有旋变反馈的永磁同步电机控制系统中，采用永磁同步电机矢量控制的方法进行仿真和实验研究。实验结果表明，电机在额定转速下的稳态误差在±10r/min以内；
再次，在无传感器控制系统中，为了实现永磁同步电机的可靠启动，采用高频脉振电压信号注入法检测转子位置。在有旋变反馈的校正下，实验结果表明，这种方法能准确检测转子位置，误差不超过0.09rad；
最后，仿真和实验研究了LCL输出滤波器的引入对永磁同步电机端电压和相电流检测产生的影响。仿真和实验结果表明，LCL 输出滤波器的引入会使高频注入检测转子位置相位滞后；采用的协同控制方法设计的控制器使系统动态响应明显变快。