電機(jī)無(wú)位置、無(wú)速度傳感器的設(shè)計(jì)

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y現(xiàn)代交流電動(dòng)機(jī)的智能控制 -電機(jī)無(wú)位置、無(wú)速度傳感器的設(shè)計(jì) 班 級(jí)： 電氣 姓 名： 學(xué) 號(hào): 完成日期： 2015年1月3日 電機(jī)無(wú)位置、無(wú)速度傳感器的設(shè)計(jì)【摘要】近年來(lái)，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論的飛速發(fā)展，促進(jìn)了永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)的不斷進(jìn)步。無(wú)位置傳感器永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)、運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，還具有體積小、成本低、可靠性高以及能應(yīng)用于一些特殊場(chǎng)合的特點(diǎn)。本文以正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，采用滑模觀測(cè)器的方法，研究并實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的無(wú)位置傳

2、感器技術(shù)。 【關(guān)鍵詞】永磁同步電機(jī)，無(wú)位置傳感器，矢量控制 一、永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 永磁同步電機(jī)(PMSM)的定子結(jié)構(gòu)與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子一樣，均為三相對(duì)稱繞組結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)是它區(qū)別于其它類(lèi)型電機(jī)的主要因素。為了更好的分析和控制，需要建立簡(jiǎn)便可行的永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型。 永磁同步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多輸入、強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)，因此其電磁關(guān)系十分復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化分析，作出如下假設(shè)： (1)忽略磁路飽和、渦流和磁滯損耗； (2)轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組，永磁體沒(méi)有阻尼作用； (3)電機(jī)的反電勢(shì)正弦，定子電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布磁勢(shì)，忽略磁場(chǎng)高次諧波。 圖1為表裝式永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，為了簡(jiǎn)化，這里轉(zhuǎn)

3、子設(shè)為一對(duì)磁極結(jié)構(gòu)。從圖1中可知，永磁同步電機(jī)的定子繞組結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電機(jī)相同，三個(gè)電樞繞組空間分布，軸線互差 120°電角度。這里以 A 相繞組軸線作為定子靜止參考軸，定義轉(zhuǎn)子永磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)橹陛S(d軸)，則沿著旋轉(zhuǎn)方向超前直軸 90°電角度的位置為交軸(q軸)，并且以轉(zhuǎn)子直軸相對(duì)于定子 A相繞組軸線作為轉(zhuǎn)子位置角。 三相定子電流主要作用是產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，可以用兩相系統(tǒng)來(lái)等效，這里就引入了旋轉(zhuǎn)兩相dq 坐標(biāo),于是得到 PMSM 在dq 軸系的電壓方程： 最終得到PMSM 的運(yùn)動(dòng)方程為： 二、永磁同步電機(jī)矢量控制原理 矢量控制的基本思想是在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)

4、下，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩分量互相垂直、彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。PMSM中，由于勵(lì)磁是由永磁體轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)，這樣只需控制定子三相電流合成正交于轉(zhuǎn)子直軸的轉(zhuǎn)矩電流分量就可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，使得 PMSM 的控制等效成直流電機(jī)的控制。 磁同步電機(jī)矢量控制的基本思想就是建立在坐標(biāo)變換及電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程上的。對(duì)于表裝式永磁同步電機(jī)(SPMSM)，其直軸電感和交軸電感相等，即 ，則轉(zhuǎn)矩方程可簡(jiǎn)化為： 。 由上式可以看出，表裝式永磁同步電機(jī)和直流電機(jī)具有相同的電磁轉(zhuǎn)矩方程。由于電機(jī)極對(duì)數(shù) 、永磁體磁勢(shì)為常數(shù)，則對(duì)于永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，可以采用類(lèi)似直流電機(jī)的控制方

5、法來(lái)控制轉(zhuǎn)矩。然而，對(duì)于直流電機(jī)，由于其勵(lì)磁磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)正交，所以控制非常簡(jiǎn)單；對(duì)于永磁同步電機(jī)，由于通入三相交流電，三相繞組耦合，同時(shí)又與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)耦合，所以永磁同步電機(jī)的控制顯然比直流電機(jī)控制復(fù)雜。 永磁同步電機(jī)的控制關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的高性能控制。從電機(jī)數(shù)學(xué)模型看，對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制最終歸結(jié)為對(duì)交軸和直軸電流的控制。對(duì)于 PMSM 一般采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方式(可簡(jiǎn)寫(xiě)為 FOC)，該方式對(duì)小容量驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合特別合適。對(duì)給定的電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)交軸和直軸電流有多種不同的組合，按照控制目標(biāo)可以分為：控制、功率因數(shù)等于1控制、力矩電流比最大控制、恒磁鏈控制。它們各有各的特點(diǎn)： (1)控制是一種最

6、簡(jiǎn)單的電流控制方式，該方法由于沒(méi)有直軸電流，因此電機(jī)沒(méi)有直軸電樞反應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生去磁效應(yīng)。電機(jī)所有電流均用來(lái)產(chǎn)生電磁力矩，對(duì)于表裝式電機(jī)，時(shí)電機(jī)電流所產(chǎn)生的電磁力矩最大。 (2)功率因數(shù)等于1控制方法是使電機(jī)保持功率因數(shù)恒為 1，從而使得逆變器的容量能得到充分的利用。但是在永磁同步電機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁不能調(diào)節(jié)，在負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩繞組的總磁鏈無(wú)法保持恒定，所以電樞電流和轉(zhuǎn)矩之間不能保持線性關(guān)系。 (3)力矩電流比最大的控制是在電機(jī)輸出給定力矩的條件下，使定子電流最小的控制方法。該方法減小了電機(jī)的銅損，有利于逆變器開(kāi)關(guān)器件的工作，減小逆變器的損耗。在該方法的基礎(chǔ)上，采用適當(dāng)?shù)娜醮趴刂品椒?，可以改善?/p>

7、機(jī)高速時(shí)的性能，缺點(diǎn)是功率因數(shù)隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增大下降較快。對(duì)于表裝式永磁同步電機(jī)，本控制方式就是控制方式。 (4)恒磁鏈控制方法就是控制電機(jī)定子電流，使氣隙磁鏈與定子交鏈磁鏈的幅值相等。這種方法可以獲得比較高的功率因數(shù)，在一定程度上提高了電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，但仍存在最大輸出轉(zhuǎn)矩的限制。以上各種電流控制方法各有特點(diǎn)，適用于不同的運(yùn)行場(chǎng)合。 采用的矢量控制方式，可以得到SPMSM的線性狀態(tài)方程：三、控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 無(wú)位置傳感器永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由主電路和控制電路組成。主電路包括整流濾波電路以及功率驅(qū)動(dòng)電路，其中功率驅(qū)動(dòng)模塊采用了智能功率驅(qū)動(dòng)模塊 IPM，它集功率

8、開(kāi)關(guān)器件 IGBT、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路為一體，在保證系統(tǒng)控制性能的同時(shí)極大地簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)?？刂齐娐芬詿o(wú)位置傳感器永磁同步電機(jī)專(zhuān)用控制芯片IRMCF341為核心，包括母線電壓采樣電路、單電阻電流采樣電路、開(kāi)關(guān)電源電路、上位機(jī)通訊電路、EEPROM 電路等部分。 本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路采用了新型智能功率驅(qū)動(dòng)模塊 IPM。智能功率模塊是把功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，帶有電壓保護(hù)、電流保護(hù)及熱保護(hù)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送至CPU或DSP做中斷處理的新型電力電子器件。它一般由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門(mén)及驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路組成，即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)也能保證IPM本身不受損壞。IPM一般使

9、用 IGBT 作為開(kāi)關(guān)元件，并內(nèi)置傳感器及集成驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)中使用的IPM為SKT621-061A 型智能功率模塊，最大輸入電壓為 450V，最大輸出電流為 30A，最高開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)20KHz，能很好地滿足設(shè)計(jì)要求。永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器矢量控制系統(tǒng)分析：由上述分析可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小取決于和的大小，即控制和便可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。由于一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)一定的和，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)電流的控制，使實(shí)際的和跟蹤指令值和，便實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和速度的控制。 對(duì)于三相永磁同步電機(jī)，通過(guò)檢測(cè)電樞繞組的三相交流電流，和，然后通過(guò)坐標(biāo)變換，得到旋轉(zhuǎn)兩相dq坐標(biāo)下電流和，在此過(guò)程中，需要用到轉(zhuǎn)子的位置信息。在

10、實(shí)際系統(tǒng)中通是利用光電編碼盤(pán)、旋轉(zhuǎn)編碼器等來(lái)獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)；而本文是通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的輸入電壓和電流，利用滑模觀測(cè)器估算出反電勢(shì)，通過(guò)計(jì)算獲得轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。PMSM無(wú)位置傳感器矢量控制系統(tǒng)框圖如下圖3所示。 三相永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器矢量控制系統(tǒng)的控制過(guò)程如下： （1）通過(guò)霍爾電流傳感器測(cè)量電機(jī)定子兩相電流和，通過(guò)clark逆變換得到兩相靜止坐標(biāo)下的電流和； （2）利用和和和，通過(guò)滑模觀測(cè)器估算得到電機(jī)轉(zhuǎn)子角位置和電機(jī)轉(zhuǎn)速； （3利用滑模觀測(cè)器估算得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角，使得和經(jīng)過(guò)park變換后，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流和； （4）將電機(jī)給定轉(zhuǎn)速與滑模估算轉(zhuǎn)速相比較，經(jīng)過(guò)速度PI調(diào)節(jié)器，輸出交軸

11、電流給定 ； （5）設(shè)直軸電流給定為，把交、直軸電流分別與實(shí)際檢測(cè)值相比較，然后分別經(jīng)過(guò)電流PI調(diào)節(jié)器，輸出交、直軸電壓值和，再經(jīng)過(guò)park反變換，得到兩相靜止坐標(biāo)系統(tǒng)下的電壓值和； （6）確定和的合成矢量位于空間電壓矢量所圍成的六個(gè)扇區(qū)中的某個(gè)扇區(qū)，選擇適當(dāng)?shù)牧闶噶坎⒂?jì)算該扇區(qū)內(nèi)兩相鄰電壓矢量以及零矢量各自所占時(shí)間，根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)定相應(yīng)寄存器值，輸出逆變器的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。 四、滑模變結(jié)構(gòu)的控制方法 滑模變結(jié)構(gòu)控制是變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)(VSC)的一種控制策略。這種控制策略與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)變化的開(kāi)關(guān)特性。該控制特性可以迫使系統(tǒng)在一定條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡做

12、小幅度、高頻率的上下運(yùn)動(dòng)，即滑模運(yùn)動(dòng)。這種滑動(dòng)模態(tài)是可以設(shè)計(jì)的，且與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動(dòng)無(wú)關(guān)。這樣，處于滑模運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)就具有很好的魯棒性?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制與通常的開(kāi)關(guān)控制以及按某種條件或指標(biāo)做邏輯轉(zhuǎn)換的控制等是完全不同的。它有開(kāi)關(guān)的切換動(dòng)作，也有邏輯判斷的功能，這些動(dòng)作和功能在系統(tǒng)的整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中一直在進(jìn)行，不斷地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。其目的是使系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)達(dá)到和保持一種預(yù)定的滑動(dòng)模態(tài)?？梢哉f(shuō)，滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種具有預(yù)定滑動(dòng)模態(tài)的開(kāi)關(guān)控制。4.1轉(zhuǎn)角估計(jì)PMSM在兩相靜止坐標(biāo)系中的模型可以被寫(xiě)為: 其中,， 其中，L,R和分別為電機(jī)定子電感,定子電阻和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)。是轉(zhuǎn)子角速度,只是轉(zhuǎn)子位置。當(dāng)電機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行

13、狀態(tài)時(shí),有功;二o,反電動(dòng)勢(shì)模型為。 平面:(x)二0包含兩個(gè)部分中所有軌跡的終點(diǎn)。這些點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)特殊的軌線運(yùn)動(dòng)模式,被稱作滑模。當(dāng)系統(tǒng)處于滑模狀態(tài)時(shí),系統(tǒng)滿足s(x)二o和污(x)=0。滑?？刂频牡谝徊绞钦页鲆粋€(gè)輸入ue。使得狀態(tài)軌線停留在切換面(x)=O上。s(x)求導(dǎo)得: 這將是設(shè)計(jì)滑模觀測(cè)器依據(jù)。 為了得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置,可以用低通濾波器進(jìn)行濾波從而得到了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角估計(jì)值。 低通濾波器不可避免的會(huì)引入相位延遲,可以根據(jù)濾波器的響應(yīng)制作相位補(bǔ)償表,然后計(jì)算出正確估計(jì)的轉(zhuǎn)角：4.2轉(zhuǎn)速估計(jì)從估計(jì)的轉(zhuǎn)角可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的關(guān)系如下: 對(duì)于無(wú)速度傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng),由于SVPWM造成

14、的干擾,微分函數(shù)可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定,降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。轉(zhuǎn)速可以表示如下: 反電勢(shì)和速度的關(guān)系可以從上式得到,上式并未指出轉(zhuǎn)向。所以轉(zhuǎn)速可以用下面的方法算出：五、結(jié)論 由電路分析和實(shí)驗(yàn)可得下述結(jié)論 （1）全橋移相控制電路周期性輸出零電壓凹槽，為交-交變頻電路提供 ZVS開(kāi)關(guān)條件； （2）由于交-交變頻電路輸出零電壓矢量時(shí)，移相控制電路的輸出電流幾乎為零，這樣有利于降低開(kāi)關(guān)損耗，提高電路效率。六、參考文獻(xiàn)1王聰.軟開(kāi)關(guān)功率變換器及其應(yīng)用M.北京：科學(xué)出版社，2000.2 賀昱曜，李 宏，何 華.一種新型軟化 SPWM波形合成方法及諧波分析J. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22（12）：118122.3郭清風(fēng),楊桂杰,晏鵬飛.SMO在無(wú)位置傳感器PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的