用于空調(diào)壓縮機驅(qū)動的無傳感器永磁同步電機矢量控制方法研究_圖

1、上海大學(xué)碩士學(xué)位論文用于空調(diào)壓縮機驅(qū)動的無傳感器永磁同步電機矢量控制方法研究姓名：宋丹申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：電力電子與電力傳動指導(dǎo)教師：陳國呈20080301上海大學(xué)碩上學(xué)位論文摘要隨著家用空調(diào)的普及應(yīng)用，空調(diào)已日漸成為耗能大戶。我國經(jīng)濟建設(shè)多年來高速發(fā)展，正面臨能源同益緊張的問題，由于空調(diào)節(jié)能尚有空間，因此人們普遍關(guān)注空調(diào)節(jié)能技術(shù)。在家用空調(diào)的各種節(jié)能技術(shù)中，直流壓縮機變頻驅(qū)動是發(fā)展的主流方向。從驅(qū)動方式上看，直流壓縮機可以采用方波控制或矢量控制。與方波控制相比，矢量控制的空調(diào)直流壓縮機具有噪聲低、振動小、效率高等特點，更加符合節(jié)能和環(huán)保的發(fā)展方向。本文主要研究了適用于空調(diào)壓縮機負(fù)載的無轉(zhuǎn)

2、子位置傳感器永磁同步電機矢量控制方法。首先從電機的基本方程入手，詳細(xì)推導(dǎo)了永磁同步電機矢量控制的數(shù)學(xué)模型。詳細(xì)分析了各種電流控制策略特點，提出了采用適合直流壓縮機驅(qū)動的控制方式。其次提出了具有凸極效應(yīng)的壓縮機永磁同步電機的一種簡化模型，得到了適用于的滑模觀測器，解決了在坐標(biāo)系中應(yīng)用滑模觀測器困難的問題。針對壓縮機運行特點，采用全維狀態(tài)觀測器方法，實現(xiàn)反電動勢的觀測，根據(jù)反電動勢計算出電機轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了無傳感器矢量控制。本文詳細(xì)分析了全維狀態(tài)觀測器的極點配置方法，通過將四個極點配置在相同位置，簡輕了計算量，也便于實現(xiàn)。第三，由于反電動勢估算法在電機低轉(zhuǎn)速下不能正確估算轉(zhuǎn)子位置，無法正常閉

3、環(huán)起動，本文提出了一種簡單的用于直流壓縮機的起動方法，實現(xiàn)了壓縮機的可靠起動。同時在深入分析電機等效模型的基礎(chǔ)上，給出了一種簡單的電機參數(shù)測量方法，通過簡單測量和計算，得到系統(tǒng)實現(xiàn)無傳感器永磁同步電機矢量控制所需的電感、電阻及反電動勢系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。最后通過仿真軟件對基于滑模觀測器和基于全維觀測器的永磁同步電機矢量控制方法進(jìn)行了仿真驗證，設(shè)計了以數(shù)字信號處理器為控制核心的直流壓縮機矢量控制實驗平臺，并進(jìn)行了大量的實驗驗證。仿真及實驗結(jié)果證明了本文理論分析和所提方法的正確性，并已應(yīng)用于實際的直流壓縮機矢量控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：永磁同步電機無傳感器全維狀態(tài)觀測器滑模觀測器電機參數(shù)測量上海大學(xué)碩上學(xué)位論

4、文，雒伍上海大學(xué)碩士學(xué)位論文，：，上海大學(xué)碩上學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作。除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人己發(fā)表或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。簽名：塞丑日期：一蘭姿：；：本論文使用授權(quán)說明本人完全了解上海大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留論文及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容。（保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）燧地日期：鯊查：三：上海大學(xué)碩士學(xué)位論文課題的研究背景第一章緒論隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，近年

5、來國內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)了嚴(yán)重的“電荒。據(jù)國家電網(wǎng)的報告顯示，年全國出現(xiàn)拉閘限電的省級電網(wǎng)從年的個擴大到個，直接影響到了國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民群眾正常的生活。造成我國電力緊張的諸多原因中，大幅度增長的居民家電用電，特別是空調(diào)用電是重要因素，尤其在夏天和冬天，由于空調(diào)用電時間集中，導(dǎo)致了用電高峰時段電力供應(yīng)嚴(yán)重不足。據(jù)國家發(fā)改委統(tǒng)計，年我國空調(diào)用電總量已超過億，相當(dāng)于年耗大半個三峽電站【】。隨著城鄉(xiāng)居民住宅條件的改善和生活水平的不斷提高，家用空調(diào)還將進(jìn)一步普及，空調(diào)用電總量還將進(jìn)一步增加，空調(diào)已漸成為耗能大戶。為實現(xiàn)我國發(fā)展節(jié)約型經(jīng)濟的目標(biāo)，在我國呈現(xiàn)電力緊張的狀況下，空調(diào)節(jié)能已是刻不容緩。我國政府已經(jīng)

6、十分重視空調(diào)產(chǎn)品的節(jié)能工作，年修訂家用空調(diào)的能耗指標(biāo)，規(guī)定節(jié)能型空調(diào)產(chǎn)品應(yīng)達(dá)到以上（稱為空調(diào)器的制冷系數(shù)，又稱性能系數(shù)或能效比，制冷量冷消耗功率）。年月我國正式宣告實施能效標(biāo)識制度。研發(fā)、生產(chǎn)和銷售推廣節(jié)能型空調(diào)產(chǎn)品已成為我國空調(diào)業(yè)發(fā)展的主旋律【。在家用空調(diào)的各種節(jié)能技術(shù)中，變頻技術(shù)是最有效、最先進(jìn)的技術(shù)之一，是家用空調(diào)節(jié)能技術(shù)的主流發(fā)展方向。通常把直接使用電網(wǎng)或電源運轉(zhuǎn)壓縮機電機的空調(diào)稱為定速空調(diào)，把采用交流變頻壓縮機的空調(diào)稱為交流變頻空調(diào)，而把采用直流壓縮機的空調(diào)稱直流變速空調(diào)（俗稱直流變頻空調(diào)）。家用空調(diào)采用變頻技術(shù)實際上是應(yīng)用現(xiàn)代調(diào)速技術(shù)對空調(diào)壓縮機驅(qū)動電機進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)控，以改變制冷劑的

7、流量，實現(xiàn)空調(diào)制冷系統(tǒng)以最經(jīng)濟方式運行。變頻空調(diào)節(jié)能的機理是，當(dāng)房間溫度與制溫能力接近平衡點時，壓縮機會長時間處在較低頻率（轉(zhuǎn)速）下運行，降低了冷媒的流速，使冷媒與室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)系統(tǒng)更加充分地進(jìn)行熱交換，提高了系統(tǒng)的能效比。當(dāng)在相同的使用條件下連續(xù)運行時，同容量的交流變頻空調(diào)將比定頻空調(diào)節(jié)能以上，而直流變頻空調(diào)又比交流變頻上海人學(xué)碩上學(xué)位論文空調(diào)節(jié)能以上【。以一臺直流變頻空調(diào)為例，相比于同容量的定速空調(diào)每運行，時可節(jié)電，全年運行時間以計算，則全年累計節(jié)電達(dá)。據(jù)專家估計，如果將我國的家用空調(diào)全部換成變頻空調(diào)，則空調(diào)平均節(jié)電至少可達(dá)，國家可直接獲得節(jié)能效益每年達(dá)億人民幣（元×億×

8、;）。因此推廣和使用直流變頻空調(diào)，對節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境更具有重大的社會和經(jīng)濟效益。目前，我國生產(chǎn)的家用空調(diào)器約占全世界總產(chǎn)量的以上的，僅年就生產(chǎn)家用空調(diào)器萬臺。從節(jié)能上看，無疑應(yīng)當(dāng)生產(chǎn)和使用直流變頻空調(diào)，然而從年的變頻空調(diào)銷售的比例看，卻并非如此。年家用空調(diào)銷售總量為萬臺，其中定速空調(diào)占，交流變頻空調(diào)占，直流變頻空調(diào)占（其中內(nèi)銷，出口）【，在的直流變頻空調(diào)中，約為日本和韓國空調(diào)制造企業(yè)生產(chǎn)并直接銷往國外，國產(chǎn)直流變頻比例只占總制造空調(diào)臺數(shù)的左右。針對上述情況，我國空調(diào)業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急是研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的直流變頻空調(diào)控制器，解決壓縮機驅(qū)動電機永磁同步電機的控制問題，全面提升我國空調(diào)產(chǎn)品的節(jié)能

9、水平，縮短與國際先進(jìn)水平的差距。課題的研究現(xiàn)狀直流壓縮機驅(qū)動電機的控制方法可以分為方波控制以及矢量控制?？照{(diào)用直流壓縮機主要采用轉(zhuǎn)子為永磁材料的永磁同步電機驅(qū)動。永磁同步電機無需勵磁電流，功率因數(shù)可以大幅度提高，在輕載運行時節(jié)能效果明顯，長期使用可以大幅度節(jié)省電能。永磁同步電機還具有體積小、轉(zhuǎn)動慣量小、快速響應(yīng)性好等優(yōu)點，非常適合在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大的情況下使用。同時矢量控制方式，能夠有效地減少電機脈動電流的產(chǎn)生，平滑地控制轉(zhuǎn)矩，降低噪音和振動。因此，永磁同步電機驅(qū)動空調(diào)壓縮機不僅可以節(jié)能還可延長壓縮機的使用壽命，這也使得矢量控制驅(qū)動技術(shù)成為直流變頻空調(diào)控制技術(shù)的發(fā)展方向和研究熱點之一【?！?。矢

10、量控制驅(qū)動技術(shù)從本質(zhì)上來說，是永磁同步電機無轉(zhuǎn)子位置傳感器矢量控制在壓縮機負(fù)載下的應(yīng)用。當(dāng)直流壓縮機采用方波驅(qū)動時，通過將電機繞組從逆變器電路中斷開一定的時間，在斷開時刻檢測電壓來獲得反映轉(zhuǎn)子位置的反電：海大學(xué)碩：學(xué)位論文動勢，從而得到電機的轉(zhuǎn)子位置信息。但采用矢量控制時，為了提高驅(qū)動系統(tǒng)性能，必須采用連續(xù)估算的方法獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。由于電機的端子一直存在工作電壓，反電動勢不能直接檢測，只能通過實時檢測電機的三相電流、輸出的電壓并利用電機參數(shù)將其反電動勢計算出來，從而得到轉(zhuǎn)子的位置信息。由于空調(diào)壓縮機直接面向產(chǎn)品，產(chǎn)品研究主要以專利形式公開或作為保密技術(shù)不公開，針對性空調(diào)壓縮機驅(qū)動的專門文獻(xiàn)

11、公開相對較少，所以參考文獻(xiàn)主要來源是無轉(zhuǎn)子位置傳感器永磁同步電機矢量控制方法的研究【以。國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對永磁同步電機的無轉(zhuǎn)子位置傳感器矢量控制技術(shù)進(jìn)行了深入地研究，提出了許多控制方法。按所適用的范圍不同，通常可以把這些控制方法分為兩類，一類是適用于高速運行的無轉(zhuǎn)子位置傳感器控制方法【。；另一類是適用于零速和低速運行的無轉(zhuǎn)子位置傳感器方法】。、適用于高速運行的無位置傳感器控制方法（）磁鏈位置估算法：該算法的性能取決于估算磁鏈和測量出電壓電流的精確性，其優(yōu)點是計算量小、簡單、易于實現(xiàn)，但這種方法對電動機參數(shù)依賴性很大，當(dāng)溫度變化、磁飽和效應(yīng)導(dǎo)致電動機參數(shù)發(fā)生變化時，估算精度也隨之下降，魯棒性差

12、。應(yīng)用這種方法時，需要結(jié)合電機參數(shù)的在線辨識技術(shù)。（）模型參考位置估算法：該方法是基于假定轉(zhuǎn)子位置的估算方法，其主要思想為：先假設(shè)轉(zhuǎn)子所在位置，利用電機模型計算出在該假設(shè)位置時電機的電壓或電流值，并通過與實測的電壓或電流比較得出兩者的差值，該差值正比于假定位置與實際位置之間的角度差。如果該差值減小為零，則可認(rèn)為此時假定位置為真實位置。該估算方法構(gòu)成的控制系統(tǒng)簡單，能獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能，但估算精度仍要受電機參數(shù)和電流檢測精度的影響。（）狀態(tài)觀測器法：其實質(zhì)是一種狀態(tài)重構(gòu)，該方法具有動態(tài)性能好、穩(wěn)定性高、參數(shù)魯棒性強、適應(yīng)面廣等特點，但算法比較復(fù)雜，計算量很大。常見的基于狀態(tài)觀測器的轉(zhuǎn)子位置估算方

13、法有：卡爾曼濾波法、擴展卡爾曼濾波法、滑模觀測器等。、適用于零速和低速運行的無轉(zhuǎn)子位置傳感器控制方法前面提到的幾種無轉(zhuǎn)子位置傳感器控制方法都無法實現(xiàn)或者滿足低速，特別是零速時轉(zhuǎn)子位置估算的要求。年，和最早提出采用高頻信號注入法進(jìn)行永磁同步電機的低速和零速轉(zhuǎn)子位置估算技術(shù)。上海大學(xué)碩學(xué)位論文根據(jù)注入信號的不同，可以分為高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法、高頻旋轉(zhuǎn)電流注入法、高頻脈振電壓注入法等。使用最為廣泛的是高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法，該方法通過旋轉(zhuǎn)電壓矢量勵磁，產(chǎn)生高頻電流信號，檢測并解調(diào)，得到轉(zhuǎn)子的位置。論文的主要內(nèi)容本課題來源于上海新源變頻電器股份有限公司“空調(diào)直流壓縮機矢量控制器開發(fā)項目。直流變頻空調(diào)控制器的

14、主要需求有：簡單可靠、成本低廉。直流壓縮機系統(tǒng)噪聲低、振動小、效率高、節(jié)能。因此，本課題研究目的是實現(xiàn)無轉(zhuǎn)子位置傳感器永磁同步電機矢量控制，提高系統(tǒng)性能，降低成本，以良好的性能適應(yīng)市場的需求。本文以用于直流變頻空調(diào)壓縮機驅(qū)動的永磁同步電機無傳感器矢量控制系統(tǒng)為主要內(nèi)容展開研究。第一章中介紹了課題的來源、研究目的和意義以及課題的研究現(xiàn)狀。第二章在推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，給出了坐標(biāo)變換的詳細(xì)過程、討論了電流控制策略以及閉環(huán)控制器的設(shè)計方法，建立起基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)。第三章中針對用于壓縮機驅(qū)動的永磁同步電機所具有的凸極效應(yīng)，設(shè)計了適用于的滑模觀測器和全維狀態(tài)觀測器，通過觀測所得反電動勢計

15、算出電機的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無傳感器矢量控制。本章提出一種用于直流壓縮機的起動方法，實現(xiàn)了壓縮機的可靠起動。同時還提出了一種簡單的電機參數(shù)測量方法，通過該方法可以得到無傳感器永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)實現(xiàn)所需的電感、電阻及反電動勢系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。第四章在仿真環(huán)境中建立了基于滑模觀測器和全維狀態(tài)觀測器的無轉(zhuǎn)子位置傳感器矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，對理論分析和設(shè)計進(jìn)行了仿真驗證，為實驗奠定了基礎(chǔ)。第五章介紹了以為核心的直流壓縮機矢量控制系統(tǒng)實驗平臺以及軟、硬件的實現(xiàn)方法，并分析了實驗結(jié)果。第六章為全文的總結(jié)和展望。上海大學(xué)碩上學(xué)位論文引言第二章矢量控制原理永磁同步電機因其固有優(yōu)點在空調(diào)壓縮機驅(qū)動中得到

16、廣泛應(yīng)用。為了提高電機效率，降低定子額定工作電流，目前主流空調(diào)壓縮機都采用高反電動勢嵌入式永磁同步電機（）驅(qū)動，在空調(diào)壓縮機行業(yè)內(nèi)又將永磁同步電機驅(qū)動的壓縮機簡稱作直流壓縮機。本章作為全文的理論基礎(chǔ)，給出了的數(shù)學(xué)模型以及矢量控制方法，建立起矢量控制系統(tǒng)，為下文無轉(zhuǎn)子位置傳感器控制方法的研究奠定了基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)模型圖（）是一臺兩對極永磁同步電機的簡圖。同感應(yīng)電動機一樣，可以將正相電流流經(jīng)一相繞組產(chǎn)生正弦磁動勢波的軸線定義為相繞組的軸線，稱為軸，并將軸作為坐標(biāo)系的空間參考坐標(biāo)，取逆時針方向為轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的正方向，負(fù)載轉(zhuǎn)矩正方向與此相反。規(guī)定電流通過軸線圈時能產(chǎn)生正磁鏈，電動勢和電壓正方向按電動機慣例

17、選取，即與電流方向一致，如圖（）所示【柏。、（）永磁同步電機簡圖（）定子電磁正方向關(guān)系（電動機慣例）圖兩對極永磁同步電機物理模型圖中，嘶為電機轉(zhuǎn)速（電角速度），為轉(zhuǎn)子角度（電角度），、“、愀為定子上海大學(xué)碩：學(xué)位論文相繞組電壓、電流和磁鏈，縱為相反電動勢。為了建立的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式，通常假定【柏】：（）忽略磁飽和，不計鐵心的渦流損耗和磁滯損耗，認(rèn)為磁路是線性的；（）定子繞組三相對稱，各相繞組的軸線在空間上互差電角度；（）相繞組中反電勢是正弦波；（）轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組；（）定子繞組電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢，忽略磁場的高次諧波；（）永磁體的電導(dǎo)率為零。定子繞組自感與互感、定子繞組自感【】以定子

18、相繞組自感為例，定子相繞組自感從為墼（）當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體與軸重合時，即?；驎r，相應(yīng)的磁阻最小，三從達(dá)到最大值；而當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體與軸正交時，即或時，相應(yīng)的磁阻最大，上從達(dá)到最小值。由此可知，三從以。為周期，隨永磁體與軸夾角目的變化而呈正弦變化，且恒為正值。設(shè)定子繞組自感中恒定部分為（），脈動部分幅值為，如圖所示，則三從（）同理可得：厶（一姿）鉿¨印李）?。好次虾Ｈ藢W(xué)碩士學(xué)位論文圖定子相繞組自感三從、定子繞組互感】以定子、相繞組間互感為例，定義互感為柚：警隊：警（）且。由于、相繞組在空間互差，愀與反向，故：定子間互感與自感類似，也與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)且以為周期呈正弦變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體落后軸。時，即

19、或超前。時即時，肛達(dá)到最大值；而當(dāng)?；蚩?。時，弦達(dá)到最小值。隨轉(zhuǎn)子位置角目的變化如圖所示，可得柚一互（臼爭一吉（一爭一（口）一互（，詈）（）（口）一互詈）（）肘一圭（一）一圭三（圳。礦。鄉(xiāng)扳氏眾：島磁鏈與電壓方程圖定子繞組互感矗、磁鏈方程的定子磁鏈?zhǔn)怯啥ㄗ尤嗬@組電流和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生，定子三相繞組電流產(chǎn)生的磁鏈與轉(zhuǎn)子位置角有關(guān)，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈也與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，由此可以建立起定子三相繞組的磁鏈方程，寫成矩陣形式為阡三腳斟，（目一了）州爭（）式中，、；，為定子三相繞組磁鏈，、為定子三相繞組電流，盼為永磁體磁場的等效磁鏈，也稱為反電動勢系數(shù)總，隊厶瞻稱為圣謄吾曼區(qū)器”，。，為微分算子，。轉(zhuǎn)矩

20、與運動方程電磁轉(zhuǎn)矩的矢量方程可表示為正只少。×。（）其中兀為電磁轉(zhuǎn)矩，為電機極對數(shù)，蟊為電流矢量，緲。為磁鏈?zhǔn)噶?。將式（）改寫到坐?biāo)系下，有氣丟。（一。）二（）丟。（蚧（厶一）馘）二由圖可知其中，為定子三相基波合成磁動勢軸線與永磁體基波勵磁磁場軸線間的空間電角度，也稱為轉(zhuǎn)矩角。唧娜：圖的空司矢量將式（）代入式（）可得，瓦詈。妙寺（厶）：）（）在式（）中，中括號內(nèi)第一項是由定子電流與永磁體勵磁磁場相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，稱為勵磁轉(zhuǎn)矩。中括號內(nèi)第二項是由轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)引起的，稱為磁阻轉(zhuǎn)矩【】，如圖所示。圖矩角特性曲線（疋國在各個物理量規(guī)定的正方向下，的運動方程為疋國等（）其中死為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，

21、空調(diào)直流壓縮機的周期平均負(fù)載屬于近似線形的泵類負(fù)載。厶為電機和負(fù)載折合到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量，為電機和負(fù)載折合到電機軸上的粘性摩擦系數(shù)（阻尼系數(shù)），為機械角速度，以。矢量控制原理矢量控制基本原理矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，其基本思想是模擬直流電動機上海大學(xué)碩學(xué)位論文轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使得兩個分量互相垂直，彼此獨立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此矢量控制的關(guān)鍵仍是對定子電流的控制。由電磁轉(zhuǎn)矩方程式（）可以看出，的轉(zhuǎn)矩取決于轉(zhuǎn)子磁鏈忻和定子電流的、軸分量、。轉(zhuǎn)子磁鏈由永磁體產(chǎn)生，磁鏈幅值恒定，只需要控制、來控制轉(zhuǎn)矩

22、，因此可以采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的方式來實現(xiàn)的矢量控制【】。圖為矢量控制系統(tǒng)框圖，可以看出該控制系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)子位置和速度估算；電流控制；速度環(huán)、電流環(huán)控制器；坐標(biāo)變換；等環(huán)節(jié)。坐標(biāo)變換圖矢量控制系統(tǒng)框圖矢量控制系統(tǒng)中要用到的坐標(biāo)系可分為兩大類，一類是靜止坐標(biāo)系，包括三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系；另一類是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，常用的是兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。通常將坐標(biāo)系變換到坐標(biāo)系稱作變換，而將坐標(biāo)系變換到坐標(biāo)系稱作變換。、變換根據(jù)坐標(biāo)變換前后基波合成磁動勢等效的原則，可將三相靜止坐標(biāo)系變換為兩相靜止坐標(biāo)系，定義軸與定子相繞組重合，軸逆時針超前軸空間電角度。如圖所示。圖兩相靜止坐標(biāo)系郵為了便于計算，引入一個零序分量

23、，選取變換矩陣民姒為個（）由式（）可以寫出從三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系【的變化為卜豳（）式中廠可代表電壓“電流及磁鏈少。將式（）等號左右兩邊同時左乘死矩陣，得到定子在兩相靜止坐標(biāo)系下磁鏈方程為荔疋艘疋匿疋蛐秒一爭（口了）（）其中、綿為【軸下磁鏈，為僅軸下電流，、為零序磁鏈和電流。由式（）可知，坐標(biāo)系下電感矩陣唧為鈿瓦。批踮乏阻，（）：，秒厶口三房可一上海大學(xué)碩士學(xué)位論文一同理可以求得，（目一了）炸（了）（）經(jīng)計算整理式（）可以得到在坐標(biāo)系下磁鏈方程為臣；三三芝秒三乞秒三。且，。，【：秒，將式（）等號左右兩邊同時左乘憑眥。矩陣，可得【坐標(biāo)系下電壓方程為言吾主乏蛐荔三，。：。其中為僅軸電壓，“

24、為零序電壓。根據(jù)電機三相定子電流在電樞繞組中性點滿足基爾霍夫電流定律，可以得到三相電流相加和等于零，因此定子電流的零序分量等于零，可以計算得出定子磁鏈和電壓的零序分量也為零刪。因此，可將式（）、式（）寫為荔；三郵乏妙，：；，靴郵矛乏篙加厶菘句阱刪捌（）護(hù)洫刊魄勾丌業(yè)丌業(yè)彰足足蚵。咫？限故，陣一一數(shù)常為陣巴船琵于由上：海大學(xué)碩士學(xué)位論文經(jīng)過變換后，定子磁鏈和電壓方程的系數(shù)矩陣仍然與轉(zhuǎn)子位置角口有關(guān)，還需要進(jìn)一步實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置角的解耦變換。、變換將兩相靜止坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上，使其在空間隨同轉(zhuǎn)子以電角速度，一起同步旋轉(zhuǎn)，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。定義軸與轉(zhuǎn)子磁極軸線重合，軸逆時針超軸空間電角度，軸與相定子

25、繞組的央角為目，如圖所示。圖兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系選取變換矩陣昂為瞄黝億，由式（）可得從兩相靜止坐標(biāo)系【到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變化為盼陰（）將式（）等號左右兩邊司時左乘矩陣，司得水磁司步電機在坐標(biāo)系下的磁鏈方程為陋磕醐：習(xí)藶，式中慨、為軸磁鏈，、島為軸電流。定義在坐標(biāo)系下，電感矩陣為氣砧秒臼鬈叫嗽【島秒一島。觸一矽丌厶，（）一秒陬一上海人學(xué)碩十學(xué)位論文荔：三蘭乏緲，眇?！疽??！径x軸電感、軸電感為厶差（三）（蕊）三。號（）（）氣二則式（）可以寫為阱地習(xí)億。，將式（）等號左右兩邊同時左乘邪矩陣，可得坐標(biāo)系下電壓方程為：降三；：盼阱降總卜也億，由于昂矩陣含有時變量，且在穩(wěn)態(tài)下，可以得到舢訃舢喇批鼢旭磕

26、小槲，州磕慨瞄鐘“砘臺刪蝴鼢緲，三一乒芝臺三乏緲，？將上面的計算結(jié)果代入式（），可以得到：魯三；：三隆三一爭瞳，由式（）可以看出，利用坐標(biāo)變換可在坐標(biāo)系下實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置一卜海大學(xué)碩十學(xué)位論文根據(jù)在坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可以得到矢量圖，如圖所示。圖矢量圖圖中，與五。的夾角稱為內(nèi)功率因數(shù)角，記作），；。與以的夾角稱為功率因數(shù)角，記作矽；與軸的夾角稱為轉(zhuǎn)矩角，記作；璣與。的夾角稱為功率角，記作占。閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)矢量控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)。本文采用控制作為閉環(huán)控制策略，下面給出控制器的設(shè)計過程。、電流環(huán)控制器的設(shè)計由式（）可知，由于有西，和一西，。兩項的存在，軸電流是耦合的，無

27、法通過控制器分別其進(jìn)行控制，因此首先需要進(jìn)行軸電流解耦控制。（）電流環(huán)解耦控制策略要實現(xiàn)解耦控制，需要引入自、島以及甜，的狀態(tài)反饋，令一面，“，（厶，），則可將式（）改寫為式中，、表示、軸耦合部分的電壓。將、軸耦合部分的電壓作為補償量后，可以把式（）簡寫為當(dāng)按式（）選取電壓指令、時，所得到的方程不含耦合變量，故控制、，氣呻“厶厶“及艮“、，：厶厶尺尺“上海大學(xué)堡圭堂垡笙奎一一是解耦的。本文所采用的電流反饋跟蹤控制解耦方案，如圖所示。通過控制器強迫電機電流豇、跟蹤指令電流札脅樹，使耐、，能使永磁同步電動機得到近似解耦控制且實現(xiàn)方便。圖電流反饋跟蹤控制萬框圖圖中。（）、（）為、軸控制器；、為、軸控

28、制器輸出電壓。根據(jù)圖可以得出以下關(guān)系式一“（）（一毛）面（三）（）“（）（一塢）一面，（）電流環(huán)控制器設(shè)計對式（）進(jìn)行拉式變換，可得在理想狀態(tài)下，線性化后電流控制系統(tǒng)如圖所示，傳遞函數(shù)（）、（）為甌卜市（）卜事忘（）軸（）軸圖線性化電流控制系統(tǒng)方框圖、軸閉環(huán)傳遞函數(shù)（）、（）分別為：上海大學(xué)碩：學(xué)位論文（）麗（）歪丌（。）牛（卜麗（）半麗（）尺、。：莖竺！±壘（）由式（）可矢，選擇合適的、），通過配置控制器的零點可以消除電機動態(tài)性的影響。再考慮到閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，即電流環(huán)的跟隨性能，可以選擇電流環(huán)的帶寬為。，得比例、積分系數(shù)分別為緲緲。（）。緲將式（）代入式（）可以化簡得電流環(huán)閉環(huán)

29、傳遞函數(shù)為幽）（壚熹（）、軸電流控制器使用了限幅環(huán)節(jié)，對其輸出進(jìn)行限幅控制，當(dāng)輸出到達(dá)限幅值時，控制器積分進(jìn)入飽和狀態(tài)，積分累計引起輸出控制量增大，使得控制性能變差甚至出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況【】【。為了避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，本文使用了如圖示的防飽和控制器，其中防飽和系數(shù)蜀，依兇。上海人學(xué)碩：學(xué)位論文圖防飽和電流環(huán)控制器采用這種防飽和控制器，可以減小控制器積分環(huán)節(jié)的誤差，從而避免發(fā)生現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。、速度環(huán)控制器的設(shè)計速度環(huán)控制器根據(jù)給定速度和反饋速度之差調(diào)整的轉(zhuǎn)速?？紤]到電機的磁阻轉(zhuǎn)矩和弱磁調(diào)速的情況，電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程為非線性方程，設(shè)計速度環(huán)控制器時需要先對其進(jìn)行線性化。（）速度環(huán)線性化

30、模型假設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩死恒定，忽略粘滯系數(shù)曰，考慮到磁阻轉(zhuǎn)矩以及弱磁控制的情況，可以采用小信號擾動法得到線性化后速度環(huán)的方框圖，如圖。所示。圖線性化后速度環(huán)方框圖亂。知嘰弘聃】（。）。；（）速度環(huán)控制器設(shè)計得到速度環(huán)線性化模型之后，可以按照設(shè)計電流環(huán)控制器的方法設(shè)計速度環(huán)控制器。取速度環(huán)控制器帶寬為。（。），可得比例、積分系數(shù)為：上海人學(xué)碩上學(xué)位論文牛和隸（）迅列；。鑫則速度環(huán)傳遞函數(shù)。）為州豢盟，（：（）式中，蠡為阻尼系數(shù)，。為自然頻率。同樣，對于速度環(huán)控制器也需要采用防飽和設(shè)計，如圖所示，其中防飽和系數(shù)局。帆。電流控制策略圖防飽和速度環(huán)控制器由運動方程式（）可見，電機動態(tài)特性的調(diào)節(jié)和控制完全取決

31、于能否簡便而精確的控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩。而由式（）可以看出，對轉(zhuǎn)矩的控制最終可歸結(jié)為對、軸電流的控制。根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩確定、軸電流的控制方法，就是電流控制策略。常見的電流控制策略主要有：控制，最大轉(zhuǎn)矩電流比（）控制，功率因數(shù)等于（矽）控制以及恒磁鏈控制。（）的控制如的控制稱為磁場定向控制，該方法簡單，計算量小，沒有電樞反應(yīng)對電機的去磁問題，使用比較廣泛。當(dāng)時，由式（）可知，電磁轉(zhuǎn)矩瓦可以改寫為乙吾（）二電機所有電流均用來產(chǎn)生電磁力矩，控制效率有所提高。缺點是隨著輸出轉(zhuǎn)矩增加，電機端電壓增加較快，功率因數(shù)下降，對逆變器容量要求提高，無法卜海人學(xué)碩十學(xué)位論文充分利用電機的磁阻轉(zhuǎn)矩，不能發(fā)揮其輸出轉(zhuǎn)矩的能

32、力。（）功率因數(shù)等于（）控制由圖可知，（一廠），與阢重合。電機直、交軸電流間關(guān)系為（）（）甜將式（）代入式（）可知。再。；：根據(jù)式（）可以將電磁轉(zhuǎn)矩公式改寫為三。沙，（）（）該方法使電機的功率因數(shù)恒為，逆變器的容量得到充分的利用。但是在永磁電機中，由于轉(zhuǎn)子勵磁不能調(diào)節(jié)，在負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)矩繞組的總磁鏈無法保持恒定，所以電樞電流和轉(zhuǎn)矩之間不能保持線性關(guān)系。而且最大輸出力矩小，退磁系數(shù)較大，永磁材料可能被去磁，造成電機電磁轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)和效率下降。（）恒磁鏈控制恒磁鏈控制就是控制電機定子電流，使電機全磁鏈與轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈相等，即（沙）（）（）由式（）可得：絲唑掣（）將式（）代入式（）可得幣面萬

33、甭研）上海人學(xué)碩學(xué)位論文根據(jù)式（）也可將電磁轉(zhuǎn)矩公式改寫為驢。（）一一（）、廣（）】（）當(dāng)采用恒磁鏈控制時，電機輸入功率因數(shù)為口（）（萬一“二）（，）（）其中艿：一，竺蘭，：至魚。一緲，。在恒磁鏈控制中，電機輸入功率因數(shù)隨定子電流的增加而減小，隨輸出力矩的增大而減小，這種方法在功率因數(shù)較高的條件下，能一定程度上提高電機的最大輸出力矩，但仍存在最大輸出力矩的限制。（）最大轉(zhuǎn)矩電流比控￥（）控制將式（）改寫成為手：吾跏（小（）。一。對式（）求一階和二階偏導(dǎo)數(shù)并令一階導(dǎo)數(shù)為零，可得二絲型蘭（：墜）二垡蘭（）、由式（）計算得到的轉(zhuǎn)矩控制角即為控制角。根據(jù)電機參數(shù)和當(dāng)前的毛可在線計算出和妒，再根據(jù)式（）

34、計算豇、島給定值，就可使電機工作在最大轉(zhuǎn)矩電流控制狀態(tài)下。綜上所述，采用是一種最為簡單的矢量控制方式，但考慮到中牡，需要通過對豇和的協(xié)調(diào)控制來優(yōu)化系統(tǒng)的控制性能。因此，采用控制作為矢量控制系統(tǒng)中的電流控制方式。本章小結(jié)本章從的基本方程出發(fā)，經(jīng)過坐標(biāo)變換推導(dǎo)出適合口的矢量控制數(shù)學(xué)模型，同時討論了電流控制策略，并給出了速度環(huán)、電流環(huán)防飽和控制器的設(shè)計方法。本章所建立起的雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，為下文無轉(zhuǎn)子位置傳感器控制方法的研究奠定了基礎(chǔ)。上海大學(xué)碩上學(xué)位論文第三章無位置傳感器矢量控制的實現(xiàn)方法引言在空調(diào)用直流壓縮機中，與壓縮機的機械殼體制造在一起，依靠冷媒和殼體來冷卻，這使得一般簡易的轉(zhuǎn)子位置傳感器

35、很難正常工作。考慮到成本和可靠性，幾乎所有的直流壓縮機都沒有安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器，而是通過對轉(zhuǎn)子位置角的估算來實現(xiàn)矢量控制，如圖所示。速度給定圖直流壓縮機驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)圖空調(diào)用直流壓縮機的運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速范圍為（即），在通常情況下不需要工作在極低或極高轉(zhuǎn)速下。而且為了降低定子額定工作電流，提高電機效率，主要選用具有高反電動勢的驅(qū)動壓縮機。因此，可以采用基于反電動勢估算的方法來計算電機的轉(zhuǎn)子位置?；诨Ｓ^測器的轉(zhuǎn)子位置估算方法滑模觀測器（）對電機參數(shù)不敏感，能夠?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確估算?；Ｓ^測器原理根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)控制理論【】，對系統(tǒng)文彳（）（）如果輸入函數(shù)為（）：“：哆（），（）、式中（）（）由于輸入函

36、數(shù)在不同的系統(tǒng)運動狀態(tài)下采用不同的控制極性，系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化。因此，不能采用傳統(tǒng)的微分方程理論對該系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行分析。對于上述系統(tǒng)，可以選擇（）所描述的一個超平面（通常稱開關(guān)面），這個超平面將系統(tǒng)運動空間分割為不同的區(qū)域，通過控制輸入，使得從任意初始狀態(tài)出發(fā)的運動點在的作用下均能到達(dá)超平面，且狀態(tài)將一直沿超平面滑向原點，也就是產(chǎn)生了滑模運動。當(dāng)系統(tǒng)處于滑模運動時，其性能完全由滑模超平面決定，系統(tǒng)對參數(shù)變化及外部擾動不敏感，系統(tǒng)魯棒性好?；＿\動在全局范圍內(nèi)漸進(jìn)穩(wěn)定的條件為（）（工）（）式中為函數(shù)且（）。只要滿足式（）條件，滑模觀測器就可以在有限時間內(nèi)到達(dá)滑模面并在其上進(jìn)行滑模運動。滑

37、模觀測器估算轉(zhuǎn)子位置的實現(xiàn)（）基于坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型本文基于坐標(biāo)系來構(gòu)造滑模觀測器，將式（）改寫可以得到在坐標(biāo)系下的電壓方程為臥蝌臺刪。矽“蝴等（，其中犯），（）?？梢钥闯?，在式（）中等號右端第三項與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，并對反電動勢的式（）可得電流在【、坐標(biāo)系下的關(guān)系為乏。一目秒。咕，乇（）阡螂一厶址卜以等，魯一等乇“。一氣墮虬再“一邱（）一虬厶一址厶一址”緲毒一扣一扣“，魯一壺社！曠再盟（）其中為滑模觀測器的增益，乏、名為坐標(biāo)下電流估算值，踟為符號函數(shù)。目“乏一乇，三耋三蘭三三，名一?。晃ǎ├谝徽琛疽幻煌貙⑹剑ǎ┡c式（）相減，可得滑模觀測動態(tài)誤差方程為掣一丟（乞訓(xùn)氣班（乏）盟一南（渺再邱一再毗

38、）如果選擇（曲：悖一？為滑模超平面，此時若能滿足式（）的條件，則式（）是漸進(jìn)穩(wěn)定的。式（）己（）可得訓(xùn)去蛾一¨（乞訓(xùn)】謝去瓴¨伉訓(xùn)。（乏一。）（）（乏一。）志（磊吲再（唧氐蚰棚（）（）【盤卵秘壺（般洲）鏟訓(xùn)碡）。從式（）和（）可以看出，如果取洲（蚓）（）則系統(tǒng)可以在滑模面上產(chǎn)生滑模運動。系統(tǒng)一旦進(jìn)入滑模面，在滑模面上進(jìn)行滑模運動時有掣：（乏一屯）墮掣：（“）將式（）代入式（）可得。刪?。ㄆ蛞豢冢ǎ?。?。荤螅┢垺Ｒ慧桃慧桃灰唬飞虾；饘W(xué)碩士學(xué)位論文式（），驢（毛一）、印（玷一靠）為開關(guān)信號，包含著反電動勢信息，對其進(jìn)行低通濾波，能得到連續(xù)的反電動勢如下鏟贏巳（），）。以其中國。為低通濾波器的截止頻率。（）轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估算根據(jù)式（）可得估算角度為痧一一皂口一叫（）由式（）可知，通過低通濾波后得到的反電動勢估算值存在相位