永磁同步電機(jī)無傳感器控制技術(shù)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上哈爾濱工業(yè)大學(xué)，電氣工程系Department of Electrical EngineeringHarbin Institute of Technology電力電子與電力傳動專題課報告報告題目:永磁同步電機(jī)無傳感器控制技術(shù) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系姓名：沈召源 學(xué)號： 14S 2016年 1月專心-專注-專業(yè)目錄1.1 研究背景永磁同步電機(jī)具有體積小、慣量小、重量輕等優(yōu)點，在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。目前在永磁同步電機(jī)的各種控制算法中，使用最多的是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，而這兩種控制方式都需要轉(zhuǎn)子位置，但轉(zhuǎn)子位置傳感器的采用限制了系統(tǒng)使用范圍。永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)大多

2、采用測速發(fā)電機(jī)或光電碼盤等傳感器檢測速度和位置的反饋量，這不但提高了驅(qū)動裝置的造價，而且增加了電機(jī)與控制系統(tǒng)之間的連接線路和接口電路，使系統(tǒng)易于受環(huán)境干擾、可靠性降低。由于永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)具有控制精度高、安裝、維護(hù)方便、可靠性強(qiáng)等一系列優(yōu)點，成為近年來研究的一個熱點。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀無傳感器永磁同步電機(jī)是在電機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)座不安裝電磁或光電傳感器的情況下，利用電機(jī)繞組中的有關(guān)電信號，通過直接計算、參數(shù)辨識、狀態(tài)估計、間接測量等手段，從定子邊較易測量的量如定子電壓、定子電流中提取出與速度、位置有關(guān)的量，利用這些檢測到的量和電機(jī)的數(shù)學(xué)模型推測出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，取代機(jī)械傳感器，實

3、現(xiàn)電機(jī)閉環(huán)控制。最早出現(xiàn)的無機(jī)械傳感器控制方法可統(tǒng)稱為波形檢測法。由于同步電機(jī)是一個多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，所要解決的問題是采用何種方法獲取轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角。目前適合永磁同步電機(jī)的最主要的無速度傳感器的控制策略主要有以下幾種(1)利用定子端電壓和電流直接計算出和。該方法的基本思想是基于場旋轉(zhuǎn)理論，即在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運行時，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)，且兩磁鏈之間的夾角相差一個功角，該方法適用于凸極式和表面式永磁同步電機(jī)。該方法計算方法簡單，動態(tài)響應(yīng)快，但對電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確性要求比較高，應(yīng)用這種方法時需要結(jié)合電機(jī)參數(shù)的在線辨識。(2)模型參考自適應(yīng)(MRAS)方法。該方法的主要思想是先假設(shè)轉(zhuǎn)子所在位置，利

4、用電機(jī)模型計算出該假設(shè)位置電機(jī)的電壓和電流值，并通過與實測的電壓、電流比較得出兩者的差值，該差值正比于假設(shè)位置與實際位置之間的角度差。當(dāng)該值減小為零時，則可認(rèn)為此時假設(shè)位置為真實位置。采用這種方法，位置精度與模型的選取有關(guān)。該方法應(yīng)用于PMSM時有一些新的需要解決的問題。(3)觀測器基礎(chǔ)上的估計方法。觀測器的實質(zhì)是狀態(tài)重構(gòu)，其原理是重新構(gòu)造一個系統(tǒng)，利用原系統(tǒng)中可直接測量的變量，如輸出矢量和輸入矢量作為它的輸入信號，并使輸出信號在一定條件下等價于原系統(tǒng)的狀態(tài)。目前主要存在的觀測器:全階狀態(tài)觀測器、降階狀態(tài)觀測器、推廣卡爾曼濾波和滑模觀測器。其中滑模觀測器有很好的魯棒性，但其在本質(zhì)上是不連續(xù)的開

5、關(guān)控制，因此會引起系統(tǒng)發(fā)生抖動，這對于矢量控制在低速下運行是有害的，將會引起較大的轉(zhuǎn)矩脈動。擴(kuò)展卡爾曼濾波器提供了一種迭代形式的非線性估計方法，避免了對測量的微分計算。該方法的特點是轉(zhuǎn)速估算值與實際值非常接近，由估算值構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)在寬調(diào)速范圍內(nèi)具有良好的特性，但算法比較復(fù)雜。(4)高頻注入方法基于電機(jī)的凸極效應(yīng)(固有的或人為的)和高頻數(shù)學(xué)模型，不依賴于電機(jī)的基波方程和參數(shù)，因此可以實現(xiàn)對PMSM轉(zhuǎn)子初始位置的有效估算。該方法不依賴于任何電機(jī)的參數(shù)和運行工況，因而可能工作在極低速，并且系統(tǒng)的計算工作量不大，是比較理想的方法之一。其最大的缺點就是要改造電機(jī)來形成明顯的凸極效應(yīng)。(5)基于人工智能

6、估計方法由于轉(zhuǎn)速可以看成是定子電壓和電流的函數(shù)，加之具有逼近任意非線性函數(shù)的能力、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力以及抗干擾性較強(qiáng)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)紛紛應(yīng)用于電機(jī)控制方案，基于人工智能估計方法的應(yīng)用日趨成熟，將為交流傳動領(lǐng)域帶來革命性的變化。由于目前神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的方法還處于理論研究階段，離實用化還有一段距離1.3 系統(tǒng)模型為簡化分析，做如下假設(shè)：(1)忽略定、轉(zhuǎn)子鐵心磁阻，不計渦流以及磁滯損耗；(2)永磁材料的電導(dǎo)率為零，永磁體內(nèi)部的磁導(dǎo)率與空氣相同；(3)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組；(4)永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場和三相繞組產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場在氣隙中均為正弦分布；在ABC坐標(biāo)系中，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子在電、磁結(jié)構(gòu)上不對稱，電機(jī)方程

7、是一組與轉(zhuǎn)子瞬間位置有關(guān)的非線性時變方程，同步電機(jī)的動態(tài)特性分析十分困難。在-0坐標(biāo)系中，盡管經(jīng)過線性變換使電機(jī)方程得到一定簡化，但電機(jī)磁鏈、電壓方程仍然是一組非線性方程，故在分析與控制時，一般也不用該坐標(biāo)系下電機(jī)數(shù)學(xué)模型。d-q-0坐標(biāo)系下矢量控制技術(shù)很好地解決了這個問題，它利用坐標(biāo)變換，將電機(jī)的變系數(shù)微分方程變換成常系數(shù)方程，消除時變系數(shù)，從而簡化運算和分析。永磁同步電機(jī)等效模型見圖1所示，d-q-0坐標(biāo)系是隨定子磁場同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，將d軸固定在轉(zhuǎn)子勵磁磁通的方向上，q軸為逆時針旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90°電角度。取逆時針方向為轉(zhuǎn)速的正方向。為每極下永磁勵磁磁鏈空間矢量，方向與磁極磁

8、場軸線一致，d、q軸隨同轉(zhuǎn)子以電角速度(電角頻率)一起旋轉(zhuǎn)，它的空間坐標(biāo)以d軸與參考坐標(biāo)軸間的電角度來確定，為定子三相基波合成旋轉(zhuǎn)磁場軸線與永磁體基波勵磁磁場軸線間的空間電角度，稱為轉(zhuǎn)矩角。圖 1 永磁同步電機(jī)d-q-0坐標(biāo)系圖三相永磁同步電機(jī)在dq軸轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的定子電壓方程，定子磁鏈方程和電磁轉(zhuǎn)矩的方程分別為上式中括號中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，稱為主電磁轉(zhuǎn)矩；第二項是由轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)引起的，稱為磁阻轉(zhuǎn)矩。對于轉(zhuǎn)子為表面式的永磁同步電機(jī)，由于，電磁轉(zhuǎn)矩可寫為。機(jī)械運動方程為綜上，可得永磁同步電機(jī)的狀態(tài)方程為上述電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程、運動方程和狀態(tài)方程構(gòu)成了PMSM

9、的數(shù)學(xué)模型。從中可以看出，永磁同步機(jī)的模型是一個多變量非線性的狀態(tài)方程。1.4 控制方法設(shè)計矢量控制的基本原理為：電磁轉(zhuǎn)矩的生成可看成是兩個磁場相互作用的結(jié)果，可認(rèn)為是由轉(zhuǎn)子磁場與電樞磁場相互作用生成的。電磁轉(zhuǎn)矩可以表達(dá)為轉(zhuǎn)子磁鏈與定子電流矢量乘積： 轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆挡蛔?，通過控制定子電流矢量的幅值及與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康膴A角，就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩的大小，這就是永磁同步電動機(jī)以轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制的原理。按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制框圖如圖2所示。圖2 按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制結(jié)構(gòu)框圖矢量控制所需的轉(zhuǎn)子位置信號可以由高頻注入法得到。該方法是向永磁同步電機(jī)兩相靜止坐標(biāo)系中注入高頻旋轉(zhuǎn)電壓矢量信號，在電

10、機(jī)三相定子繞組內(nèi)產(chǎn)生高頻旋轉(zhuǎn)磁場，由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的凸極特性，在定子繞組中產(chǎn)生包含轉(zhuǎn)子位置信息的高頻電流響應(yīng)。通過對高頻電流解調(diào)后，通過外差法得到轉(zhuǎn)子估算值與實際值的誤差信號，將誤差信號輸入到狀態(tài)觀測器，通過閉環(huán)控制，使得轉(zhuǎn)子位置估算值逐漸逼近實際值；或者根據(jù)數(shù)學(xué)模型通過數(shù)學(xué)計算，直接得到轉(zhuǎn)子位置值。其原理框圖如圖3所示。圖 3 高頻電壓注入法原理圖假設(shè)注入的高頻電壓信號為，頻率為，幅值為；電機(jī)基波電壓信號為，頻率為，幅值為，其中，則注入的高頻電壓信號的矢量表達(dá)式為：零速時，在高頻電壓信號注入下，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子處于零速狀態(tài)，電流響應(yīng)中只有高頻電流響應(yīng)分量，PMSM的數(shù)學(xué)模型為：高頻電壓信號產(chǎn)生的電流

11、響應(yīng)為：由上式可知，經(jīng)轉(zhuǎn)子凸極調(diào)制后的高頻電壓信號產(chǎn)生的高頻電流響應(yīng)包括兩部分：式中前半部分為高頻電流的正相序分量，它與注入的高頻電壓矢量旋轉(zhuǎn)方向相同；后半部分為高頻電流的負(fù)相序分量，它與注入的高頻電壓矢量旋轉(zhuǎn)方向相反。其中，只有負(fù)相序高頻電流中含有轉(zhuǎn)子信息，為了提取高頻電流中包含的轉(zhuǎn)子位置信息，需對負(fù)相序電流進(jìn)行一系列的信號處理工作。電機(jī)低速運行時，在兩相靜止坐標(biāo)系內(nèi)，電流響應(yīng)中會含有矢量控制產(chǎn)生的基波電流分量，因此在電機(jī)低速運行時，兩相靜止坐標(biāo)系下的定子電壓方程中既含有高頻注入電壓信號，又含有矢量控制產(chǎn)生的基波電壓信號：定子磁鏈方程為低速時兩相靜止坐標(biāo)系下的電流響應(yīng)為式中第一項和第二項均為

12、和基頻相關(guān)的低頻分量，第三項為高頻分量，采用外差法，并通過低通濾波器后得到：在低速運行時，靜止坐標(biāo)系注入電壓包括低頻電壓分量和高頻電壓分量，但是經(jīng)過外差法處理以及低通濾波后，可以提取出與位置觀測誤差相關(guān)的量，在位置誤差較小時，與轉(zhuǎn)子位置估計誤差成正比，與基波電壓幅值、頻率、相位都無關(guān)，因此通過外差法與濾波器處理后，基波電流對于轉(zhuǎn)子位置估計的影響是可以忽略的。基于旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法的永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)框圖，如圖所示。圖中LPF、BPF、SFF，分別為低通濾波器、帶通濾波器和同步軸高通濾波器。系統(tǒng)采用的矢量控制法，在兩相靜止坐標(biāo)系中，注入的高頻電壓信號與基頻激勵信號合成后共同作用于SVP

13、WM電壓型逆變器，逆變器通過控制內(nèi)部不同開關(guān)的開、斷狀態(tài)，提供可以在永磁同步電機(jī)內(nèi)形成圓形磁場的電壓值。輸入的電壓信號經(jīng)電機(jī)調(diào)制后得到的電流信號包括：電機(jī)基頻電流、PWM開關(guān)諧波電流、低次諧波電流，及正、負(fù)相序電流，由于只有高頻負(fù)相序電流中含有轉(zhuǎn)子的位置信息，所以要通過設(shè)置有效的濾波器來提取負(fù)相序電流。其中，前三種電流與負(fù)相序電流頻率相差較大，可通過LPF、BPF濾除，當(dāng)高頻電流信號被轉(zhuǎn)換到一個與注入的高頻電壓激勵信號同步的參考坐標(biāo)系中時，正相序電流信號就變?yōu)橐粋€直流量，很容易通過一個高通濾波器濾除掉，因此，可以考慮用同步軸高通濾波器（SFF）來提取高頻負(fù)相序電流信號。圖 4 高頻電壓注入法P

14、MSM控制系統(tǒng)框圖高頻電壓信號注入法由于不依賴于電機(jī)本身參數(shù)，所以對電機(jī)參數(shù)變化、外界干擾不敏感，具有很好的魯棒性。這類方法在低速甚至零速時可以準(zhǔn)確地檢測轉(zhuǎn)子的速度和位置信號，但是在高速時電機(jī)的高頻等效模型不再成立，同時由于高頻脈振信號注入法中需要多個濾波器的使用，會帶來轉(zhuǎn)子速度和位置估計的滯后，因此這類方法是不適合高速時永磁同步電機(jī)無傳感器控制。而前面提到的一系列基于基波模型無傳感器運行控制方法，是通過對反電動勢的觀測達(dá)到對轉(zhuǎn)子速度和位置的跟蹤，這類方法在中速以及高速時可以準(zhǔn)確地檢測轉(zhuǎn)子的速度和位置信號，動態(tài)性能良好、抗擾性能強(qiáng)，但是在低速和零速由于反電動勢信號過于微弱，這類方法是不適用的。

15、1.5 系統(tǒng)仿真在Simulink下建立電機(jī)的控制模型，如下圖所示。電壓經(jīng)過3-2變換，隨后將電壓變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下。設(shè)置參數(shù)如下表：表一、電機(jī)模型主要參數(shù)參數(shù)名稱數(shù)量值定子電阻Rs2.875定子直軸電感Ld0.85mH定子交軸電感Lq0.85mH永磁體磁鏈Faif0.175Wb轉(zhuǎn)動慣量J0.0018kg.m2極對數(shù)p4額定轉(zhuǎn)速wr100rad/s阻尼系數(shù)F0靜摩擦力Tf0額定電壓110V仿真結(jié)果如下：電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置估計圖1.6 結(jié)論在低速時進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計實驗，經(jīng)對比實驗，所構(gòu)建狀態(tài)觀測器能夠?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置和速度的觀測，在低速時轉(zhuǎn)子位置觀測誤差在 20°以內(nèi)，驗證了本文所研究方案的可行性和有效性，系統(tǒng)實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子位置在零速和低速時的估計。參考文獻(xiàn)1陳榮永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)北京中國水利水電出版社，2010：28-292劉家曦，李鐵才，楊貴杰永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置與速度預(yù)估J電機(jī)與控制學(xué)報，2009，13(5)：690-6943汪令祥，張興，張崇巍，等基于位置觀測的直驅(qū)系統(tǒng)無速度傳感器技術(shù)J電力系統(tǒng)自動化，2008，32(12)：78-824李崇堅交