畢業(yè)論文-永磁同步電機(jī)無位置傳感器矢量控制技術(shù)研究

頁第一章緒論1.1課題研究背景及目的隨著日益成熟的電機(jī)調(diào)速技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域也在越來越拓寬。電機(jī)調(diào)速技術(shù)涉及幾個(gè)方面：電機(jī)、控制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制、DSP技術(shù)和仿真等。永磁同步電機(jī)有體積小，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，效率高，損耗少，電機(jī)的尺寸以及形狀可以靈活多樣等很多優(yōu)點(diǎn)，在調(diào)速系統(tǒng)中多被采用。與感應(yīng)電機(jī)相比，永磁電機(jī)可以明顯的提高功率因數(shù)，同時(shí)還減少轉(zhuǎn)子渦流和電阻的損耗，具有效率高、易于維護(hù)、力能密度高、功率因數(shù)高等很多優(yōu)點(diǎn)。永磁同步電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高動(dòng)態(tài)、高精度、大范圍的位置控制以及速度的控制，已逐漸成為數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)的主流永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)器和控制與電子信息技術(shù)密切相關(guān)。有位置傳感器的永磁同步電機(jī)由于需要安裝機(jī)械傳感器，使系統(tǒng)體積增大、成本增加、可靠性降低，工作效率也受到影響，因此成本低、工作可靠性高的無位置傳感器控制逐漸成為電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。無位置傳感器控制方法中，轉(zhuǎn)子的位置和速度通過各種算法獲得，取代機(jī)械式的傳感器，有利于電機(jī)向小型化、輕量化發(fā)展。因此，無傳感器技術(shù)的研究在微型電機(jī)、高速電機(jī)控制，以及一些特殊場(chǎng)合具有重要的研究意義。1.2永磁同步電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀永磁同步電機(jī)相比傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電機(jī)，特別是稀土的永磁同步電機(jī)運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，體積小、質(zhì)量輕、高功率因數(shù)、易于散熱轉(zhuǎn)矩高，效率高易于保養(yǎng)等明顯的特點(diǎn)。因此，永磁同步電機(jī)有著非常廣泛的應(yīng)用范圍。永磁同步電機(jī)的發(fā)展與它的永磁材料密切相關(guān)，20世紀(jì)60到80年代，相繼問世的稀土永磁，永磁同步電機(jī)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的歷史時(shí)代。因?yàn)槲覈⊥临Y源很豐富，因此號(hào)稱中國為“稀土王國”。稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的研究達(dá)到了世界先進(jìn)的水平。自從12世紀(jì)80年，國家研究機(jī)構(gòu)及著名的電氣公司為了研發(fā)電機(jī)及其控系統(tǒng)競相把稀土的永磁材料、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論，微電子技術(shù)的最新成就給予應(yīng)用，使得它成為當(dāng)代電機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著性能的不斷提高，永磁材料和電力電子器件價(jià)格比的不斷提高，現(xiàn)代控制理論、危機(jī)控制技術(shù)和電機(jī)制造工藝的快速發(fā)展，不斷涌現(xiàn)的新的磁結(jié)構(gòu)，永磁同步電機(jī)理論分析、設(shè)計(jì)和控制策略在新興的新課題需要進(jìn)一步研究。永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展和一些相關(guān)科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展是分不開的。永磁同步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分別是由電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器和其他環(huán)節(jié)組，這些方面技術(shù)不斷提高，可以使永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的性能快速升高。同步電動(dòng)機(jī)在以往的電力拖動(dòng)中很少被使用，因?yàn)橥诫姍C(jī)不能電網(wǎng)電壓下自行啟動(dòng)，這個(gè)問題的解決方法是在70年代以前很難實(shí)現(xiàn)的變頻電源。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體開關(guān)電器部件的性能不斷提高，不斷降低成本，GTO、IGBT、IPM等的相繼出現(xiàn)讓高性能的變頻電源已成為可能。20世紀(jì)70年代，德國工程師F.Blashke提出了矢量控制原理，交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。永磁同步電機(jī)模型，多變量、強(qiáng)耦合、非線性，永磁同步電機(jī)矢量控制是建立在坐標(biāo)變換下的體系，在dq轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系的模型，相當(dāng)于在原本復(fù)雜的電機(jī)模型的特性的基礎(chǔ)上，去耦之間的直軸分量和定子電流正交軸電流分量通過直軸轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)變換，從而達(dá)到目的的永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩控制，可簡化成類似直流電動(dòng)機(jī)模型。可以更準(zhǔn)確地控制電機(jī)為太性能，也能保證良好的動(dòng)態(tài)性能的矢量控制算法的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的控制思想，盡快發(fā)準(zhǔn)。此外，脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)永磁同步電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是在1964年德國A.Schonung首先提出的，它的輸出電壓波形與六步波相比好很多，因此得到了它快速的發(fā)展。1.3永磁同步電機(jī)無傳感器控制技術(shù)的現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代后期以來，許多學(xué)者都進(jìn)行了永磁同步電機(jī)的無位置傳感器控制。目前，無傳感器控制技術(shù)的研究情況是：免除機(jī)械傳感器的部分電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，能夠滿足伺服運(yùn)行的需求；無傳感器控制算法的實(shí)現(xiàn)需要具有較強(qiáng)信息處理能力的DSP支持；控制算法受電機(jī)參數(shù)的影響；啟動(dòng)和低速運(yùn)行問題尚未找到完美的答案。國外的眾多學(xué)者都在該領(lǐng)域進(jìn)行不斷的探索與研究。如：美國R.D.Lorenz教授，在1993年，提出了運(yùn)用高頻信號(hào)注入法進(jìn)行永磁同步電機(jī)的無傳感器控制。韓國的Seung-kiSul教授也自從1995年開始發(fā)表了無傳感器方面的論文。德國的Joachim

Holtz教授和他的研究所對(duì)永磁同步電機(jī)無傳感器控制技術(shù)的研究主要在高頻注入法上，發(fā)表了多篇研究論文。此外，巴西的Universidade

Federal

de

Campina

Grand，日本的Kanagawa

University等高校研究人員也在進(jìn)行該領(lǐng)域的探索。在國內(nèi)，無傳感器控制技術(shù)的研究也受到關(guān)注。沈陽工業(yè)大學(xué)的王麗梅教授，對(duì)于高頻注入法有著透徹的研究，并且使得該類方法得到了延伸改進(jìn)；位于清華（TsingHua）的李永東教授等人也發(fā)表了諸多關(guān)于永磁同步電機(jī)無傳感器控制的論文。除此之外，上海交通大學(xué)、上海大學(xué)、天津大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)等高校對(duì)永磁同步電機(jī)的無位置傳感器控制方法也進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。許多國內(nèi)學(xué)者的論文還以英文的形式在國際上發(fā)表。1.4本文研究內(nèi)容，介紹了永磁同步電機(jī)控制的發(fā)展現(xiàn)狀，以及無傳感器控制策略的產(chǎn)生背景和發(fā)展現(xiàn)狀以及所需解決的問題。，系統(tǒng)的介紹了永磁同步電機(jī)的基本構(gòu)造，特點(diǎn)以及數(shù)學(xué)模型，介紹了矢量控制的基本原理。，介紹永磁同步電機(jī)無傳感器控制原理，介紹幾種永磁同步電機(jī)無傳感器矢量控制的方法，通過比較總結(jié)出每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。，選擇第三章中比較有代表性的幾種永磁同步電機(jī)無傳感器矢量控制方法，詳細(xì)介紹其基本原理，并進(jìn)行了仿真研究。，本文的總結(jié)，對(duì)以后工作的展望。

第二章永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及其矢量控制2.1永磁同步電機(jī)的介紹2.1.1永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)是繞組線式同步電機(jī)發(fā)展而來的，它的結(jié)構(gòu)與繞組式同步電動(dòng)大致是相同的。永磁同步電機(jī)與一般同步電機(jī)相比較具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、性能優(yōu)良、易于控制等等多種優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在的永磁同步電機(jī)已經(jīng)在各行各業(yè)中廣泛應(yīng)用，比如在儀器儀表、軍事裝備、辦公機(jī)械、汽車電器、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、家用電器等多種領(lǐng)域、收到各行各業(yè)的支持與應(yīng)用。永磁同步電機(jī)主要是由定子和轉(zhuǎn)子共同組成。定子有鐵芯和三相繞組構(gòu)成，電樞繞組以Y形連接；因?yàn)樵谵D(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上永磁體取代了電勵(lì)磁，所以省去了滑環(huán)、勵(lì)磁線圈和電刷。永磁體在電機(jī)的氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠的磁感應(yīng)強(qiáng)度，與通電后的定子繞組磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)槎ㄗ永@組通常采用短距分布繞組，所以便于控制。氣隙場(chǎng)設(shè)計(jì)為正弦波，以產(chǎn)生正弦波反電勢(shì)。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)按定子和轉(zhuǎn)子的內(nèi)外關(guān)系可以分為：內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分為：爪極式、內(nèi)置式、表貼式。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁體通常為條狀，位于轉(zhuǎn)子鐵芯的內(nèi)部，提供的磁通方向和轉(zhuǎn)子具體的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁體呈瓦片形狀，位于轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面上，提供磁通的方向?yàn)閺较?；爪極式結(jié)構(gòu)通常只用于低性能的永磁同步電機(jī)，因此不用做更多的表述。內(nèi)置式和表面式的內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分別為如圖2.1（圖a和圖b）所示。（a）表面凸出式內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（b）表面插入式內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖2.1永磁同步電機(jī)表面式內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)表面式內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)如下：表面凸出式永磁同步電機(jī)：電感、交直軸的磁阻基本相等，轉(zhuǎn)子慣量較小。因?yàn)榇配摵娃D(zhuǎn)子鐵芯用膠粘接，強(qiáng)度較差，所以需要用玻璃纖維來將磁鋼纏繞后用樹脂固化。表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)果具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。并且永磁磁很容易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的設(shè)計(jì)，使它成為能使電機(jī)氣隙磁密空間分布趨勢(shì)近于正弦形的磁極形狀，可以明顯的提高電機(jī)的性能。表面插入式永磁同步電機(jī)：磁導(dǎo)明顯比直軸小，交軸電感。表面插入式的轉(zhuǎn)子磁路相互不對(duì)稱因而產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，而磁阻轉(zhuǎn)矩能夠使得電機(jī)的功率密度增大，動(dòng)態(tài)性能有不少改進(jìn)，制作的流程也比較簡單，但是它的漏磁系數(shù)和制造成本都比凸出式大很多。2.1.2永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)永磁同步電機(jī)因?yàn)榭蛰d氣隙磁通密度空間散步接近于正弦波，減少了氣隙磁場(chǎng)諧波分量，因而降低了由于諧波磁場(chǎng)引起的各種諧波損耗以及諧波轉(zhuǎn)矩引起的電磁振動(dòng)，提高電機(jī)效率，并且電機(jī)運(yùn)行順利的同時(shí)，降低了噪聲，實(shí)現(xiàn)高性能，高精度傳動(dòng)的特點(diǎn)，特別的是在高動(dòng)態(tài)效應(yīng)場(chǎng)合具有很高的前景之際。對(duì)材料的使用，永磁同步電機(jī)有這樣的特點(diǎn)：電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率保持精確的同步關(guān)系，控制頻率就可以控制速度。永磁同步電機(jī)機(jī)械特性較硬，因負(fù)荷變化引起的干擾力具有較強(qiáng)的承受能力。由于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上有永久磁鐵，所以不需要?jiǎng)?lì)磁。從而電動(dòng)機(jī)可以在很低的速度同步運(yùn)行，調(diào)速的范圍比較寬。因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，因此在很多的領(lǐng)域的到了廣泛的應(yīng)用。與別的電動(dòng)機(jī)比較，永磁同步電機(jī)具有下面幾種優(yōu)點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)矩的紋波系數(shù)比較低，運(yùn)行很平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快，過載能力很強(qiáng)。永磁同步電動(dòng)與異步電機(jī)對(duì)于電壓的轉(zhuǎn)矩干擾承受能力更強(qiáng)。當(dāng)異步電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩有發(fā)生變化的時(shí)候，電機(jī)的需求滑移也隨速度的變化而變化，也就是說當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化，但系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的部分阻礙，速度也相應(yīng)的發(fā)生變化，降低響應(yīng)頻率。在永磁同步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化，只需要電機(jī)功角適當(dāng)改變，并在原有的同步速度保持不變，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將不會(huì)影響機(jī)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)，瞬間最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到超過三倍的額定轉(zhuǎn)矩，永磁同步電動(dòng)機(jī)非常適合于負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大的場(chǎng)合下運(yùn)行；（2）永磁同步電機(jī)具有較高的功率因數(shù)和高效率，表現(xiàn)出明顯的節(jié)能效果。因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)轉(zhuǎn)子上有永久磁鐵，所以不需要?jiǎng)?lì)磁。沒有勵(lì)磁消耗。因此永磁同步電機(jī)的效率和電勵(lì)磁同步電機(jī)比異步電機(jī)高，而且不需要從電網(wǎng)吸收滯后的勵(lì)磁電流，從而節(jié)省了無功功率和提高了功率因數(shù)的電動(dòng)機(jī)。永磁同步電動(dòng)機(jī)負(fù)荷在25%～120%額定范圍能保持較高的功率因數(shù)和效率，使光節(jié)能效果更明顯，并可大大在長期使用過程中節(jié)約能源；（3）稀土永磁同步發(fā)電機(jī)的異步電機(jī)的體積大大縮小，重量輕，轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。（4）結(jié)構(gòu)的多樣性，適用范圍較廣。由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的多樣性，從簡單的電動(dòng)工具到復(fù)雜的電動(dòng)，衍生出不同的品種和性能不同的各種品種，從平民到國防，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)，從日常生活到航天高科技產(chǎn)品，幾乎都存在永磁同步電機(jī)。（5）永磁同步電機(jī)無電刷，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)有比較高的可靠性高。2.2永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子通入三相交流電，三相電流在定子繞組中產(chǎn)生電壓降。通過三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電樞磁動(dòng)勢(shì)和它建立的電樞磁場(chǎng)，一方面，切割定子繞組并產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；另一方面，電磁力以同步轉(zhuǎn)速拖動(dòng)轉(zhuǎn)子。電樞電流還會(huì)產(chǎn)生只與定子繞組相交鏈的繞組的漏磁通，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)漏電動(dòng)勢(shì)。此外，所述轉(zhuǎn)子的永久磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也通過同步轉(zhuǎn)速來切割定子繞組。因此產(chǎn)生無負(fù)載電動(dòng)勢(shì)。目前許多論文上都已經(jīng)對(duì)永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型給出了比較詳細(xì)的論述。為了讓我們?cè)谙旅孢M(jìn)行分析，需要假設(shè)一些參數(shù)來建立數(shù)學(xué)模型：①忽略電動(dòng)機(jī)鐵心飽和的問題；②電機(jī)中的磁滯損耗以及渦流不計(jì)；③產(chǎn)生的磁場(chǎng)由定子和轉(zhuǎn)子的磁動(dòng)勢(shì)沿定子內(nèi)圓的正弦分布，即忽略所有的磁場(chǎng)的空間諧波;④的各相的繞組對(duì)稱，即各相繞組的匝數(shù)和電阻的數(shù)目是相同的電角度的軸線相對(duì)于每個(gè)相互位移相同。⑤驅(qū)動(dòng)開關(guān)和續(xù)流二極管為理想元件。根據(jù)以上的條件來分析實(shí)際的電機(jī)，所得的結(jié)果與實(shí)際的情況十分接近，因而可以使用上述假設(shè)對(duì)電機(jī)進(jìn)行分析控制。常采用兩相同步旋轉(zhuǎn)(d，q)坐標(biāo)系和兩相靜止(α，β)坐標(biāo)系。本節(jié)主要講述永磁同步電機(jī)在（d，q）坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。圖2.2為用永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖。圖2.1永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖因?yàn)楸疚闹饕芯勘碣N式永磁同步電機(jī)，所以Ld=Lq=Ls,根據(jù)以上假設(shè)得出的電機(jī)模型為：電壓方程：磁鏈方程：上式中，、定子d，q軸電壓；、定子繞組、軸電感；為電機(jī)的電樞電感；、定子、軸電流；永磁體基波磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)生的磁鏈；定子直軸磁鏈，包括定子直軸電流產(chǎn)生的磁鏈和永磁體產(chǎn)生的磁鏈；為轉(zhuǎn)子電角速度。轉(zhuǎn)矩方程：上式中為電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)，電磁轉(zhuǎn)矩；機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：其中表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為電機(jī)轉(zhuǎn)子和所帶負(fù)載的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B為粘貼摩擦系數(shù)；為電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。另外，為電角速度，2.3永磁同步電機(jī)的矢量控制矢量控制理論第一次是運(yùn)用在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中的，不負(fù)眾望它成功的改善了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能。矢量控制的方法也可以用于永磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中，來提高永磁同步電機(jī)的調(diào)速性能。自從有了矢量控制方法，通過眾多的學(xué)者和技術(shù)人員的改進(jìn)與探索，現(xiàn)在已經(jīng)普遍的用在了各行各業(yè)。矢量控制的原理已經(jīng)有了三十年的歷史，這三十年通過眾多的學(xué)者和研究人員不斷的探索，矢量控制原理技術(shù)也不斷趨于完善，微處理器技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展也為矢量控制理論奠定了不可磨滅的基礎(chǔ)?；谑噶靠刂评碚撘殉蔀橛来磐诫姍C(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的首選方案。矢量控制模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制律，基本思想是：通過測(cè)量和控制電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。簡單來講，矢量控制方式就是將磁鏈和轉(zhuǎn)矩解耦，有利于分別設(shè)計(jì)兩者的調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)高性能的調(diào)整。對(duì)于永磁同步電機(jī)來說，矢量控制的關(guān)鍵是控制定子電流的幅值和空間位置。2.3.1坐標(biāo)變換矢量控制需要通過適當(dāng)?shù)淖儞Q方法將交流電機(jī)定子的三相電流變換到旋轉(zhuǎn)的兩相定子坐標(biāo)系下，模擬直流電機(jī)進(jìn)行控制，這個(gè)過程就是坐標(biāo)變換。A-B-C坐標(biāo)系與-坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換圖ABC坐標(biāo)系與坐標(biāo)系三相定子坐標(biāo)系到定子靜止直角坐標(biāo)系的變換通常稱為Clarke變換這里定義為坐標(biāo)系到坐標(biāo)系的變換陣，由線性代數(shù)知識(shí)可以得到：其中K是待技術(shù)。值得主要是基于確定K值：變換之前和之后，各相的功率恒定，總功率變化。即三相系統(tǒng)的兩相系統(tǒng)中，各相電壓的均方根電流相等。管理者：如果改變之前和之后的合成氣隙磁勢(shì)的恒定的兩相電機(jī)的每個(gè)繞組的匝數(shù)增大3/2倍，且氣隙磁通減少2/3倍，電機(jī)參數(shù)就會(huì)受到影響而變化。在這種情況K=2/3。前和改造后，總功率維持恒定。兩相電機(jī)的相關(guān)參數(shù)（相電壓有效值和相電流有效值）的三相電動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)（相電壓與相電流）的時(shí)間，比三相電動(dòng)機(jī)電源的兩相電機(jī)的三相功率的3/2倍，如果維持之前和之后的變化合成氣隙磁勢(shì)常數(shù)，每個(gè)繞組的匝數(shù)倍，氣隙磁通的兩相電機(jī)的增加保持不變。K=?？偣β什蛔儯儞Q關(guān)系是：就是從-坐標(biāo)系到A-B-C坐標(biāo)系的變換矩陣。-坐標(biāo)系與d-q坐標(biāo)系的變換圖二相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系-坐標(biāo)系到d-q的變換稱作Park變換，在這里我們定義，為-坐標(biāo)系到d-q坐標(biāo)系和d-q坐標(biāo)系到-坐標(biāo)系的變換矩陣：2.3.2永磁同步電機(jī)的矢量控制方法由于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的，所以對(duì)應(yīng)的控制策略和電勵(lì)磁同步電機(jī)不同。永磁同步電機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的時(shí)候，定子磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的空間角度會(huì)隨負(fù)載的變化而發(fā)生不斷的變化，對(duì)定子電流進(jìn)行控制可以保持該空間角度的固定并且還助于轉(zhuǎn)矩的控制。由轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩方程可以知道，系統(tǒng)參數(shù)不發(fā)生改變時(shí)，可以由橫軸電流和縱軸電流的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。在給定的輸出電磁轉(zhuǎn)矩中存在多種d軸和q軸電流的組合方式，因?yàn)檫@些不同的組合方式會(huì)對(duì)功率因數(shù)、轉(zhuǎn)矩輸出能力、系統(tǒng)的效率產(chǎn)生一定的影響，所以產(chǎn)生多種不同的永磁同步電機(jī)電流控制策略?，F(xiàn)今，由于永磁同步電機(jī)具有不同的用途，矢量控制中對(duì)定子電流的控制方法具有以下幾種：功率因數(shù)控制、控制，恒磁鏈控制、最大轉(zhuǎn)矩電流比控制等等幾種。下面將幾種控制策略是對(duì)以上幾種方法的簡要介紹。1、控制永久磁鐵同步電動(dòng)機(jī)采用的是d-q坐標(biāo)軸系下的轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，它并且維持著直軸電流，也是一種最容易和簡單的電流矢量控制方法。當(dāng)?shù)臅r(shí)候，我們從電動(dòng)機(jī)的輸入端口看可以把永磁同步電機(jī)看做是一臺(tái)勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)，定子的磁鏈（空間矢量）和永磁體的磁鏈（空間矢量）互相正交，它的特點(diǎn)就是轉(zhuǎn)矩性能好、控制簡單。不過它主要的不足之處就是伴隨著負(fù)載增大，電機(jī)端電壓和功角也會(huì)隨著會(huì)增加，并且q軸和丁字電壓夾角的增大會(huì)讓功率因數(shù)降低，所以我們必須變頻器有相對(duì)較大的容量。因此這種控制方法比較適合于中小容量的調(diào)速系統(tǒng)。2、功率因數(shù)的控制方法電機(jī)功率因數(shù)恒為1，能夠保證變頻器的容量得到充分的利用。在負(fù)載變化時(shí)，定子電流和轉(zhuǎn)矩之間有非線性的關(guān)系，是因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是不可控制的。采用這種方法，隨定子電流的增加定子端電壓會(huì)逐漸降低，所以對(duì)永磁體磁場(chǎng)的去磁作用會(huì)漸漸增強(qiáng)，并且該方法最大輸出轉(zhuǎn)矩小。恒磁鏈控制方法通過控制定子電流而使定子磁鏈等于永磁體磁鏈。這個(gè)方法與方法相比較，電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩有了明顯的提高，在同樣的的輸出轉(zhuǎn)矩情況下，所需要的變頻器的容量相對(duì)較小，但是隨著定子電流的大小增大去磁效應(yīng)也會(huì)隨著增強(qiáng)。最大轉(zhuǎn)矩電流比的控制最大轉(zhuǎn)矩電流和控制最大轉(zhuǎn)矩電流比控制的意思是：通過配置定子電流d、q軸分量使得在電流最小的情況下得到的最大的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方法的好處就是有運(yùn)行效率高、電機(jī)損耗低等等優(yōu)點(diǎn)。還有使用該方法的時(shí)候，所需要的逆變器輸出電流較小，可以適當(dāng)?shù)慕档蛯?duì)變頻器的容量的要求是系統(tǒng)的成本大大降低。但是功率因數(shù)也會(huì)隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增加下降。以上四種控制方法都有各自的特點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。功率因數(shù)控制和恒磁鏈電流控制方法比較適合用于對(duì)大功率的交流調(diào)速系統(tǒng)，這兩種方法都可以得到較高的功率因數(shù)并且能夠充分的利用變頻器的容量?？刂坪妥畲筠D(zhuǎn)矩電流比控制方式比較適合用于一般功率而轉(zhuǎn)矩相應(yīng)性能比較高的運(yùn)行場(chǎng)合。通過各種分析控制方式相對(duì)于別的電流控制方案來說具有方法既簡單且易行的優(yōu)點(diǎn)。此外，在對(duì)于表貼式永久磁體同步電機(jī)，d軸與q軸擁有一樣的等效電感并且電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式中磁矩項(xiàng)為零的情況下能夠?qū)⑺闯勺畲筠D(zhuǎn)矩的電流比控制，擁有最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法所具有的好的優(yōu)點(diǎn)。能讓電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)會(huì)更加容易達(dá)到目的。2.4本章小結(jié)本章介紹了永磁同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)，數(shù)學(xué)模型。以及永磁同步電機(jī)矢量控制的基本思想，原理以及它在兩相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。闡述了坐標(biāo)變換的原理，還指出了它在矢量控制系統(tǒng)中的作用。對(duì)永磁同步電機(jī)矢量控制的幾種控制策略做進(jìn)行了簡要介紹。

永磁同步電機(jī)的無位置傳感器控制方法分類及介紹3.1永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制方法綜述為了實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的矢量控制，不僅僅靠定子上的電流方向與永久磁體產(chǎn)生的磁通方向相互正交，而且仍然得靠位置傳感器用來獲得轉(zhuǎn)子磁極確定位置。一般是依靠光電編碼器，也可以用旋轉(zhuǎn)變壓器或者其他相關(guān)機(jī)械傳感器來實(shí)現(xiàn)編碼器安裝在電機(jī)軸上，用來測(cè)定電機(jī)的運(yùn)行速度還有確定磁極的準(zhǔn)確位置。但由于電機(jī)發(fā)熱，傳感器容易損壞，而且傳感器增加了電機(jī)的硬件制造成本和加工成本，并且會(huì)存在安裝于維護(hù)上的問題，使系統(tǒng)容易受到干擾，會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性，所以不能使用于環(huán)境惡劣的位置。這些問題都限制了永磁交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。所以，近幾年來永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)逐漸成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。永磁同步電機(jī)按其反電動(dòng)勢(shì)波形可以分為兩種：⑴無刷直流電機(jī)。⑵正弦波永磁同步電機(jī)。正弦波永磁同步電機(jī)又可以分為以下兩種：⑴面裝式永磁同步電機(jī)。⑵內(nèi)里式永磁同步電機(jī)。無刷直流電機(jī)是梯形波反電動(dòng)勢(shì)，永磁同步電機(jī)是正弦波反電動(dòng)勢(shì)。無刷直流電機(jī)的無傳感器控制的策略比永磁同步電機(jī)的簡單。在梯形波反電動(dòng)勢(shì)的無刷直流電機(jī)中，三相定子繞組中只有兩相勵(lì)磁。無刷直流電機(jī)每隔60度的一次轉(zhuǎn)子的位置就能獲得正確的開關(guān)次序，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。永磁同步電機(jī)的理想反電勢(shì)是正弦的，所以加入正弦電流時(shí)和無刷直流電機(jī)相比，會(huì)產(chǎn)生很小紋波的常轉(zhuǎn)矩。電機(jī)需要連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信息，通過逆變系統(tǒng)的正弦電壓或者電流來控制點(diǎn)電機(jī)的運(yùn)行。在永磁同步電機(jī)中，三相定子繞組在時(shí)時(shí)刻刻都勵(lì)磁，因此位置檢測(cè)算法變得會(huì)復(fù)雜。永磁同步電機(jī)無傳感器控制，根據(jù)許多學(xué)者的深入研究，許多方面?？煞譃椋海?）的基礎(chǔ)上的反電動(dòng)勢(shì)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法，②根據(jù)電動(dòng)機(jī)的顯著性估計(jì)。根據(jù)與第一種方法的第一個(gè)研究中進(jìn)行。通過檢測(cè)電機(jī)的電壓和電流的方法，電子繞組，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)通過電機(jī)模型計(jì)算，并從一個(gè)磁極的轉(zhuǎn)子位置，然后轉(zhuǎn)到步驟。的高速電機(jī)，有效的和實(shí)用的工作范圍。然而，在低速電機(jī)的運(yùn)行范圍，例如在應(yīng)用程序中的方法面臨著各種各樣的問題。由于反電動(dòng)勢(shì)的幅度正比于電機(jī)的速度在零速時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度是比較低的，因?yàn)樾盘?hào)-噪聲會(huì)比較小，也有一些外部的干擾因素，可能不是很準(zhǔn)確觀察到的電動(dòng)勢(shì)，在低速或靜止的反電動(dòng)勢(shì)時(shí)，不適用于估計(jì)轉(zhuǎn)子的位置和速度。此外，永磁同步電機(jī)無傳感器矢量控制中還有許多種方法來估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度。下面幾節(jié)我將介紹比較熱門的幾種研究方法。3.2適合用于電機(jī)高速運(yùn)行的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制方法我們通過估計(jì)電動(dòng)勢(shì)，可以進(jìn)一步獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，以電機(jī)高速運(yùn)行的永磁同步電機(jī)無傳感器控制方法以及電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)。模型參考自適應(yīng)法、卡爾曼濾波器法、磁鏈估計(jì)等方法都是比較典型的這類方法。這幾種方法大多數(shù)基于控制理論和電機(jī)理論。雖然眾多學(xué)者與研究者在不斷的創(chuàng)新，不斷的提出新方法，但是所有的方法基本原理都是相同，無非就是借助控制理論和電機(jī)理論直接或者間接的從估計(jì)所得的反電動(dòng)勢(shì)中提取它們的轉(zhuǎn)子位置信息。下面介紹幾種適用于電機(jī)高速運(yùn)行的無傳感器控制方法：滑模觀測(cè)器控制方法由于麻省理工學(xué)院的J.J,Slotine在1986年召開的第25屆決策和控制會(huì)議上討論了關(guān)于滑膜觀測(cè)器的非線性估計(jì)問題，因此引起了眾多學(xué)者對(duì)滑膜觀測(cè)器的興趣。滑膜觀測(cè)器是利用了滑膜變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)對(duì)參數(shù)擾動(dòng)魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，把一般狀態(tài)觀測(cè)器中的控制回路換成滑膜變結(jié)構(gòu)的形式?；み\(yùn)動(dòng)是滑模變結(jié)構(gòu)控制的本質(zhì)，它經(jīng)過結(jié)構(gòu)變換開關(guān)，用非常高的頻率來回進(jìn)行切換。在向平面上使?fàn)顟B(tài)的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)以非常小的幅度運(yùn)動(dòng)，最后運(yùn)動(dòng)至穩(wěn)定點(diǎn)?；み\(yùn)動(dòng)和控制對(duì)象的參數(shù)的變化和擾動(dòng)沒有任何關(guān)系，所以有較好的魯棒性，可是滑模變結(jié)構(gòu)控制在實(shí)際上是不連續(xù)的開關(guān)控制，所以會(huì)有比較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這種控制方法現(xiàn)在最需要解決的問題是去抖的同時(shí)仍然保證系統(tǒng)的魯棒性。磁鏈位置估計(jì)方法永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制的基本原則，關(guān)鍵是如何根據(jù)量的電流和電壓信號(hào)來估算轉(zhuǎn)子磁極位置。這些方法可以估算永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子磁通空間矢量的轉(zhuǎn)子的磁極位置。在定子靜止兩相坐標(biāo)系中，通過定子電壓，電流的實(shí)軸的虛軸的定子磁通，定子磁通位置的值可以以下方式獲得根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的兩相磁通反正切值，由定子磁通的旋轉(zhuǎn)速度的變化概率點(diǎn)擊，可以通過以下方式獲得。該方法中使用的小型電動(dòng)機(jī)參數(shù)，參數(shù)影響相對(duì)較小。但電機(jī)必須工作在功率因數(shù)模式，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。上述算法的性能取決于估計(jì)的磁通和測(cè)得的電壓和電流的品質(zhì)和趣味的質(zhì)量。它有點(diǎn)小東西的計(jì)算量，簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但在低速運(yùn)行的估計(jì)精度下降的情況下。然而，這種方法并不能完全擺脫的依賴電機(jī)參數(shù)。在此方法中的應(yīng)用，在線識(shí)別電機(jī)參數(shù)的最佳組合。模型參考自適應(yīng)法這種方法是基于假定轉(zhuǎn)子位置的位置估計(jì)方法。它的主要思想是把含有待估計(jì)參數(shù)的方程作為可調(diào)模型，把不含有未知參數(shù)的方程作為參考模型，這里個(gè)模型都具有相同物理意義的輸出量。這兩個(gè)模型同時(shí)工作并且利用其輸出量的差值，找出合適的自適應(yīng)律來調(diào)節(jié)可調(diào)模型的參數(shù)，最終達(dá)到控制對(duì)象的輸出能夠跟蹤參考模型。使用這種方法的位置估計(jì)精度跟模型的選取有一定的關(guān)系。電機(jī)模型有兩類，分別是電壓模型和電流模型。而電壓模型的相比而言比起低速估計(jì)性能要比電流模型差點(diǎn)。想要準(zhǔn)確估算位置偏差是來保證方法核心的估計(jì)精度，估計(jì)精度但是還會(huì)受到電機(jī)參數(shù)比電阻和電感發(fā)生變化的影響，同時(shí)也會(huì)遭受到受電流檢測(cè)到的精度的影響，我們雖然運(yùn)用了閉環(huán)控制，但是它仍然對(duì)電機(jī)參數(shù)具有很強(qiáng)的依賴性。由于這方法計(jì)算強(qiáng)度大，因此需要高速運(yùn)送能力的數(shù)字信號(hào)處理器。全維狀態(tài)的觀測(cè)器方法：狀態(tài)重鉤是狀態(tài)觀測(cè)器這種方法的實(shí)質(zhì)，也就相當(dāng)于重新構(gòu)造了一個(gè)系統(tǒng)，它輸入的信號(hào)就是以前系統(tǒng)中的直接可以測(cè)量的變量，并且重鉤狀態(tài)相當(dāng)于以前系統(tǒng)中的狀態(tài)。兩者的誤差在動(dòng)態(tài)變化中能夠漸近的趨近于零就是等價(jià)的原則。一般我們把稱之為的重鉤或估計(jì)狀態(tài)。全維狀態(tài)觀測(cè)器通過電氣和機(jī)械方程，可以估計(jì)所有的狀態(tài)變量，所有的狀態(tài)變量包括位置、可測(cè)的電機(jī)電流和未知的轉(zhuǎn)子速度。全維狀態(tài)觀測(cè)器需要電機(jī)電流的測(cè)量、加入電壓的信息、以及一個(gè)相對(duì)精確的系統(tǒng)模型。瞬態(tài)差值可以利用估計(jì)的與測(cè)量的電機(jī)電流作為反饋，就可以調(diào)整未知變量的估計(jì)值了。全維狀態(tài)觀測(cè)器位置估算方法的特點(diǎn)有以下幾種：穩(wěn)定性較高、動(dòng)態(tài)性能較好、參數(shù)魯棒性較強(qiáng)、適應(yīng)面較廣。我們?yōu)榱藵M足系統(tǒng)全局的穩(wěn)定條件，全階狀態(tài)觀測(cè)器在電動(dòng)機(jī)高速以及低速的時(shí)候運(yùn)用不一樣的增益矩陣。并且因?yàn)闋顟B(tài)觀測(cè)器會(huì)受到電動(dòng)機(jī)參數(shù)的變化的影響，所以還要另一個(gè)狀態(tài)觀測(cè)器用來估計(jì)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，這樣就能使此估計(jì)算會(huì)變得更為復(fù)雜。還有系統(tǒng)具有對(duì)負(fù)載變化很敏感的多種問題。3.3適合用于零速或低速運(yùn)行的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制方法電機(jī)在低速運(yùn)行的時(shí)候，因?yàn)橄嚯妷阂约跋嚯娏鞯姆刀急容^小，所以很難將從噪聲信號(hào)中分離出來。因而導(dǎo)致各種以反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)為寄出的無傳感器控制方法都很難完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的高精度估計(jì)。這些無傳感器的方法多部分來自電機(jī)凸極的檢測(cè)。因?yàn)殡姍C(jī)的凸極和位置信息有關(guān)系，所以我們能夠用不一樣的勵(lì)磁方式以及不一樣的信號(hào)檢測(cè)與分離的方法，把這些位置的信息估算出來。現(xiàn)在低速和零速運(yùn)行的無傳感器的技術(shù)的創(chuàng)新不都是基本原理的創(chuàng)新，都是運(yùn)用了不同信號(hào)檢測(cè)、不一樣的勵(lì)磁方法與分離方法。下面介紹幾種合適的相關(guān)控制方法?；跍y(cè)試脈沖勵(lì)磁和電流幅值測(cè)量的初始值測(cè)量的初始位置估算方法這些方法主要是由Jung-IKHa等人幾人共同提出的，它的基本原理是用定子的鐵芯飽和特性和運(yùn)用內(nèi)里式永磁同步電機(jī)的凸極檢測(cè)來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的初始位置的。當(dāng)鐵芯檢測(cè)到轉(zhuǎn)子的初始位置之后，系統(tǒng)將自動(dòng)切換到基于狀態(tài)觀測(cè)器的來高速無傳感器算法上。它的優(yōu)點(diǎn)就是不以來點(diǎn)擊的參數(shù)，而缺點(diǎn)就是算法運(yùn)算的過程緩慢，僅僅適合用于初始位置的估計(jì)，并且也只能用于內(nèi)里式永磁同步電機(jī)?；诿}動(dòng)矢量勵(lì)磁和相位檢測(cè)的初始位置估計(jì)方法這是由NoguchiT等人提出的點(diǎn)擊的初始位置估計(jì)方法，這種檢測(cè)點(diǎn)擊的初始位置方法是由基于脈動(dòng)矢量勵(lì)磁，即由高頻率的電壓的信號(hào)加入到電機(jī)的旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸所形成的高頻率電流分量以及注入高頻電壓間的相角用于分離轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的。而它的缺點(diǎn)就是僅能估計(jì)點(diǎn)擊的初始位置，不適合用在低速以及高速運(yùn)行的狀態(tài)下。這種方法對(duì)于電機(jī)參數(shù)比較敏感。旋轉(zhuǎn)的高頻電壓注入方法這種方法的提出是在1993年被RobertD.Lorenz教授等。是目前使用最廣泛的一零速、低速傳感器控制方法。此方法的激發(fā)和旋轉(zhuǎn)矢量的電流信號(hào)的解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的位置的估計(jì)，激勵(lì)信號(hào)被注入到定子坐標(biāo)系的d軸和q軸。它的優(yōu)點(diǎn)是有一個(gè)明確的凸極電機(jī)，不斷激發(fā);噪聲過濾性能與高帶寬。3.4本章小結(jié)通過對(duì)永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制進(jìn)行簡要的分析，并對(duì)適合永磁同步電機(jī)高速和低速運(yùn)行的幾種方法進(jìn)行了簡要的介紹，說明了這幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。下一章我會(huì)針對(duì)其中的上面比較常見的適合電機(jī)高速運(yùn)行控制方法的進(jìn)行系統(tǒng)的研究。永磁同步電機(jī)無位置傳感器矢量控制研究本章主要是對(duì)上一章介紹的永磁同步電機(jī)中比較典型兩種控制方法的基本原理給予詳細(xì)介紹。并進(jìn)行仿真研究。4.1電機(jī)的基本方程法無速度傳感器技術(shù)是電機(jī)的基本方程法的出發(fā)點(diǎn)，從最容易檢測(cè)的電機(jī)定子電流和電壓進(jìn)行著手，通過電機(jī)動(dòng)態(tài)派克方程進(jìn)行推導(dǎo)，從而得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。所以，此方法直觀簡易。該類方法用來計(jì)算轉(zhuǎn)子位置和速度的量均能夠由實(shí)際測(cè)量得到，計(jì)算過程不復(fù)雜且直接，不用復(fù)雜麻煩的收斂控制算法，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也比較快。但因?yàn)樗谟?jì)算中用到了電流的微分，測(cè)量誤差對(duì)轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確觀測(cè)影響比較大，再者，這種算法屬于一種開環(huán)計(jì)算的方法，不能夠保證電機(jī)在受到噪聲干擾或者當(dāng)參數(shù)變化時(shí)仍然能得到正確的結(jié)果。定子在靜止坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的電壓方程有定子電壓，電流等量可以直接計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置，文獻(xiàn)【2】中給出了轉(zhuǎn)子位置角的計(jì)算公式：其中，轉(zhuǎn)子的位置角能夠用定子端電壓和電流轉(zhuǎn)子及角速度表示，又對(duì)于表面式永磁同步電機(jī)，因此上面式子中；。為了驗(yàn)證基本方程法辨識(shí)轉(zhuǎn)速的理論可行性，本節(jié)利用了MATLAB/SIMULINK進(jìn)行了建模和仿真分析。第一步用狀態(tài)方程建模型；由這基礎(chǔ)來建立了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)；再向系統(tǒng)中加入電機(jī)基本方程法轉(zhuǎn)速估計(jì)器，并將其估計(jì)的轉(zhuǎn)速作為反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞給矢量的控制系統(tǒng)，最后對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的仿真進(jìn)行了分析。下面的圖4.1.1是基于基本方程法建立的系統(tǒng)仿真模型，圖4.1.2是系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、角度估算模塊圖圖4.1.1基于電機(jī)的基本方程法建立的仿真模型4.1.2系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、角度估算模塊由電機(jī)的基本方程法估算出來的轉(zhuǎn)速當(dāng)作反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞給永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)中，就能夠獲得如圖4.1.3所示的就是電機(jī)基本方程法的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。4.1.3基于電機(jī)基本方程法無速度傳感器矢量控制的仿真模型電機(jī)參數(shù)如下,定子每相電阻：2.8750Ω,d軸電感：0.0085H,q軸電感：0.0085H，主磁極磁通：0.175Wb,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.001kg·m^2,極對(duì)數(shù)：4;圖1.1.4給出了電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min，在0.1s時(shí)加1N.m負(fù)載到0.2s,然后去掉負(fù)載過程的仿真波形，可以看出該方案動(dòng)態(tài)性能較好。啟動(dòng)很快，0.04s就達(dá)到了穩(wěn)定。單穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速和估計(jì)轉(zhuǎn)速有一定的誤差，這是應(yīng)為該方案缺少反饋矯正環(huán)節(jié)造成的，圖中所示的為太誤差大約在50轉(zhuǎn)以內(nèi)。（a）定子三相電流(b)實(shí)際轉(zhuǎn)速1(c)實(shí)際轉(zhuǎn)速2（d）估算轉(zhuǎn)速1（e）估算轉(zhuǎn)速2（f）轉(zhuǎn)速誤差（g）dq軸電流（h）實(shí)際轉(zhuǎn)子位置角(i)估算轉(zhuǎn)子位置角圖4.1.4轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)的仿真波形從以上的仿真現(xiàn)象結(jié)果可以得出結(jié)論，電機(jī)的基本方程法算法容易，簡單，動(dòng)態(tài)性能也較好，按理論上來說，轉(zhuǎn)速的計(jì)算沒有延時(shí)，因?yàn)槠涑霭l(fā)點(diǎn)是基于動(dòng)態(tài)關(guān)系的電機(jī)派克方程，從電機(jī)電磁關(guān)系式及轉(zhuǎn)速的定義中獲得關(guān)于轉(zhuǎn)速關(guān)系表達(dá)式，但其穩(wěn)態(tài)精度并不高，缺少對(duì)于誤的差矯正環(huán)節(jié)；動(dòng)態(tài)過程不能保證速度估計(jì)值與實(shí)測(cè)值保持一致。4.2模型參考自適應(yīng)法4.2.1原理文獻(xiàn)[5]提出了了基于PMSM和電流模型MRAS方法，電流模型與轉(zhuǎn)速相關(guān)，以PMSM本身作為參考模型，電流模型為可調(diào)模型：參考模型：可調(diào)模型為：因?yàn)?，通過自適應(yīng)律可以退出辨識(shí)算法得到：式中由可調(diào)模型得到，，從電機(jī)本身檢測(cè)之后得到，下圖為該方案的識(shí)別框圖：圖4.2.1模型參考自適應(yīng)的轉(zhuǎn)速辨識(shí)框圖圖4.2.2是根據(jù)模型參考自適應(yīng)法的原理建立仿真圖，圖4.2.3是系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、角度估算模塊，圖4.2.4為可調(diào)模型的仿真圖，圖4.2.5為自適應(yīng)律模塊圖，圖4.2.2圖4.2.3圖4.2.4圖4.2.5下面圖4.2.6給出了電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min，在0.2s時(shí)加1N.m負(fù)載0.4s時(shí)去掉負(fù)載這一過程的波形，可以看出模型參考自適應(yīng)法辨識(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)精度較高，穩(wěn)態(tài)誤差都在1轉(zhuǎn)以內(nèi)，這是因?yàn)樗情]環(huán)的辨識(shí)算法，由反饋矯正環(huán)節(jié)。(a)三相定子電流\(b)參考模型實(shí)際轉(zhuǎn)速（c）可調(diào)模型實(shí)際轉(zhuǎn)速（d）參考模型的估計(jì)轉(zhuǎn)速(e)可調(diào)模型估計(jì)轉(zhuǎn)速(f)轉(zhuǎn)速誤差(g)參考模型dq軸電流（h）可調(diào)模型dq軸電流(i)實(shí)際轉(zhuǎn)子位置角（j）估算轉(zhuǎn)子位置角(k)電磁轉(zhuǎn)矩圖4.2.6仿真波形以上結(jié)果可以看出，模型參考自適應(yīng)法穩(wěn)態(tài)精度比較高，原因是其基于穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的參數(shù)辨識(shí)方法，保證了參數(shù)估計(jì)的收斂性，不過其不足之處是動(dòng)態(tài)性能非常一般，只是因?yàn)镸RAS辨識(shí)法的前提都是要求轉(zhuǎn)子角速度恒定不變或至少對(duì)MRAS法的計(jì)算收斂速度來說緩慢變化，動(dòng)態(tài)過程不能保證速度估計(jì)值與實(shí)測(cè)值保持一致，是漸進(jìn)收斂過程，動(dòng)態(tài)中也存在PI調(diào)節(jié)器的滯后作用而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能。更能凸出無位置傳感器的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)有位置傳感器跟上面兩種傳感器做了比較，因此在下一節(jié)對(duì)有位置傳感器進(jìn)行了仿真研究。4.3有位置傳感器的矢量控制仿真研究為了與無位置傳感器控制進(jìn)行比較，在相同電機(jī)參數(shù)條件下，進(jìn)行了有位置傳感器的矢量控制仿真。有位置傳感器系統(tǒng)仿真模型如下：圖4.3.1永磁同步電機(jī)有位置傳感器仿真圖以下是永磁同步電機(jī)有位置傳感器仿真波形，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min，在0.1s時(shí)加1N.m負(fù)載0.2s時(shí)去掉負(fù)載這一過程的波形，（a）定子三相電流（b）轉(zhuǎn)速1（c）轉(zhuǎn)速2（d）dq軸電流（e）轉(zhuǎn)子位置角（f）電磁轉(zhuǎn)矩（g）轉(zhuǎn)速誤差通過對(duì)兩種無位置傳感器控制方法以及有位置傳感器控制的仿真分析結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出：基本方程法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡單、直觀性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是依賴電機(jī)參數(shù)，不存在誤差校正環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速估算精度低、系統(tǒng)穩(wěn)定性差；模型參考自適應(yīng)法的優(yōu)點(diǎn)是模型參考自適應(yīng)法利用電機(jī)模型進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，估算精度較高；缺點(diǎn)是是受電流檢測(cè)精度影響，計(jì)算強(qiáng)度大，響應(yīng)較慢，需要合理選取自適應(yīng)律參數(shù)。從此得出結(jié)論，任何一種無傳感器控制方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，要根據(jù)系統(tǒng)要求來進(jìn)行合理選擇。4.4本章小結(jié)分別闡述了模型參考自適應(yīng)法和電機(jī)基本方程法的基本原理，采用Matlab/Simulink進(jìn)行了建模仿真，并與有位置傳感器控制方法做了比較。結(jié)果表明，兩種無傳感器矢量控制方法都能夠跟蹤轉(zhuǎn)子位置和速度，模型參考自適應(yīng)法有較好的穩(wěn)態(tài)精度，電機(jī)基本方程法有較好的動(dòng)態(tài)性能。結(jié)語本文中對(duì)永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)的研究經(jīng)歷了三個(gè)階段：閱讀文獻(xiàn)，介紹無傳感器控制的，建模和仿真分析。首先是通過大量的文獻(xiàn)閱讀對(duì)永磁同步電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，了解永磁同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)，數(shù)學(xué)模型。以及永磁同步電機(jī)矢量控制的基本思想，原理以及它在兩相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。闡述了坐標(biāo)變換的原理，還指出了它在矢量控制系統(tǒng)中的作用。其次，研究了永磁同步電機(jī)的矢量控制策略，總結(jié)了永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制的幾種方法，其中對(duì)電機(jī)的基本方程法和模型參考自適應(yīng)法進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹。最后，采用Matlab/Simulink進(jìn)行了建模仿真，并與有位置傳感器控制方法做了比較。結(jié)果表明，電機(jī)的基本方程法算法簡單，動(dòng)態(tài)性能較好，從理論上講轉(zhuǎn)速的計(jì)算沒有延時(shí)，但它的穩(wěn)態(tài)精度不高，缺少誤差矯正環(huán)節(jié)；而模型參考自適應(yīng)法穩(wěn)態(tài)精度較高，因?yàn)樗腔诜€(wěn)定性設(shè)計(jì)的參數(shù)辨識(shí)方法，保證了參數(shù)估計(jì)的收斂性，但它的動(dòng)態(tài)性能很一般，只是因?yàn)镸RAS辨識(shí)法的前提均是轉(zhuǎn)子角速度恒定不變或至少對(duì)MRAS法的計(jì)算收斂速度來說緩慢變化，動(dòng)態(tài)過程不能保證速度估計(jì)值與實(shí)測(cè)值保持一致，是漸進(jìn)收斂過程。對(duì)以后工作的展望有以下幾點(diǎn)：模型參考自適應(yīng)控制法是基于穩(wěn)定參數(shù)識(shí)別方法設(shè)計(jì)。但速度觀測(cè)是參考模型的精度為基礎(chǔ)，參數(shù)精度的參考模型本身就是對(duì)控制和識(shí)別速度直接相關(guān)的工作。所以，模型參考自適應(yīng)法以后的工作應(yīng)該主要在以下幾個(gè)方面：解決多參數(shù)辨識(shí)問題；選擇合理的參考模型和可調(diào)模型，減少參數(shù)個(gè)數(shù)；選擇合理有效的自適應(yīng)律。參考文獻(xiàn)現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社HoqueMA,RahmanMA.SpeedandPositionSensorlessPermanentMagnetSynchronousMotorDrive[C]//CanadianConferenceonElectricalandComputerEngineering,1994,2;689-692張舒童.永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2008陳志芳.基于滑模觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無位置傳感器的控制.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,2012WuR,SlemonGR.APermanentMagnetMotorDriveWithoutaShaftSensor[C]//IEEEIndustryApplicationsSocietyAnnualMeeting,1990,1;553-558.吳芳,黃聲華.萬山明.永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)發(fā)展與研究，華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,2008陳寧.陳文祥.喻壽益.表貼式永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制，中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)，2010王寅東.基于新型滑膜觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制，天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,2011王明金.永磁電機(jī)無位置傳感器技術(shù)研究，南京航空航天大學(xué)NaiduM,BoseBK.RotorPositionEstimationSchemeofaPermanentMagnetSynchronousMMachineforHighPerformanceVariableSpeedDrive[C]//IEEEIAS,1992，1;48-53.FitzgeraldAE,KingsleyCK,UmansSD.ElectricMachinery[