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(dòng)專題課報(bào)告報(bào)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(hào)： 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(diǎn)，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(dòng)裝置的造價(jià)，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(diǎn)，成為近年來研究的一個(gè)熱點(diǎn)。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(hào)，通過直接計(jì)算、參數(shù)辨識(shí)、狀態(tài)估計(jì)、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(shí)

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(gè)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(jì)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(yùn)行時(shí)，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(gè)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(jì)算方法簡單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但對(duì)電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確性要求比較高，應(yīng)用這種方法時(shí)需要結(jié)合電機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí)。(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(jì)算出該假設(shè)位置電機(jī)的電壓和電流值，并通過與實(shí)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(shí)際位置之間的角度差。當(dāng)該值減小為零時(shí)，則可認(rèn)為此時(shí)假設(shè)位置為真實(shí)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(shí)有一些新的需要解決的問題。(3)觀測器基礎(chǔ)上的估計(jì)方法。觀測器的實(shí)質(zhì)是狀態(tài)重構(gòu)，其原理是重新構(gòu)造一個(gè)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(hào)，并使輸出信號(hào)在一定條件下等價(jià)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(huì)引起系統(tǒng)發(fā)生抖動(dòng)，這對(duì)于矢量控制在低速下運(yùn)行是有害的，將會(huì)引起較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。擴(kuò)展卡爾曼濾波器提供了一種迭代形式的非線性估計(jì)方法，避免了對(duì)測量的微分計(jì)算。該方法的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速估算值與實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(yùn)行工況，因而可能工作在極低速，并且系統(tǒng)的計(jì)算工作量不大，是比較理想的方法之一。其最大的缺點(diǎn)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(jì)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(jì)方法的應(yīng)用日趨成熟，將為交流傳動(dòng)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(shí)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(jì)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(lì)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(duì)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(shí)變方程，同步電機(jī)的動(dòng)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(shí)，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(gè)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(shí)變系數(shù)，從而簡化運(yùn)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(lì)磁磁通的方向上，q軸為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90°電角度。取逆時(shí)針方向?yàn)檗D(zhuǎn)速的正方向。為每極下永磁勵(lì)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(lì)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(hào)中第一項(xiàng)是由定子電流與永磁體勵(lì)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(xiàng)是由轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)引起的，稱為磁阻轉(zhuǎn)矩。對(duì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(gè)多變量非線性的狀態(tài)方程。1.4 控制方法設(shè)計(jì)矢量控制的基本原理為：電磁轉(zhuǎn)矩的生成可看成是兩個(gè)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(dòng)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(hào)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(hào)，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(duì)高頻電流解調(diào)后，通過外差法得到轉(zhuǎn)子估算值與實(shí)際值的誤差信號(hào)，將誤差信號(hào)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(shí)際值；或者根據(jù)數(shù)學(xué)模型通過數(shù)學(xué)計(jì)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(hào)為，頻率為，幅值為；電機(jī)基波電壓信號(hào)為，頻率為，幅值為，其中，則注入的高頻電壓信號(hào)的矢量表達(dá)式為：零速時(shí)，在高頻電壓信號(hào)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(hào)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(hào)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(duì)負(fù)相序電流進(jìn)行一系列的信號(hào)處理工作。電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，在兩相靜止坐標(biāo)系內(nèi)，電流響應(yīng)中會(huì)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(yùn)行時(shí)，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(hào)，又含有矢量控制產(chǎn)生的基波電壓信號(hào)：定子磁鏈方程為低速時(shí)兩相靜止坐標(biāo)系下的電流響應(yīng)為式中第一項(xiàng)和第二項(xiàng)均為

12、和基頻相關(guān)的低頻分量，第三項(xiàng)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(yùn)行時(shí)，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(shí)，與轉(zhuǎn)子位置估計(jì)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(duì)于轉(zhuǎn)子位置估計(jì)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(hào)與基頻激勵(lì)信號(hào)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(hào)經(jīng)電機(jī)調(diào)制后得到的電流信號(hào)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(hào)被轉(zhuǎn)換到一個(gè)與注入的高頻電壓激勵(lì)信號(hào)同步的參考坐標(biāo)系中時(shí)，正相序電流信號(hào)就變?yōu)橐粋€(gè)直流量，很容易通過一個(gè)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(hào)。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(hào)注入法由于不依賴于電機(jī)本身參數(shù)，所以對(duì)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(shí)可以準(zhǔn)確地檢測轉(zhuǎn)子的速度和位置信號(hào)，但是在高速時(shí)電機(jī)的高頻等效模型不再成立，同時(shí)由于高頻脈振信號(hào)注入法中需要多個(gè)濾波器的使用，會(huì)帶來轉(zhuǎn)子速度和位置估計(jì)的滯后，因此這類方法是不適合高速時(shí)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(yùn)行控制方法，是通過對(duì)反電動(dòng)勢的觀測達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)子速度和位置的跟蹤，這類方法在中速以及高速時(shí)可以準(zhǔn)確地檢測轉(zhuǎn)子的速度和位置信號(hào)，動(dòng)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(dòng)勢信號(hào)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(dòng)慣量J0.0018kg.m2極對(duì)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(jì)圖1.6 結(jié)論在低速時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計(jì)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，所構(gòu)建狀態(tài)觀測器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子位置和速度的觀測，在低速時(shí)轉(zhuǎn)子位置觀測誤差在 20°以內(nèi)，驗(yàn)證了本文所研究方案的可行性和有效性，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)子位置在零速和低速時(shí)的估計(jì)。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(bào)，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(dòng)化，2008，32(12)：78-824李崇堅(jiān)交