（控制科学与工程专业论文）永磁同步电机无位置传感器控制系统研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t p 2 7 1 4 学科分类号 1 2 0 3 0 3 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 8 1 7密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名冯勇军 学号 2 0 0 8 0 0 0 8 1 7 获学位专业名称 控制科学与工程 获学位专业代码 0 8 1 1 课题来源自选项目 研究方向电机无位置传感器控制 论文题目 永磁同步电机无位置传感器控制系统研究 关键词 永磁同步电机，无位置传感器控制，s v p 州，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 论文答辩日期 2 0 1 1 一0 5 2 6论文类型 开发研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位 学科专长 指导教师楚纪正研究员 北京化工大学过程建模，仿真，控制 评阅人1 夏涛副教授北京化工大学过程控制，计算机技术 评阅人2首政才 副教授北京化工大学智能控制 评阅人3 评阅人4 椭员会捕 李宏光教授 北京化工大学过程控制 答辩委员1陈娟教授 北京化工大学过程控制，电力电子 答辩委员2 崔玉龙副教授北京化工大学 过程控制，电力电子 答辩委员3 夏涛副教授 北京化工大学过程控制，计算机技术 答辩委员4曹政才副教授 北京化工大学 智能控制 答辩委员5 摘要 永磁同步电机无位置传感器控制系统研究 摘要 近年来永磁同步电机( p m s m ) 凭借其体积小、结构简单、高气隙磁 场密度、可靠运转等众多特点获得了广泛的应用，同时也推动了p m s m 控制系统的发展。本文针对广泛应用于家电行业的中小功率永磁同步电机 的无位置传感器调速控制进行了深入的研究。其主要内容如下： 首先对控制对象p m s m 进行了简要的分析。通过坐标变换思想，建 立电机在定子静止三相坐标系、定子静止两相坐标系和旋转两相坐标系下 的数学描述，并提出改进的p m s m 数学仿真模型，为后续控制系统的设 计与仿真试验提供对象基础。 其次在p m s m 模型的基础上分析了电机调速系统的控制策略，通过 比较分析本系统采用了基于矢量控制的双闭环控制，同时讨论了空间矢量 脉宽调制技术( s v p w m ) ，并给出了s v p w m 的实现方法。 再次综合考虑无位置传感器参数观测算法的计算量和精度，提出基于 扩展卡尔曼滤波器( e k f ) 的新算法。同时给出新算法的推导过程，讨论 了该算法的参数选取，并将其应用于p m s m 转子速度和位置角观测。从 理论推导的过程中得出该算法略微增加计算量，可明显减小截断误差，提 高观测精度。为验证新算法良好的观测性能，在s i 咖l i i l l ( 中建立仿真模 型，对p m s m 调速控制系统进行整体性能仿真实验并分析实验结果。结 果显示基于e k f 的新算法的永磁同步电机无位置传感控制系统动态性能 北京化工大学硕上学位论文 高。比较于常规的e k f 算法，新算法计算量略微增加， 验结果为指导，基于t m s 3 2 0 l f2 4 0 7 a 搭建p m s m 调 软硬件设计。目前处于调试阶段。 电机，无位置传感器，矢量控制，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a u a b s t ra c t r e s e a r c ho np e rman e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r sc o n t r o ls y s t e mw i t hn os e n s o r s a b s t r a c t b yv i r t u eo fi t ss m a l ls i z e ，s i m p l es t r u c t u r e ，h i g ha i rg a pm a g n e t i cf l u x d e n s 埘a n dr e l i a b l ep e 墒m a n c e ，p e m a n e n tm a g n e ts y l l c h r o n o u s m o t o r s ( p m s m s ) h a v eb e e nw i d e l yu s e di nt h e s ey e a r s ，w h i c hi nt u m h a sp r o m o t e d 也ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e mo fp m s m s t h et h e s i ss m d i e dt h e s e n s o r l e s sc o n t r e o ls y s t e mo fp m s m sw h i c hi sn o we x t e n s i v e l yu s e di nh o m e 印p l i c a n c ei n d u s t t h em a i n w o r kc a nb es u 彻 1 1 撕e da sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，m ea u t h o rm a d eab r i e fa n a l y s i so np m s m ，t h ec o n t r o l l e d o b j e c t a n dt h e n ，b a s e do nt h ei d e ao f c o o r d i n a t et r a m s f o n n a t i o n ，t h ew r i t e r p r e s e n t e di t s m a t h e m a t i cd e s c r i p t i o n sr e s p e c t i v e l yu n d e rt h r e e p h a s es t a t i c s t a t o rf r a m e ，s t a t i cs t a t o rf r a m ea n dt w o p h a s ea r b i 哪f r a m e ，a tm es a m e t i m et h ew r i t e ra l s op r o p o s e da ni m p r o v e dm a t h e m a t i cs i n m l a t i o nm o d e lo f p m s mw h i c hc a ns e r v ea sd b j e c to fm t u r ed e s i 印o fi t sc o n t r o ls y s t e ma n d s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s e c o n d l y ，t h et h e s i sa n a l y z e dm e c o n t 】ls t r a t e g yo nt h eb a s i so fp m s m m o d e lb ya d o p t i n gv e c t o rc o n 仃o l - b a s e dd o u b l ec l o s e dl o o p c o n t r 0 1 d i s c u s s i o no fs p a c ev e c t o rp u l s ew d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) a n di t s k e y w o r d s ：p m s m ，s e n s o d e s sc o n t r o l ，v e c t o rc o n t r o l ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 目录 目录 第一章绪论l 1 1 课题来源1 1 2 课题研究背景和意义1 1 3 永磁同步电机无位置传感器控制系统研究现状2 1 3 1永磁同步电机控制策略研究现状2 1 3 2永磁同步电机无位置传感器算法研究现状5 1 3 3永磁同步电机无位置传感器控制系统研究的难点8 1 4论文研究的主要目的和意义8 1 5论文各章节的安排8 第二章永磁同步电机的数学模型和矢量控制1 1 2 1静止参考坐标系下的永磁同步电机数学模型1 1 2 1 1 凸极永磁同步电机的一般模型1 2 2 1 2非凸极永磁同步电机的一般模型1 5 2 2旋转坐标系下的永磁同步电机数学模型1 6 2 2 1 凸极永磁同步电机的一般模型1 6 2 2 2非凸极永磁同步电机的一般模型1 8 2 3永磁同步电机调速控制系统设计1 9 2 3 1 永磁同步电机的双闭环控制形式1 9 2 3 2永磁同步电机的矢量控制2 0 2 3 3空间向量脉宽调制技术( s ，w m ) 2 3 2 3 4s ? w m 的实现2 5 2 4 本章小结2 6 第三章无位置传感器速度和位置角观测算法2 9 3 1基于e k f 的新的无位置传感器观测算法2 9 3 1 1 离散卡尔曼滤波2 9 3 1 2 离散扩展卡尔曼滤波3 2 3 1 3 基于e k f 的新方法3 4 3 2新方法在p m s m 上的应用3 8 3 2 1新方法应用于a 猡坐标系下p m s m 的无位置传感器参数观测3 8 3 2 2新方法法应用于由坐标系下p m s m 的无位置传感器参数观测4 0 v 5 2 1 t m s 3 2 0 1 亿4 0 7 a 主控板电路一6 5 5 2 2 功率模块电路6 7 5 2 3 检测采样电路6 7 5 2 4 保护电路6 8 5 3p m s m 无位置传感器控制系统系统软件设计6 9 5 3 1 软件程序整体结构6 9 5 3 2 系统主程序7 1 5 3 3 中断服务子程序7 l 5 4硬件实验与结果分析7 2 5 5 本章小结7 5 第六章工作总结与工望7 7 6 1工作总结7 7 v i v i i 2 1m a m e m a t i c a lm o d e lo f p m s mi n 曲a t i o n a r yr e 矗。r e n c e 丘锄e 1 1 2 1 1g e i l e r a lm o d e lo fs a l i e n tp m s m 12 2 1 2g e r a lm o d e lo f n o n s a l i e i l tp m s m 15 2 2m a t h 锄a t i c a lm o d e lo fp m s mi nr o t a t i n gr e 矗锄e i l c e 台a m e l6 2 2 1g e l l e r a lm o d e lo f s a l i e n tp m s m 1 6 2 2 2g e i l e r a lm o d e lo f n o n - s a l i e n tp m s m ，18 2 3 d e s i 鹊o f p m s mc o n n i o ls y s t e m 1 9 2 3 1d o u b l ec l o s c d1 0 0 po f p m s m 1 9 2 3 2v 斌o rc o n 仃d lo f p m s m 2 0 2 3 3 s p a c ev e c t o rp u l s ew i d 廿lm o d u l a t i o n 2 3 2 3 4 i m p l 锄咖a t i o f s v p 、v m 2 5 2 4 s u m m a r y 2 6 c h a p t e r 3s e n s o r l e s sc o n t r o la i g o r i t h m 。2 9 3 1n e wm e m o do f s e l 】l s o d 髑sc o n t r o lb 嬲e do ne k f 2 9 3 1 1d i s c r e t ek a l m a n 丘l t e r 2 9 3 1 2d i s 删ee x t e i l d e dk a l i i l a i lf i l t e r 3 2 3 1 3n e wm e c h o db a s e do ne k f 。3 4 3 2n e wm e t h o da p p l i e dt 0p m s mc o i l t r o ls y s t e m 3 8 3 2 1n e wm e m o da p p l i e dt op m s mc o n 缸d ls y s t e mi n 掣丘a m e 3 8 c h a p t e r 5i m p l e m e n t a t i o no fp m s ms 蚰s o r l e s sc o n t r o ls y s t e m 6 3 5 1 d e s 翻p t i o no fd s p 6 3 5 1 1 o v e r v i e wo fd s p 6 3 5 1 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 6 4 5 2 h a r d w a r ec i 咖i td e s i 盟o fp m s ms e l l s o d c s sc o n t i 0 ls y s t 锄6 4 5 2 1c i r c u i to f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 6 5 5 2 2c i r 饥i to f p o w e rm o d u l e 6 7 5 2 3 m e a 鲫r i n gc i r c ：u i t 6 7 5 2 4 i r o te | c t i v ec i i c u i t 6 8 5 3s o 胁a r ed 鲥印o fp m s ms 锄s o d e s sc o n 仃d ls y s t 锄6 9 5 3 1s 协l c 由l r eo f s o r w a r e 6 9 5 3 2m a i l lp r 0 孕锄o fs y s t e 7 l 5 3 3 e 眦p ts e r v i c er o l u t i n g 7 l 5 4h 曲a r ec ) 【p 嘶m 朗t 觚d 锄a l y 嫡so f l er e s u l t s 7 2 5 5 s u m m a l y 7 5 c h a p t 盯6c o n c l u s i o na n df u t l l r ew o r k 7 7 x x 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 项目名称：永磁同步电机无位置传感器控制系统研究。 项目来源：中国家用电器研究院变频技术研究室 1 2 课题研究背景和意义 近几十年来交流电机在工业发展中起着至关重要的作用，与此同时研发出了各种 各样的交流驱动系统，用于驱动控制众多生产设备，例如传送机，机器臂，起重机， 钢铁生产线，造纸厂以及废水处理等。从2 0 世纪八十年代起，随着功率半导体器件， 变换拓扑学，微处理器以及电脑辅助设计技术的发展，交流电子驱动对电机调速控制 系统领域产生了巨大的影响。 在所有交流驱动系统中，永磁同步电机以其高效率，高可靠性，高转矩等一系列 优点在日常生活和生产中逐步得到更加广泛的应用。近年来，高性能永磁材料( 如钐 钴和钕硼铁) 的生产成本持续下降使永磁同步电机更具有市场竞争力。然而，随着永 磁同步电机的应用逐步扩大，在一些高性能的工业应用中，对永磁同步电机的控制提 出了新的要求，例如更快的动态响应，更高的功率因素，更宽的速度运行范围以及更 小的输出转矩脉动。永磁同步电机的控制系统需要更智能化、数字化和精确化以满足 更高性能要求的应用。如何研发出更加先进的永磁同步电机控制系统成了学者们研究 的重点课题。 随着微处理器和数字信号处理器( d s p ) 的快速发展，矢量控制技术逐渐成为永 磁同步电机控制系统应用最广泛的控制策略。在矢量控制技术的应用中，往往需要获 取精确地电机转子位置信息，传统上使用安装在电机转轴上的编码器或者霍尔传感器 来测量位置和速度参数。然而这些传统的机械传感器在大量的应用中暴露出越来越多 的问题：高精度传感器成本较高，增加了设备的生产成本、安装时传感器与轴承同心 度不易掌握，易形成较大误差、传感器的安装增加了系统的外部控制接口，影响系统 的稳定性、传感器易受周围环境影响，容易损坏，维护繁复且成本高，同时在诸多应 用中不允许使用位置传感器，如要求较高的航天设备上，封闭性较高的电力系统中。 正是基于这些不可忽视的缺点迫使学者们对传统上通过传感器来获取电机转子位置 和速度信息的方法进行改进或革新。软测量技术的发展促进了新方法的提出，永磁同 步电机的无位置传感技术成了学者们研究的热点。 综上，正是由于永磁同步电机众多的优势，其应用范围正在逐步延伸，同时在应 和励磁电流进行独立的控制即可实现控制电机转矩。矢量控制的主要思想是：利用 f b l a s h k e 提出的磁场定向原理和a a c l a d 【等提出的矢量变换方法将永磁同步电 机模拟为一种他励磁方式的直流电机，在转子同步旋转d q 坐标系内，使用c l a r k 和 p a r k 变换将定子交变电流转换为励磁分量和转矩分量两个直流量，两者在空间上互差 9 0 度角，通过矢量变换这样即实现了两者的解耦，从而完成对励磁磁场和电磁转矩的 分别控制。 感应电机的矢量控制也可称为感应电机磁场定向控制。根据同步旋转坐标系的定 向方式不同，一般情况下可分为永磁同步电机定子磁场定向控制，气隙磁场定向控制 和转子磁场定向控制三种不同的定向控制方式。其中只有转子磁场定向控制可以得到 自然的解耦控制，在实际系统中得到广泛应用，而后两种定向都会产生耦合，必须通 过解耦的补偿电流实施补偿【3 l 。 永磁同步电机的控制策略依据电机的使用用途不同而侧重点有所变化，一般来 2 第一章绪论 讲，控制策略的提出需要综合考虑电枢反应的去磁效应、应用中电机端电压允许变化 的上下限值、电机功率因数以及电流和转矩之间的线性度等因素。根据控制策略侧重 点的不同以及永磁同步电机本身的结构特点不同，矢量控制技术出现了很多不同的控 制方式。目前常用的矢量控制方式主要有：i d - 0 方式式、功率因数恒等于l 方式、最 大转矩控制方式、恒磁通方式和弱磁控制方式等。 i d _ o 方式在矢量控制中使用最多。在此控制方式下，电机定子电流直轴分量恒为 零，只有交轴分量，永磁体的磁场空间矢量正交于定子磁场矢量。这样的控制方式下 可以完全避免电机直轴的电枢反应，不会引起电机永磁体的去磁效应。同时，应用此 方式控制隐极式永磁同步电机时，单位电流可输出最大转矩，电流利用率很高，提高 电机效率。然而此方式的缺点是电机端电压会随着负载增大而增大，应用时需要考虑 端电压的变化限制，一般采用有较高的输出电压和较大的容量的逆变器来匹配端电压 的增大。 最优效率控制方式是由r o y s c 0 1 b ye t a l 【4 】最先提出的，该类控制方式主要应用于 表面贴装式永磁同步电动机的控制。r o y s c o l b y 打破前人的思想，在减小定子铜耗 的基础上，考虑减小定子铁耗的控制方法。通过建立电机损耗模型，最优化电机运行 时的工作点，使总损耗达到最小，电机以最优效率运行。 安培电流输出最大转矩控制方式又称最大转矩控制，此方式能有效改善动态效应 和电机过载特性。s h i g e om o r i m o t o 等人利用此方法对凸极式永磁同步电机做了大量的 研究【5 刀。作者利用凸极电机电磁转矩与转矩位置间的关系获取凸极效应分量，从而实 现对给定的定子输入电流输出最大的转矩。 弱磁控制方式的基本思想来源于他励直流电机的调磁控制。当逆变器直流侧电压 达到上限值时，电流调节器出现饱和，为了获得更宽的调速范围或者需要在超基速运 行时保持恒定功率，调整定子电流直轴去磁分量实现弱磁控制。目前一般通过改进控 制方法和电机本体结构设计两个方面来提高永磁同步电机的弱磁能力。文献【8 9 】提出了 六步电压法和过调制技术来提高逆变器直流母线电压的利用率，实现弱磁扩速。 矢量控制技术的提出距今已有近4 0 年的历史了，经过实际应用过程的不断发展 改进完善，日趋成熟。同时电力电子技术和微处理器技术的进步加速了矢量控制技术 实现的过程，正是矢量控制技术在调速系统中动态性能好，输出脉动小，调速范围宽， 实现简单方便等优点，其应用范围得到了进一步的延伸，成为高性能调速系统的首选 方案。 2 ) 直接转矩控制 2 0 世纪8 0 年代中期德国鲁尔大学m d 印铋b r o c k 教授首次提出了基于六边形乃至 圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论【l o 】。直接转矩控制技术的提出稍晚于矢量控制技 术，它是基于矢量控制技术发展而来的一种新型的交流电机控制方式。直接转矩控制 的基本思想是直接以电机转矩为被控变量来综合控制。与矢量控制不同，直接转矩控 北京化工大学硕士学位论文 制采用控制定子磁链的方法，在定子坐标系内，采用定子磁场定向，将定子电流、电 压进行3 2 变换，借助瞬时空间矢量理论，通过检测定子电压和电流，在定子坐标系 中计算电动机的磁链和转矩，将给定值与反馈值的差值通过离散的两点式调节( 砰 砰控制) 选择电压矢量的状态，实现磁链和转矩的直接控制【l 。相比于矢量控制技术， 直接转矩控制方式下的交流电机不需要模拟为直流电机，避免了等效模拟时矢量变换 以及解耦的复杂计算，只需关心电磁转矩的大小，对电机的参数不敏感，鲁棒性很好。 直接转矩控制技术通过控制逆变器输出的8 组电压矢量按一定的方式加至电机的 电压矢量以确保磁链运动轨迹近似为圆。为保持电机定子磁链幅值恒定，可以借助于 永磁同步电动机数学模型方程，计算出给定磁链与实际磁链的偏差及磁链的具体方 向，选取合适的电压矢量，使定子磁链幅值恒赳坦】。 直接转矩控制因其良好的动态性能及较强的鲁棒性，引起了学者们广泛的关注。 1 9 9 5 年a b b 公司研发出了第一台采用直接转矩控制的异步电动机调速驱动，然而在 同步电机上的应用却困难重重。其主要原因是两者的运行机理大不相同，直接转矩控 制技术的应用实施存在差别。异步电机在应用直接转矩控制技术时，一般采用零电压 矢量来控制定子磁链和转矩的瞬时变化，从而获得良好的动态响应。但是在应用于永 磁同步电机中时，由于受永磁磁场的影响， 磁链的控制，但无法实现转矩的瞬间变化， 8 组电压矢量中的零矢量虽然能实现定子 为了解决这个问题，学者们引入了反电压 矢量。然而反电压矢量的使用使永磁同步电机响应加快的同时也带来了磁链、转矩的 剧烈变化，影响了直接转矩控制的稳态性能【1 3 】。 文献 1 4 】首次将直接转矩的控制思想应用于永磁同步电机调速系统的研究中，为 实现永磁同步电机的直接转矩控制奠定了基础。作者采用转矩控制器替代传统的电流 控制器，但在该系统中还存在电流环，因此并非真正的直接转矩控制。随着研究的不 断深入，文献 1 5 】详细研究了永磁同步电动机直接转矩控制系统，并提出了较为完备 的永磁同步电动机直接转矩控制理论。永磁同步电机的弱磁运行可以提高调速范围， m u l l 锄m e df a z l u rr a l l m a 等对直接转矩下控制系统下的电机弱磁控制进行了研究，文 献【1 6 】论述了永磁同步电机在恒转矩区的最大转矩磁链比的控制和在恒功率区的弱磁 控制。随着直接转矩控制理论的进一步应用，该理论下的无位置传感器速度观测也得 到了发展。文献【1 7 】中利用定子磁链向量与电磁转矩位置角度间的关系实现了永磁同 步电动机直接转矩系统的无位置传感器速度观测。由于永磁同步电动机直接转矩控制 自身的特点，随着电机的运行以及周围环境温度等的变化，电机定子电阻会随之发生 变化，从而引起磁链的震荡，影响直接转矩控制的性能。文献【1 8 】采用在控制过程中 对电机参数进行估计的方法来减小因定子电阻变化而引起的转矩脉动。文献 1 9 】提出 了电阻在线补偿的思想以抑制电阻变化对控制系统的影响。 随着直接转矩控制理论研究的不断深入以及实际应用的不断改进，永磁同步电机 的直接转矩控制以其良好的动态性能和鲁棒性获得了较快的发展。然而由于直接转矩 4 第一章绪论 控制自身的特点，其定子电阻容易发生变化，导致转矩脉动，尤其是低速运行时。如 何抑制转矩脉动是当前学者的研究难点，为此还需要进行大量的研究以不断改进其应 用性能。 3 ) 先进控制策略 永磁同步电机的调速控制系统是一个具有多变量、强耦合、时变的非线性系统， 在使用传统的经典控制方法时控制效果不理想。然而随着计算机和信息系统发展而逐 步形成的现代控制理论却在处理复杂的时变系统中展现出良好的控制效果。自适应控 制、滑模变结构、人工智能等一系列先进控制策略在永磁同步电机调速控制系统中获 得了较多的应用。 文献 2 0 ，2 1 提出一种自适应控制方法，利用该方法实现永磁同步电机控制系统中 的参数辨识，减小因电机参数不准确而带来的影响。文献 2 2 】利用自适应控制来解决 无位置传感器的位置和速度观测，同时还用于参数辨识，降低系统成本同时提高系统 可靠性。 滑模变结构控制其实质是一种开关控制，它采用状态方程完全描述电机的动态和 稳态过程，控制规律简单，能有效解决动态与静态性能指标之间的矛盾。文献 2 3 ，2 4 】 将滑模变结构控制应用于永磁同步电机的调速控制系统中，具有良好的抗干扰性。 人工智能技术如人工神经网络和模糊控制等在处理时变非线性复杂系统时具有 独特的优势，具有快速、鲁棒的控制性能。文献 2 5 】通过人工神经网络建立准确的数 学模型，并应用到永磁同步电机的控制中，获得了较好的系统适应性和鲁棒性。 1 3 2 永磁同步电机无位置传感器算法研究现状 在永磁同步电机的调速控制系统中，无论采取何种控制方案都需要在电机运行时 获取精确的转子位置和速度信息反馈以形成闭环控制。传统上采取高精度传感器来测 量转子位置角和速度，但是这些机械传感器的安装却增加了系统成本，同时还降低了 系统的稳定性。基于机械传感器的众多缺点，如何有效解决由此而引起的应用问题成 了研究的热点，学者们提出了无位置传感器参数观测的方法。永磁同步电机无位置传 感器算法大体可以分为3 类：一类是基于电机理想模型的开环计算方法；另一类是基 于各种观测器模型的闭环算法；最后是以高频注入法为典型代表的基于电机非理想特 性的算法【2 6 1 。这些方法具有不同的优缺点，可以针对不同的应用选用不同的方法。 基于模型的开环算法： 基于电机数学模型的开环算法是最早出现的永磁同步电机无速度传感器控制方 法，这类算法包含有直接推算法、电感估算法和反电动势积分法。该类算法本质上是 开环的方法，计算简单，其控制效果与电机参数的准确性有很大的关系，无法满足一 些高性能控制应用的要求。 5 北京化_ t 大学硕十学位论文 直接计算法：永磁同步电机电磁关系方程和动态方程定中包含有转子位置和速度 信息，通过数学推导可以直接得出计算转子位置角和速度的公式。文献 2 7 】通过可 量的定子三相电压和电流数值推导出转子位置角的计算公式，其计算过程简单，有 快的动态响应。但是该计算公式中包含有电流微分项，较小的测量误会引起较大的 测估算误差。 基于电感变化的计算法【2 8 】：内埋式永磁同步电机的三相同步电感和转子位置角有 特殊的对应关系，电机运行时，通过可测量的相电压和相电流得出瞬时的三相电感， 可以利用电感和位置角的关系通过查表得出位置角。该方法在电机稳定运行时可以 到较为准确的预测值，但是当电机在启动或低速运转时，电机三相电压和电流测量 差较大，从而引起较大的电感计算误差，最终影响电机转子位置角的估算。另一方 此算法为开环算法，当遇到噪声干扰或参数变化时，不能确保算法收敛。 反电动势法【2 9 】：永磁同步电机处于稳定运行状态时，其定子和转子磁链以某一可 的角度差保持着同步旋转，利用这个特性，我们可以利用反电动势的积分得出定子 链及相位角间接获得转子位置角。该方法应用较为广泛，电机高速稳定运行时，其 算精度较高，但通过纯积分来计算定子磁链，零漂和相移问题无可避免，另外电机 动或低速时反电动势较小不易准确测量观测的精度不能保证。 基于观测器的闭环算法： 如前所述的基于模型的开环算法，这类方法原理简单易操作，同时动态响应良好， 而该类算法最大的弱点是对模型的依赖性很大，对参数变化极其敏感，估算精度不 定。随着自动控制技术的发展，为了解决开环算法的不足，学者们开始研究基于观 器的闭环控制算法，提出了很多的应用算法，如：扩展卡尔曼滤波器算法、滑模观 器算法、模型参考自适应算法等，这些算法在一定程度上解决了开环算法的收敛性 问题，同时也大大提高了观测的精度和系统的稳定性。 卡尔曼滤波法：2 0 世纪6 0 年代美国学者r e k a l m 孤在其博士论文中提出一 种最小方差意义上的最优预测估计的方法卡尔曼滤波法。卡尔曼滤波器是一种特 殊的状态观测器，基于线性最小方差框架提供最优的状态估计。扩展卡尔曼滤波 器( e k f ) 广泛应用于非线性系统，是在k f 和线性化技术上发展而来的，其关 键在于通过观测值和估计值的均值与方差的不断更新来实现线性最小方差估计， 也即是利用状态估计值和观测值的前二阶矩信息。其计算过程包含以下几个环节： 预测，矫正，卡尔曼增益更新。扩展卡尔曼滤波器拥有自调节功能可以有效地削 弱随机干扰和测量噪声的影响，具有较快的跟踪速度和较宽的调速范围，能较好 的解决电机低速运行下的速度观测，目前广泛应用于在非线性系统中的参数观测。 但是该算法较为复杂，计算中存在矩阵求逆，对微处理器的计算速度有较高的要 求。一般情况下，选取合适的状态变量可以简化计算，降低计算量。文献 3 0 】通 过选取合适的正交量作为输出变量提出一种降阶的卡尔曼滤波算法，降低了运算 6 第一章绪论 量。随着微处理器d s p 的快速发展，为此算法的工程应用提供了重要基础。 模型参考自适应法( m r a s ) ：模型参考自适应法算法简单，多应用于数字化控制 系统。其主要思想是建立两个模型，可调模型和参考模型，可调模型中包含有待估计 参数，参考模型中不含未知参数。参考模型的输出和可调模型的输出在物理意义上是 完全相同的，当电机正常工作时，同时运行上述的两个模型，然后将这两个模型的输 出作比较，通过比较得出两个模型的输出差值，并按照设计的自适应规律合理地调节 可调模型的参数，从而使得控制对象的输出快速跟踪参考模型。文献【3 l 】中作者选用 永磁同步电机的定子磁链作为参考模型和可调模型的对比输出矢量，然后利用前述的 m r a s 算法进行电机速度辨识。该方法的辨识精度对电机参数变化很敏感，在实际应 用中电机的参数会随着电机运行而发生变化，从而引起较大的观测误差。文献 3 2 】提 出了一种改进的m r a s 方法，作者利用高频注入法获取转子观测角误差信号反馈回电 压模型，对模型进行补偿修正，提高观测精度和动态响应速度。 滑模观测器法：基于线性系统的观测方法在应用于非线性系统时，工作点的变化 会导致很大的观测误差。另一方面，模型参数的不确定性也会影响观测器的精度，这 是很多速度估算方法在应用过程中遇到的共同难题。基于这些难题学者们提出了滑模 观测器方法。该方法的主要思想是利用滑模变结构控制来减小参数变化对控制系统的 影响，从而能有效提高系统的鲁棒性。该方法将观测器中的控制回路设计为滑模变结 构的方式，利用高频率的切换开关使状态点在小范围的相平面上来回运动，找到稳定 点。文献 3 3 利用实测电流和观测电流间的差值来设计滑模观测器，预估转子速度。 滑模面和滑模增益的设计是该算法的关键点，滑模增益设计过大会引起电机运行时较 大的抖震，同时还需要综合考虑算法的收敛性和收敛速度。另外随着电机的运行定子 电阻会增大，参数变化会引起观测的精度，对此文献【3 4 】在辨识定子电阻的基础上采 用滑模观测器估算转子速度，取得了很好的观测效果。 基于非理想特性的方法： 前面所述的开环类算法和闭环观测器算法都有一个共同的缺点，电机启动和低速 运行时转子速度和位置角估算的精度很低，其主要原因是低速时电机的可测变量数值 较小同时不稳定，测量误差较大从而引起较大的观测误差。学者们对电机低速运行时 的速度观测进行了大量的研究，m a t th e wj c 0 r l e y 和r d l o 嗽l z 在1 9 9 3 年首次提 出了高频信号注入的思想。该方法的主要思想是利用永磁同步电机的凸极特性，将高 频电压或者电流信号注入电机，同时检测注入信号后电机的相应相电流或电压的响应 结果来估算电机转子位置和转速。该方法估算精度高，是目前电机在低速运行时速度 和位置角观测最有效的方法。通常在不同的应用中注入的高频信号会不同，文献 3 5 利用高频电流信号作为注入信号提出旋转高频电流注入法、文献 3 6 】利用高频电压信 号作为注入信号提出旋转高频电压注入法、文献 3 7 】利用高频脉振电压信号作为注入 信号提出高频脉振电压注入法。此类方法通过持续外加高频激励利用电机凸极效应来 7 北京化工大学硕l 学位论文 估算电机转子位置角和速度，估算过程中与电机本身的转速和反电动势等参数无关， 能有效解决电机低速下的观测难题。 1 3 3永磁同步电机无位置传感器控制系统研究的难点 a 控制策略的提出与实现 目前用于永磁电机的控制方案有很多，根据家电行业常用的电机特性以及在节能 的前提条件下提出适用的电机控制策略。另方面需要根据所选用的控制方案选用合 适的处理芯片和电器组件，实现整体控制方案。 b 无位置传感器算法的设计 设计出一个新型的无位置传感器算法，其算法的精确度与复杂度是本课题的重 点。该算法的优劣直接影响整个控制系统的性能。目前已有的相应算法各有特点，如 何在此基础上寻找出精确度高，算法相对简单的算法成为本课题的难点。 c 保护电路的设计 本课题的最终会搭建出一套适用于家电行业的电机的控制器，其功率属于中小 型，涉及到三相电压、电流，如何防止电机启动时的过压过流以及电网波动对本控制 器的影响成为难点，如何设计保护电路成了首要解决的问题。 1 4 论文研究的主要目的和意义 本课题来源于中国家用电器研究院。节能是新时代的主题，而对于家电行业来讲， 节能的关键点在于为家用电器提供动力的电机或压缩机实施变频调速控制。变频智能 家电已经成为这个时代的新型产品，高效率，低功耗，低排放，绿色。永磁同步电机 广泛应用于家用电器中，所以永磁同步电机变频调速控制系统的研究具有重大的意 义。同时家电行业内使用的永磁同步电机大多在高温高压密闭的环境下运行，限制了 传统的机械传感器的使用，所以对无位置传感器下电机运行参数的观测算法的研究具 有深远的意义。本课题为永磁同步电机无位置传感器控制系统的研究，其目的是通过 系统的分析设计永磁同步电机变频调速控制系统，寻找更精准更快速的无位置传感器 算法，开发出一套适用于各种家用电器电机或压缩机的变频系统，实现永磁同步电机 平稳启动，运行低噪声，低脉动，绿色智能，高效节能。同时，变频家电具有很大的 市场前景，是未来发展的趋势，顺应时代发展的趋势，具有深远的意义。其目的明确， 意义重大。 1 5 论文各章节的安排 8 第一章绪论 ， 本文共分六章，组织结构如下： ，第一章，绪论。主要对本课题的研究意义和背景进行论述，同时对永磁同步电机 控制策略和无位置传感器算法的研究现状进行概述。 第二章，分析永磁同步电机在不同坐标下的数学方程，建立电机本体的数学模型， 并在此p m s m 数学模型基础上设计调速控制系统，包括双闭环控制方式、矢量控制 和s v p w m 技术。 第三章，综合考虑无位置传感器时转子速度和位置角估算算法的精度和计算量， 提出一种基于e k f 的新的观察算法，并将其应用于p m s m 调速系统。 第四章，永磁同步电机调速控制系统整体仿真实验，分析该系统的性能。 第五章，永磁同步电机调速控制系统硬件搭建与软件设计。 第六章，结论及工作展望。对所做的工作进行总结和展望。 9 - 丁大学硕十学位论文 i o 第二二章永磁同步电机的数学模型和矢量控制 第二章永磁同步电机的数学模型和矢量控制 为了更好的理解与设计永磁同步电机的控制系统，建立电机的动态模型是很有必 要的。本章将分析永磁同步电机在不同参考坐标下的电磁关系和运动方程，建立数学 模型，为后续控制策略的实施和无位置传感器速度和位置角观测算法的研究提供对象 基础。在推导电机数学模型过程中使用了定子静止三相参考坐标系( 口6 c ) 、静止定子 两相参考坐标系( 口肋) 以及转子两相旋转参考坐标( 由d ) 。在建立数学模型时，对永磁 同步电机作如下假设： 忽略电机铁心磁饱和以及涡流损耗和磁滞损耗； 电机反电动势波形是正弦的，转子上绕组无阻尼； 气隙磁场正弦分布，忽略高次谐波，且永磁体的电导率为零； 电机定子三相绕组完全对称，其轴线互成1 2 0 0 电角度； 2 1 静止参考坐标系下的永磁同步电机数学模型 、 、 、 丘 图2 1 永磁同步电机结构简图 f i g u r e 2 - 1s i m p l es 仃u c n 玳o f p m s m 图2 1 为集中式三相定子绕组，两磁极的永磁同步电机结构简图，其定子三相绕 组a b c 完全对称，互成1 2 0 0 电角度。其工作机制为：三相定子绕组通以平衡的三相 k = 燃 眩4 ) 一酝矧 眨5 ， 1 2 第- 二章永磁同步电机的数学模型和矢量控制 厶6 = 厶+ 厶，+ 厶，c 0 s 2 ( 只一二箬) ( 2 7 ) k = 厶+ 厶，+ 厶，c o s 2 ( p + 等) ( 2 8 ) 乞。= 气= 一丢厶，+ 厶，c o s 2 ( 印一手) ( 2 9 ) 乞= 乞= 一丢厶，+ 厶，c o s 2 ( p + 等) ( 2 1 0 ) 式中，乞是漏磁电感，厶，和厶，是定子绕组磁化电感；乞、k 和乞是定子三相绕 组自感，厶。、k 和k 为三相定子绕组互感；丸是转子永磁体产生的磁链。需要指 子结构厶，和厶，的系数总是反向的。因此，内埋式永磁同步电机的交轴( g 轴) 磁化 电感k 总是大于直轴( d 轴) 磁化电感k ，这与凸装式永磁同步电机的情况恰好相 茎 = 芝芝篆 巨 + 丸 | 三i 丕：荔；捆 c 川2 ， k = 呻咖k ( 2 1 3 其中变换矩阵互蛔，