（控制理论与控制工程专业论文）永磁低速同步电动机的一种新型dtc伺服系统.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oh a n g z h o ud i a n z iu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r an e wd t cs e r v os y s t e mf o r l o w s p e e d p m s m c a n d i d a t e ：l i a oy u z h o n g s u p e r v i s o r ：p r o fc h e nd e c h u a n d e c e m b e r ，2 0 l o 5川0川29 09-y 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 谚王怨， 日期：2 0 1 1 年f 月b 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保 证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技 大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：廖玉乜， 指导教师签名：多刎 日期：加i1 年f 月f 3 日 日期：细d 年r 月，多日 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 针对传统交流伺服系统采用的伺服驱动器+ 减速器的结构方案存在的系统传 动效率降低、体积大、成本高、故障率高等问题，本文以无需机械减速器、直接 驱动式的电磁减速式永磁低速同步电动机( l s p m s m ) 为研究对象，探讨其新型 的直接转矩控制策略，同时对目前无传感器控制存在低速控制性能差的缺点，提 出了新型的工程无p g 控制策略，通过对上述控制方法的深入研究，构建出了电 磁减速式永磁低速同步电动机的新型伺服控制系统。 首先对永磁低速同步电动机的研究和应用现状进行深入研究，在此基础上提 出了永磁低速同步电动机伺服系统的总体结构和功能，通过对系统应用功能的划 分，设计了嵌入式系统的硬件和软件的初步方案。 本文从永磁同步电动机的基本结构和数学模型出发，深入分析了永磁同步电 动机直接转矩控制的基本原理，针对传统直接转矩控制存在的磁链、转矩脉动较 大的问题，提出了基于滑模变结构的直接转矩控制策略，通过m a t l a b 仿真验证 了新的控制方案能够有效减小磁链、转矩脉动，改善了系统的动、静态性能。 为解决目前交流伺服系统无传感器控制方法存在的控制精度较低、低速控制 性能差的缺陷，本文提出了工程无p g 的控制方案。首先分析了自适应无传感器 控制方法，通过m a t l a b 的建模和仿真，验证了其方法的有效性和可行性。在自 适应无传感器控制方法的基础上，研究了工程无p g 的方法进行改进，其方案是 使用一只接近开关来检测电动机稳速区的转速，推算出校正公式，对估算转速进 行迸一步的校正，提高转速的估算精度。并对最小二乘法的参数辨识方案在伺服 系统中的应用进行了分析研究。 在理论研究的基础上，基于嵌入式技术，完成了电磁减速式永磁低速同步电 动机新型d t c 伺服系统的软、硬件设计。硬件部分主要以c o l d f i r e 系列3 2 微控 制器m c f 5 2 2 3 5 为核心，对主控制器电路、信号采集电路、功率驱动电路及系统 电源电路、操作面板等进行了详细的设计和分析。软件部分采用模块化软件设计， 将伺服系统软件分解成若干个功能模块，详细分析了信号转换、调节器算法、驱 动信号产生模块、转矩、磁链和转速估算模块和人机界面模块的软件实现过程， 并对系统软、硬件进行了调试，验证了系统设计的正确性和可行性。 关键词：永磁低速同步电动机，d t c ，滑模变结构控制，自适应无传感器控制， 工程无p g ，参数辨识，嵌入式系统 杭州电子科技人学硕十学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mo ft r a d i t i o n a la cs e r v os y s t e mu s e di nt h es t r u c t u r eo f s e r v od r i v ea n dr e d u c e r , s u c ha sl o wt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , h i g hc o s t ，b i gv o l u m e a n dp o o rc o n t r o lp r e c i s i o n ，t h i sp a p e rf o c u s e do nl o ws p e e dd i r e c td r i v ep e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( l s p m s m ) w i t h o u tm e c h a n i c a lr e d u c e rt od i s c u s si t sn e w d i r e c tt o r q u ec o n t r o ls t r a t e g y a n dw ep u t sf o r w a r dt h en o - p gc o n t r o lm e t h o dt os o l v e t h ep r o b l e mi nl o ws p e e do ft h es e n s o r l e s sc o n t r o l ，b a s e do no u ri n v e s t i g a t i o na n d a n a l y s i s ，t h e nw eb u i l dan e wl o ws p e e dp m s m s e r v oc o n t r o ls y s t e m f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o na n dt h ec u r r e n tr e s e a r c ho fl o w s p e e dp m s m a n d t h e na n a l y z e dt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fp e r m a n e n tm a g n e tl o w s p e e ds y n c h r o n o u sm o t o rs e r v os y s t e m ，p u t sf o r w a r dt h ee m b e d d e ds y s t e mh a r d w a r e a n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m et h r o u g ht h ed i v i s i o no fa p p l i c a t i o nf u n c t i o n f r o mt h eb a s i cs t r u c t u r ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h ep e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r , t h i sp a p e ra n a l y z e dt h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h ed i r e c tt o r q u e c o n t r o l ( d t c ) o fp m s m ，t h e na c c o r d i n gt ot r a d i t i o n a ld i r e c tt o r q u ec o n t r o lo ft h ef l u x a n dt o r q u er i p p l e ，t h es l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ls t r a t e g yi sp r o p o s e d m a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e d t h en e wt o r q u ec o n t r o ls c h e m ec a ne f f e c t i v e l y r e d u c et h ef l u xa n dt o r q u er i p p l e ，a l s oi m p r o v et h es y s t e mo fd y n a m i ca n ds t a t i c p e r f o r m a n c e t os o l v et h ec u r r e n te x i s t i n gp r o b l e m so ft h el o wc o n t r o la c c u r a c ya n dp o o rl o w c o n t r o lp e r f o r m a n c ea tl o ws p e e di ns e n s o r l e s sc o n t r o lm e t h o d s t h i sp a p e rp u t s f o r w a r de n g i n e e r i n gn o p gc o n t r o ls c h e m e f i r s t l ya n a l y z e dt h ea d a p t i v es e n s o r l e s s c o n t r o lm e t h o d ，a n dv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o db y s i m u l a t i o no fm a t l a b b a s e do nt h ea d a p t i v es e n s o r l e s sc o n t r o l ，ap r o x i m i t ys w i t c hi s i n s t a l l e do nt h em o t o rs h a f tt od e t e c ts p e e dt og e tt h ed a t ao fs t e a d ys p e e dr a n g e a c o m p e n s a t i o nf o r m u l ai sc a l c u l a t e db yt h ep u l s ef r e q u e n c ys i g n a lo ft h ep r o x i m i t y s w i t c h t h en e wm e t h o do fe n g i n e e r i n gn o p gc a l i b r a t et h es p e e de s t i m a t o rw i t l lt h e c o r r e c t i o nf o r m u l at of u r t h e re n h a n c es o f tm e a s u r e m e n tp e r f o r m a n c eo fs y s t e m t h e d a t ao fs t e a d y s p e e dr a n g ea si n p u tw a su s e dt oc o m p l e t et h es y s t e mp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o nb yt h em e t h o do fl e a s ts q u a r e o nt h eb a s i so ft h et h e o r y , t h ep a p e rr e a l i z e dt h ee l e c t r o m a g n e t i cd e c e l e r a t i o n 杭州电子科技大学硕十学位论文 l s p m s ms e r v os y s t e mb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g y , c o m p l e t e dt h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g no ft h es e r v os y s t e m t h eh a r d w a r et o o kc o l d f i r ef a m i l yo f3 2 b i t m i c r oc o n t r o l l e rm c f 5 2 2 3 5a st h ec o n t r o lc o r e ，c a r r i e do u tt h ed e t a i l e dd e s i g na n d a n a l y s i so ft h em a i nc o n t r o l l e rc i r c u i t ，s i g n a ls a m p l i n gm o d u l e ，d r i v ea n ds y s t e m p o w e rs u p p l yc i r c u i t ，o p e r a t i o np a n e l o t h e w i s et h es o f w a r eo fs e r v os y s t e mw a s d i v i d e di n t os e v e r a lf u n c t i o n a l m o d u l e s ，a n dd e t a i l e da n a l y s e do ft h er e a l i z a t i o n p r o c e s so ft h es i g n a lc o n v e r t e rm o d u l e ，r e g u l a t o r , d r i v es i g n a lg e n e r a t e dm o d u l e ，t h e f l u x ，t o r q u ea n ds p e e de s t i m a t i o nm o d u l ea n dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c em o d u l e a n d t h e nm a d ed e g u go fh a r d w a r ea n ds o f t w a r et ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo f t h es y s t e md e s i g n k e y w o r d ：l s p m s m ，d t c ，v a r i a b l es t r u c t u r es l i d i n gm o d ec o n t r o l ，e n g i n e e r i n g n o p gp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n e m b e d d e ds y s t e m 杭州电子科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 1 1电磁减速式永磁低速同步电动机1 1 1 2永磁同步电动机控制策略1 1 1 3 永磁同步电动机无传感器控制方法概述2 1 1 4 永磁同步电动机参数辨识方法概述6 1 - 2 课题的主要研究内容8 第二章永磁低速同步电动机新型d t c 伺服系统总体方案9 2 1伺服系统总体方案分析9 2 2 伺服系统技术实现方案1 0 2 2 1系统硬件方案1 0 2 2 2 系统软件方案1 1 2 3 本章小结：1 2 第三章永磁低速同步电动机d t c 的理论分析1 3 3 1 永磁同步电动机数学模型1 3 3 2 永磁低速同步电动机d t c 系统1 4 3 2 1d t c 的基本原理1 4 3 2 2 电压空间矢量与开关状态表1 5 3 2 4 永磁低速同步电动机d t c 系统组成1 7 3 2 3d t c 系统的仿真1 7 3 3 本章小结2 0 第四章基于滑模变结构d t c 方法永磁低速同步电动机控制2 l 4 1 滑模变结构控制原理2 2 4 1 1 滑模变结构控制的特点2 2 4 1 2 滑模变结构控制理论的基本原理2 2 4 1 3 滑模变结构控制系统的抖振问题及解决方案2 3 4 2 滑模变结构d t c 在永磁低速同步电动机中的应用2 4 4 2 1 基于滑模变结构d t c 的永磁低速同步电动机控制系统2 4 i v 杭州电子科技大学硕十学位论文 4 2 2 滑模变结构d t c 控制器的设计2 4 4 2 3 准滑动模态控制2 6 4 2 4s v p w m 技术2 7 4 3 滑模变结构d t c 系统的仿真及分析2 9 4 4 本章小结3 2 第五章永磁低速同步电动机一种新型无传感器控制的研究3 3 5 1 自适应无传感器控制技术：3 3 5 1 1 模型参考自适应控制原理3 3 5 1 2 基于自适应无传感器控制的永磁低速同步电动机d t c 系统3 4 5 1 3 系统仿真及分析3 6 5 2 基于工程无p g 技术的永磁低速同步电动机d t c 系统3 8 5 2 1 系统参数辨识技术概述3 8 5 2 2 参数辨识技术在永磁低速同步电动机d t c 系统中的应用3 9 5 2 3 工程无p g 技术及其在永磁低速同步电动机d t c 系统中的实现4 0 5 3 本章小结4 1 第六章永磁低速同步电动机伺服系统的硬件及软件设计4 2 6 1 硬件系统设计4 2 6 1 1 人机界面设计4 2 6 1 2 永磁低速同步电动机伺服系统硬件框图4 4 6 1 3 控制板电路设计4 5 6 1 4 功率板电路设计4 8 6 1 5 整机连接及工作原理5 1 6 2 软件系统设计5 2 6 2 1 嵌入式系统软件开发环境5 2 6 2 2 软件系统总体方案5 3 6 2 2 信号采样模块的程序实现5 3 6 2 2 调节器算法的程序实现5 4 6 2 3 转矩、磁链估算的程序实现5 5 6 2 4p w m 信号产生模块的程序实现5 6 6 2 5 参数辨识模块的程序实现5 7 6 2 6 人机界面软件设计5 7 6 2 7 程序编写与调试5 8 6 3 系统实验5 9 6 4 本章小结6 0 v 杭州电子科技大学硕士学位论文 第七章总结与展望6 1 7 1 总结6 1 7 2 有待改进及完善之处6 2 致谢6 3 参考文献6 4 附录一整机电路原理图6 8 附录二作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目7 4 v i 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 随着科学技术的迅猛发展，交流伺服系统在性能上取得了长足的进步，交流 伺服系统在各种应用领域充分展现了高精度、高性能、高可靠性、高效率、体积 小、重量轻等突出优势。电磁减速式永磁低速同步电机作为交流电机中的一种 高性能产品，具有起、停快速，定位准确、无需机械减速器而直接驱动机械负载 的特点，其伺服系统应用前景广阔，在医疗器械、纺织机械、建筑机械、食品机 械、包装机械、仪器仪表，以及冶金、化工、交通运输等行业和军事工程、航空 航天等领域都发挥着极为重要的作用。 在传统交流伺服系统中传感器是重要的组成部分，用- 丁提供电机所需的转子 运动信号以完成坐标转换和闭环控制。这不仅增加了成本，加大了电动机安装和 维护的难度，而且机械上的误差还会影响控制的可靠性，限制了系统的应用场合， 因此自上世纪7 0 年代以来发展的无速度传感器控制技术一直是国内外学术界的 研究热点。 交流伺服系统的另一研究热点是电机实时参数辨识。由于在电机运行过程 中，受温度和磁通饱和的影响，电机参数不再恒定不变，而是随变的，因此进行 实时的参数辨识，可以提高交流伺服系统的动态性能。但是由于交流电机内部多 变量、强耦合、非线性的特性，该技术尚不成熟，在实际工程中应用较少。 1 1课题的研究背景 1 1 1电磁减速式永磁低速同步电动机 现代科学技术的发展，对电动机也提出了各种各样的要求，除了精度高、性 能好、重量轻之外，在某些情况下，还需要电动机能够直接输出低速大转矩。为 了获得低转速大转矩，过去一般都是采用机械减速器进行减速的办法，这使得整 个传动装置结构复杂，增加了重量与体积，同时也造成了系统的精度降低，工作 不稳定，齿轮的磨损也会使误差增加，且带来寿命和可靠性的问题。 电磁减速式永磁低速同步电动机无需减速器减速就能够直接输出低转速大 转矩，简化了传动机构，提高了系统的精度和可靠性，同时它还有稳定性好，噪 声小，起动快，寿命长等优点，因此电磁减速式永磁低速同步电动机在国内外工 业领域得到了越来越广泛的应用。 1 1 2 永磁同步电动机控制策略 交流伺服系统的控制策略主要分为三种：( 1 ) v v v f 控制，此方法简单易于实 现，但由于只控制了电机的气隙磁通而不能调节转矩，动态控制性能很差，因此 用途较少；( 2 ) 磁场定向控制( f o c ) ，也称为矢量控制，磁场定向控制是利用坐 杭州电子科技大学硕- - ：学位论文 标变换将交流电机等效成直流电机，从而仿效直流电机的转矩控制原理，使交流 电机调速达到并超过传统直流电机的调速特性；( 3 ) 直接转矩控制( d t c ) ，直接 转矩控制不需旋转坐标变换，在静止坐标系上控制转矩和磁链，采用砰一砰控制 以获得快速的转矩响应h 5 ，具有结构简单、转矩响应快、对电机参数鲁棒性好 等特点。矢量控制和直接转矩控制都己获得广泛的实际应用，但由于各自的特点 和不足之处，除了普遍适用的高性能调速系统外，又各有所侧重的领域陌1 。 直接转矩控制最早由德国的m d e p e n b r o c k 教授和日本学者i t a k a h a s h i 于 1 9 8 6 年分别提出。与矢量控制不同，直接转矩控制摒弃了解耦的思想，取消了 选择坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计 算电机的磁链和转矩，以此获得与给定值的比较差值，实现磁链和转矩的直接控 制。 直接转矩控制经过多年的发展，各个方面性能都在不断提高，并已在工业各 领域得到应用。但直接转矩控制仍存在着一些控制性能的不理想问题，目前对永 磁同步电机直接转矩控制的研究和改进则主要集中在一下几个方面： ( 1 ) 低速转矩脉动的抑制 转矩的控制是直接转矩控制的直接目的，针对转矩脉动的抑制方法的研究主 要有：1 ) 改进d t c 开关表方法，如对转矩、磁链调节器的细化改进和对空间电 压矢量进行细分；2 ) 基于智能控制的状态开关选择器方法；3 ) 改进功率变换器 的方法以控制多个电压矢量；4 ) 基于恒定开关频率空间矢量调制的方法；5 ) 准 确控制电压矢量占空比大小的方法。 ( 2 ) 磁链观测的改进 磁链观测时实现高性能伺服系统的关键环节。目前常见的定子磁链的开环计 算方法主要有“一f 模型、f 一缈模型和甜一缈模型。其中“一f 模型最为简单，且仅 需要电机的定子电阻尺。，但缺点是纯积分器存在着误差积累以及直流偏移的问 题，这些问题在电机运行在低速时非常严重；i 一模型克服了积分器的不良影 响，但是严重依赖电机参数，同时还需要精确检测电机转速和位置；z ，一模型 综合以上两种模型，实现了两种模型的平滑切换，但是模型实现复杂，实际应用 较少。 ( 3 ) 无传感器控制方法的研究 此处控制方法研究的综述在下一节进行重点介绍。 1 1 3 永磁同步电动机无传感器控制方法概述 永磁同步电机伺服系统中的无传感器的控制方法有多种，可以从很多角度对 无传感器控制方法进行分类，每一类中的方法或不同类的方法在应用中常常组合 使用，针对不同的交流电机，其控制方法也会有不同的组合变化。可以将无传感 2 杭州电子科技大学硕i ：学位论文 器的控制方法划分为两大类1 7 ，即基于交流电机基波模型的无传感器控制和基于 交流电机谐波模型的无传感器控制。 ( 1 ) 基于基波模型的无传感器控制 基波模型的无传感器的控制方法主要是依赖于电机的动态模型，其计算方法 可以是电压模型或各类复杂的观测器，其主要特点是动态性能好，但是会存在诸 如：难以确定转子初始位置、低速段时会产牛较大误差、对电机结构参数的依赖 性较强、计算量大等缺点。该方法在中、高速段的电机控制系统下应用较多。 1 ) 直接计算方法 对于永磁同步电机，可以直接测量的量是定子的三相端电压和电流，利用它 们计算出电机的转角位置0 和转速c o 是最简单、最直接的方法，以下是一种典型 算法。 针对永磁同步电机( p m s m ) ，在d - q 坐标系下的电压和磁链方程 8 】【10 1 ，可得 “d = ( r + p l a ) i a 一& “0 ( 1 1 ) “。= ( r + p l o ) i , + n 垃0 屯+ c o v ， ( 1 2 ) 式中、g r 、分别为q 、d 轴定子的电压( 矿) 和e g 流( a ) ，、王，( w b ) 为 转子磁链，r ( q ) 为定子电阻，厶、l a 为q 、d 轴定子电感( 日) ，0 ( r a d ) 为两相 同步旋转坐标系的d 轴与三相静止坐标系的u 轴的夹角，c o ( r a d s ) 为转子旋转 转速，p = 纥为微分算子。 两相静止坐标系口一卢和旋转坐标系d q 下的变量存在以下转换关系 1 1 d = 材。c o s 0 + g 口s i n 0 ( 1 3 ) = g 声c o s o u 。s i n o ( 1 4 ) 0 = i ac o s 0 + i as i n o ( 1 5 ) 乞= i pc o s 0 一i os i n 0 ( 1 6 ) 根据式( 1 1 ) 式( 1 6 ) ，推导可得 0 = t a n 。( ) ( 1 7 ) 其中a = 尺屯一l a p i 。+ 嘞( 厶一厶) ，召= 一郎+ r i e + 厶p 绉+ c o i o ( l , 一厶) 这样，转子位置角0 可以用定子端电压和电流及转子转速c o 来表示。而对于 表面式p m s m ，有厶= 厶= l ，则国可以由下式得到 3 杭州电子科技大学硕：i ：学位论文 国：吃 ( 1 8 ) 其中c = ( z 乞一r i o l p i a ) 2 + ( i t 口一r i p l p i 卢) 2 ，d = 甲，。 将式( 1 8 ) 代入式( 1 7 ) ，则可得转子位置角p 。另有基于磁链的直接计算 方法与上述方法类似。这种方法的特点是计算简单，动态响应快，几乎不会产生 延迟。但它对电机参数的准确性要求比较高，由于随着电机运行状况的变化( 如 温度的升高，电磁饱和) ，电机参数会受到一定的影响，导致转速和位置的估算 值与真实值偏离，因此，应用此种方法时最好结合电机参数的在线辨识进行误差 补偿【l l 】。 2 ) p i 控制器法 p l 控制器法，利用电机某些量的误差项，通过p i 调节器获得转速信息。例 如，to h t a n i 采用了转子电流的误差项，而mt s u j i 则是针对了转子q 轴磁通的 误差项。此类方法采用了自适应控制的思想，在鲁棒性能上较直接转速估计法强， 具有结构简单、性能良好等优点。 3 ) 模型参考自适应系统法 模型参考自适应系统法( m r a s ) ，是将不含转速的电机状态方程作为参考 模型，将含有转速的状态方程作为可调模型，且两个模型具有相同的输出量( 例 如转子磁通、反电动势等) 。利用两个模型产生的误差输出，利用比例积分自适 应律来实时的调节可调模型参数，实现电机模型的转速估算。根据系统模型输出 量的不同，m r a s 又可分为基于转子磁通估计法【1 2 】、基于反电动势估计法和基 于无功功率估计法【1 引。但由于m r _ a s 是建立在参考模型准确为基础上的，而参 考模型和可调模型都与电机模型参数有关，参数的准确程度直接决定了速度辨识 和控制的性能。此外，m r a s 中p o p o v 超稳定性准则仅仅保证了状态和速度估 计的稳定性与渐进收敛性，并不能使参数估计值与实际值在动态过程中保持完全 一致，因此动态过程中的m r a s 参数估计依然是有差的估计方法。 4 ) 扩展卡尔曼滤波估计法 扩展卡尔曼滤波( e k f ) 估计法，作为在现有文献中提出的少数几种基于观 测器的电机控制系统位置估计方法，扩展卡尔曼滤波器为电机转速的估计提供了 一种强有力的计算处理手段。美国学者r e k a l m a n 在1 9 6 3 年提出了一种最优 线性估计算法一卡尔曼滤波器【1 4 】，它实际上是一种用于非线性动态系统实时递归 状态估计的全阶观测器，通过高性能的d s p 来实现。该观测器检测电机系统的 电压、电流值由此估算出位置信息和速度信息，此种算法通常采用静止坐标系下 的电机模型进行数据处理。 扩展卡尔曼滤波器估计法算法过于复杂，导致计算量大，需要计算性能强的 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 d s p 芯片支持才能实现；同时由于滤波器模型负载涉及的因素较多，很难确定实 际系统中的噪声级别和算法当中的卡尔曼增益，且电机参数的变化对方法的影响 较大，低电压信号测量的不准确性等问题导致了e k f 算法在电机低速段运行下 的估计精度不高。 5 ) 基于神经网络的方法 基于神经网络的方法，主要是受m r a s 方法估计的启发，用神经网络替代 电流模型转子磁链观测器，用误差反传算法取代比例积分自适应律进行转速估 计，设置网络的权值为电机参数，同时网络无需事先离线学习与训练，速度估计 过程就是在线学习的过程。然而，目前基于神经网络的转速估计方法在理论研究 和工程应用上都还不成熟，各类方法仍然处在不断探索与完善中。 ( 2 ) 基于谐波模型的无传感器控制 针对参数辨识精度影响估计算法以及启动时无法检测到转子的初始位置的 缺点，基于谐波模型的无传感器控制策略根据电机的结构特点，将传感器集成在 电机结构当中，通过解调电压电流中包含的信息来估计转速与转子位置，其代表 方法是l o r e n z 教授等提出的高频信号注入法n 7 h 2 引。高频注入法的基本原理是在 电机中注入特定的高频电压( 电流) 信号，然后检测电机中对应的电流( 电压) 信号以确定转子的凸极位置。注入的高频信号可以为旋转高频电压信号或脉动高 频电压信号乜。其中，旋转高频电压注入法主要用于凸极率较大的内埋式永磁同 步电机的转子位置检测，而脉动高频电压信号注入法还可以用于凸极率很小甚至 隐极型的面贴式永磁电机转子位置的检测。 高频信号注入法的优点是：几乎不依赖与电机的任何参数，而且适用于包括 零速在内的任何速度区间，同时也解决了初始位置的检测问题。但是它的缺点同 样也很明显，因为需要注入附加的高频信号，且为了提高信噪比，注入的高频信 号幅值必须大于一定的幅值，从而造成了电机的高频噪声，此外此种方法对于信 号处理的要求比较高。 ( 3 ) 交流伺服系统无传感器控制的新进展 滑模观测器，利用滑模变结构控制的原理来实现无传感器控制，滑模观测器 具有非常优良的特性，包括对外界扰动的鲁棒性强，受参数变化的影响较小，对 数学模型要求不高，算法简单而易于实现等优点【2 2 1 。 扩展反电动势的应用，与一般的反电动势积分求解磁链的方法不同，扩展反 电动势求解永磁同步电机的转子位置的方法是将电机电压方程由d q 坐标转换 到口一p 坐标由此获得e e m f 的观测模型，再通过一个低通滤波器过滤出e e m f 的相位，其中就包括了转子位置的信息。此方法是基于电机的线性模型，且位置 信号只与e e m f 一项有关，因此方法具有结构简单、抗扰能力强的特点。 杭州电子科技大学硕士学位论文 混合基波模型与谐波模型的无传感器控制方法，由于两大类无传感器控制策 略各自的特点，基于基波模型的无传感器控制算法适合于高速区间运行的情况， 不用造成附加的噪声与损耗，基于谐波模型的无传感器控制则更适合于低速区间 运行，能够做到较为准确地估计且不依赖于电机参数，领域的专家、学者都注重 研究能够在电机控制系统中有效地结合两种方法，在不同运行条件下采用不同方 法的策略。 ( 4 ) 无传感器控制的发展趋势 对于无传感器控制的新进展做出总结，有以下几点发展趋势晗引：1 ) 采用更为 先进的控制理论和信号处理知识来实现无传感器控制；2 ) 结合基波模型方法和谐 波模型放中各自的优点；3 ) 力图使电机控制系统在全速度范围内能够实现无传感 器控制：4 ) 降低位置和速度估计所造成的附加损耗；5 ) 提高系统的鲁棒性能以及 实现电机参数的在线辨识。这些趋势将随着计算机技术、微电子和信号处理技术 的发展而更为明显，最终达到无传感器控制的实用化，即实现全速度范围内控制 的交流电机系统。 ( 5 ) 无速度传感器控制的总结 以上对交流伺服系统中两大体系的无传感器控制的主要方法和新进展进行 了综述。通过比较和分析这些方法，可以在实际系统中根据需要选择合适的方法 进行研究实验和应用。尽管无传感器控制方法还存在着一些尚待解决的问题，但 是随着微计算机技术的快速发展和各种控制理论在控制算法中的实现以及功率 器件的发展，必将使得交流伺服系统的性能越来越好，为交流伺服技术在各领域 的广泛应用开辟了更广阔的前景。 1 1 4 永磁同步电动机参数辨识方法概述 交流伺服系统中无论是矢量控制还是直接转矩控制，都是建立在电机模型的 基础上的，因此获得准确的电机参数是高性能伺服系统的首要解决问题。尤其在 电机的无传感器控制中，其算法大都是基于电机的电压，电流或磁通模型的各种 观测器方法，由于过多依赖于电机的模型参数，参数的变化和偏差必然会对观测 器的估算产生影响，因此在观测器的基础上如何对电机模型参数进行辨识也变得 尤为重要了。 交流伺服系统中需要辨识的电机参数主要有定子电阻和电感。温度对定子电 阻影响较大，在永磁同步电机运行过程中，速度、负载的变化，环境温度等因素 的影响会使电阻温度发生较大变化。电感同样受到电机内磁场干扰和磁路饱和的 影响，因此电机的电阻和电感都是不确定的变量，而此时如果电机还按照此前的 参数进行控制和观测器的估算，必然会造成系统的性能下降，所以必须对其参数 进行辨识。当前参数的辨识方法有多种，主要分为两类：离线参数辨识和在线参 6 杭州电子科技大学硕：i ：学位论文 数辨识。 离线的辨识方法是通过电机空载、转堵实验并计算获取电机的参数，再建立 起对应的参数表，对应电机转速和转矩的变化对应不同的参数值进行补偿心劓。但 是由于电机参数都是实时且不确定性变化的，此方法也有较大的局限性。 在线参数辨识是在电机运行过程中，动态的通过电机可测的参数来辨识出电 机参数。其方法主要应用于要求高精度控制的伺服系统，在电机运行过程中实时 的辨识出电机参数并进行补偿，不断修正电机参数，使辨识参数值和实际值相适 应，提高伺服系统的控制性能。 ( 1 ) 直接计算法 由电机可测的电压电流值等变量，通过电机数学模型计算获得电机参数晗5 1 。 如式( 1 ) 和式( 2 ) 中由已测得的定子电压和电流值以及电机转速便可计算出定 子电阻值和电感值。文献e 2 6 】中从电磁转矩和定子电流的比值得到一个辅助变 量，由此辅助变量和电阻的变化关系辨识出电阻值。 ( 2 ) 建立参考模型自适应系统来预测电机参数 模型参考自适应辨识算法，是利用电机模型的状态方程构建一个参考模型， 参考模型的输出代表了系统期望的动态响应，使系统的输出始终跟随期望输出， 参数渐进收敛于待辨识参数真值幢7 儿2 引。 ( 3 ) 最小二乘法 最小二乘法是由德国科学家高斯和法国数学家勒戎德尔于1 9 世纪初叶创立 的。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最d , 、- - 乘法可以 简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为 最小。文献 2 9 中针对永磁同步电机模型，由直接计算法中的算法对参数进行辨 识，有较好的收敛性和精度。 ( 4 ) 卡尔曼滤波法 卡尔曼滤波法实质是把受干扰看做成一个动态过程，并利用噪声的统计特 性，获得有用信号。文献 3 0 中，卡曼滤波法是利用连续时间状态空间模型为研 究对象，实现利用连续时间的修正扩展卡尔曼滤波( c e k f ) 在线辨识发电机的暂态 和次暂态参数。 ( 5 ) 利用人工神经网络实现的辨识方法 考虑到交流伺服系统是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，利用 人工神经网络具有不依赖精确的数学模型，在线自学习的优点b 妇叫3 引，无论是在 电机参数在线辨识方面还是电机的控制领域中都能有较好的应用。 以上对交了伺服系统的参数辨识方法进行了介绍和分析，每种方法都有自己 的特点和缺点，因此对不同伺服系统的应用有一定的针对性，模型参考自适应法、 杭州电子科技大学硕士学位论文 卡曼滤波法和人工神经网络的方法都由于算法复杂，计算量较大，受限于现有的 控制芯片的性能，实现起来比较困难，但是随着微计算机技术的迅猛发展和各种 控制理论的改进，参数辨识应用的成熟必将对交流伺服系统的高性能控制提供更 强大的保障。 1 2 课题的主要研究内容 针对目前电磁减速式永磁低速同步电动机d t c 系统中存在低速平稳性差、转 矩脉动大的问题，及无传感器控制存在的缺陷，本文对以下内容进行了深入研究。 ( 1 ) 探讨无需机械减速器、直接驱动式的电磁减速式永磁低速同步电动机 的伺服控制方案。 ( 2 ) 在直接转矩控制理论的基础上研究新型的d t c 算法，以改善永磁低速 同步电动机伺服系统的控制性能。 ( 3 ) 无传感器控制新方案的探讨，结合电动机轴上的接近开关信号，测得 稳速区间转速信号，在带载运行阶段通过自动校准环节对无传感器算法估算得到 的转速和转角进行校正，以提高无速度传感器控制的观测精度与闭环控制性能。 ( 4 ) 电机参数辨识技术的研究，在电机参数自学习阶段获取电机定子电信 号与电机轴上接近开关信号，以此进行参数辨识。 ( 5 ) 借助m a t l a b 对永磁低速同步电动机的伺服系统的几种控制方案进行 仿真分析、对比验证，以辅助研究来完善伺服系统的控制方法。 ( 6 ) 探讨电磁减速式永磁低速同步电动机伺服系统的技术实现方案，构建 以嵌入式系统为核心具有完整功能的伺服系统，并进行伺服系统的软硬件设计。 杭州电子科技大学硕f ：学位论文 第二章永磁低速同步电动机新型d t c 伺服系统总体方案 2 1 伺服系统总体方案分析 永磁低速同步电动本) l ( l s p m s m ) 伺服系统总体方案结构框图如图2 1 所示， 系统具有三种控制模式：位置控制、速度控制、转矩控制，能分别对驱动装置的 输出位置、速度及转矩进行控制。a p r 为位置调节器，a s r 为速度调节器；s 、 s 分别为速度、转矩内控夕 、控切换开关。其中逆变器开关信号s 。r 和母线电压 ( v ) 经3 2 变换后得到口一p 坐标系下的两相电压虬和u 口( y ) ，母线电流、 f 。( 彳) 经3 2 变换后得到口一p 坐标系下的两相电流屯和i 。( 彳) ；h s l 为安装在电