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永磁同步电机无速度传感器欠晕控制 摘要 电动机作为能量转换装置广泛地应用于工业及日常生活中，虽然交流电机相对于直 流电机优点突出，但由于其控制理论、微处理器以及电力电子器件的限制，使得交流电 机在调速领域一直不能得到广泛的应用。随着控制理论的发展及科技的进步，交流电机 调速系统得到了快速发展，永磁同步电机作为交流电机的一种，其性能好、成本低、可 靠性高等优点成为电力拖动领域研究的热点。 本文主要对永磁同步电机的矢量控制、无传感器位置及转速检测、转子初始位置检 测等关键问题进行了理论研究及数学推导，设计了硬件电路，编写了控制程序，并进行 了实验验证。 首先，由于永磁同步电机的非线性及强耦合性，因此必须通过坐标变换的方法实现 永磁同步电机磁链的解耦，使得永磁同步电机可以像直流电机一样获得良好的调速性 能，即矢量控制的方法。对永磁同步电机的控制采用h = o 矢量控制的方法，对其理论进 行了研究，改善了电机的控制性能。 其次，由于永磁同步电机矢量控制系统在运行过程中需要对转子位置进行实时的检 测。通过传感器进行转子位置检测，增加了系统的成本、降低了系统的可靠性，而无传 感器技术很好的解决了这些问题，因此，对基于m r a s 的无传感器技术进行了理论研 究，建立了数学模型。对无传感器位置及转速检测中存在的问题提出了相应的解决方案。 再次，永磁同步电机转子初始位置检测是电机启动及实现无传感器运行的关键问 题，对于不同结构形式转子的永磁同步电机，转子初始位置检测的方法也不同。由于， 基于饱和凸极效应的转子初始位置检测方法具有适用范围广、估计精度高等优点。因此 对该初始位置检测方法进行了研究。解决了隐极性永磁同步电机初始位置估计的问题。 并做了相关的实验，验证了检测方法的有效性。 最终，在理论研究的基础上，设计了一套基于a r m 的有传感器永磁同步电机矢量 控制系统，进行了硬件电路的调试，编写相关的控制程序，实现了有传感器条件下的电 机正常运行。 关键词：永磁同步电机；矢量控制；无传感器；a r m 永磁同步电机无速度传感器矢帚控制 a b s t r a c t a se n e r g yc o n v e r s i o nd e v i c e ，e l e c t r i cm o t o ri sw i d e l yu s e di ni n d u s t r ya n dd a i l yl i f e c o m p a r i n gw i t hd cm o t o r , a cm o t o ro b t a i n sm u c hm o r ea d v a n t a g e s ，b u ti ti sn o tw i d e l y u s e di ns p e e dg o v e r n i n gb e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fa cm o t o rc o n t r o lt h e o r y , m i c r o c o n t r o u e r a n de l e c t r i c a la n de l e c t r o n i cd e v i c e s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o lt h e o r ya n d t e c h n o l o g y , a cm o t o rs p e e dg o v e r n i n gs y s t e md e v e l o p sq u i c k l y a sat y p eo fa cm o t o r , p m s m ( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ) i so fo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c e ，l o wc o s ta n d h i g l lr e l i a b i l i t y , a n d i sb e c o m i n gh o t s p o to fe l e c t r i ct r a c t i o ns t u d y t h i sp a p e rc a r r i e so u tt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dm a t h e m a t i c a ld e d u c t i o no nk e yi s s u e s a b o u tp m s ms u c h 勰v e c t o rc o n t r o l ，n o n - s e n s o rp o s i t i o na n ds p e e dd e t e c t i o n , a n dr o t o ri n i t i a l p o s i t i o nd e t e c t i o n h a r d w a r ec i r c u i tc o n t r o lp r o g r a ma r ed e s i g n e d ，a n da r et e s t e dt h r o u g h e x p e r i m e n t s f i r s t l y , b e c a u s eo fn o n l i n e a r i t ya n ds t r o n gc o u p l i n go fp m s m ，i t sf l u xl i n k a g es h o u l db e d e c o u p l e dt h r o u g h c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ，t oo b t a i nf a v o r a b l e s p e e dg o v e r n i n g p e r f o r m a n c ea sd cm o t o r , w h i c hi sc a l l e dv e c t o rc o n t r 0 1 i d = oc o n t r o lm e t h o di sa d o p t e da n d t h et h e o r yi sr e s e a r c h e d ，w h i c hi m p r o v e sm o t o r sc o n t r o lp e r f o r m a n c e s e c o n d l y , r e a l t i m er o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o ns h o u l db ec a r r i e do u td u r i n gp m s mv e c t o r c o n t r o ls y s t e m so p e r a t i o n e m p l o y i n gs e n s o ri n c r e a s e ss y s t e m sc o s ta n dd e c r e a s e si t s r e l i a b i l i t y , a n dn o n s e n s o rt e c h n o l o g yp r o v i d e sg o o ds o l u t i o nf o rt h i s t h e r e f o r e ，n o n s e n s o r t e c h n o l o g yb a s e d o nm r a si sr e s e a r c h e dt h e o r e t i c a l l y , a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e li ss e tu p f u r t h e r m o r e ，t h es o l u t i o n st ot h ep r o b l e m se x i s t i n gi nn o n - s e n s o rp o s i t i o na n ds p e e dd e t e c t i o n a r ep u tf o r w a r d t h i r d l y , r o t o ri n i t i a lp o s i t i o nd e t e c t i o no fp m s mi sc r u c i a lf o rm o t o r ，ss t a r t - 叩a n di t s n o n s e n s o ro p e r a t i o n p m s mw i t hd i f f e r e n tr o t o rs t r u c t u r eh a sd i f f e r e n tm e t h o df o rr o t o r i n i t i a lp o s i t i o nd e t e c t i o n s i n c es a t u r a t e d s a l i e n c y - e f f e c t b a s e dr o t o ri n i t i a lp o s i t i o nd e t e c t i o n i so fw i d eu s i n gr a n g ea n dh i g he s t i m a t i n ga c c u r a c y , i ti sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h e n o n s a l i e n tp m s mr o t o ri n i t i a lp o s i t i o ne s t i m a t i o ni sp u tf o r w a r da n de x p e r i m e n t sa r ec a r r i e d o u t ，w h i c hv e r i f i e st h ed e t e c t i n gm e t h o d f i n a l l y , b a s e do nt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，an o n s e n s o rp m s mv e c t o rc o n t r o ls y s t e mw i t h 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 s e n s o r e m p l o y i n ga r mi sd e s i g n e d t h e h a r d w i r ec i r c u i td e b u g g i n ga n dc o n t r o l p r o g r a m m i n g a r ec a r r i e do u t ，r e a l i z i n gt h em o t o r sn o r m a lo p e r a t i o nw i t hs e n s o r k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，v e c t o rc o n t r o l ，s e n s o r l e s s ，a r m 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的来源、目的及意义 当电力成为工业及日常生活主要的动力来源后，人们就在不断的探索寻找一种电能 与机械能的转换装置，电动机的发明后，其作为一种电能与机械能的转换装置，得到了 广泛的应用。在不需调速的领域交流电机占据着主要地位，但对于需要调速的领域，由 于交流电机内部磁场的非线性、强耦合性、控制方法的相对复杂以及微电子、电力电子 方面发展的限制，使其在需要调速的领域一直不能得到广泛的应用【l l 。 近年来，随着交流电机调速理论的日渐成熟以及微处理器和电力电子技术的发展， 交流电机调速系统在调速范围、稳态精度及动态响应方面都有了很大的提高，并在逐步 的取代直流调速系统成为电力拖动领域的主流。交流电机调速系统通常可分为交流异步 电机调速系统和交流同步电机调速系统，交流同步电机调速系统相对于交流异步电机调 速系统具有功率因数高、效率高、控制性能好等优点【2 】，永磁同步电机作为同步电机的 一种具有力矩大、体积小、效率高、噪声小、带载能力强等特点。所以，永磁同步电机 的发展越来越受到人们的重视，并且随着研究的深入取得的可喜的成就，在一些领域得 到了广泛的应用。同时，永磁同步电机无传感器技术由于其在可靠性及成本方面的优点 也成为目前研究的热点。因此，对永磁同步电机无速度传器矢量控制系统的研究具有重 要的意义。 1 2 永磁同步电机及其控制理论的发展 1 2 1 永磁同步电机的发展 一般的同步电机根据电机转子励磁方式的不同，我们可以将同步电机分为电励磁式 同步电机和永磁式同步电机。 在第一台同步电机出现后，学者们就在寻求使用永磁体转子来代替电励磁转子，但 受到当时材料科学发展的限制，各国学者只能使用一些天然磁性材料来充当转子永磁材 料，由于其磁通密度较低，因此，为了能达到与电励磁同步电机相同的输出能力，只能 通过增大转子的体积来实现，这就使得同步电机的体积庞大，其应用受到了极大的限制。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 所以，长期以来电励磁转子在同步电机设计制造中一直处于主导地位。近年来，随着材 料科学的发展，特别是稀土永磁材料等一些高磁通密度的永磁材料的出现，并逐步的应 用到永磁同步电机的设计、制造中，使得永磁同步电机的体积减小、功率密度增大、功 率因数提高，其在工业及日常生活中的应用越来越受到人们的重视1 3 j 。 国外对永磁同步电机的研究开始较早，对于高性能永磁同步电机的研制已有2 0 多年 的历史。从英国学者m e r r i l l 最早提出永磁同步电机的设计方案后，各国学者从各个方面 进行了相关的研究工作。主要包括对永磁同步电机的结构、等效电路、电机运行过程牛 的性能分析、电机参数波动以及系统稳定性。其研究工作极大的推动了永磁同步电机的 发展。 国内对于永磁同步电机的研究工作起步始于8 0 年代，主要是集中在国内的一些高校 以及相关的电机研究所，在学者的努力下已取得了丰硕的成果。沈阳工业大学在这方面 的研究走在国内的前列，研制出我国第二台4 极4 k w 的稀土钻永磁同步电机和第一台6 极1 1 k w 的铷铁硼永磁同步电机。在其带动之下，我国对永磁同步电机的研究也跨入了 世界的先进水平行列。特别是我国稀土资源丰富，对于稀土材料的研究也处于世界前列， 这就为设计和制造高性能永磁同步电机提供更为有利的条件 4 - 7 1 。 1 2 2 永磁同步电机控制理论的发展 由于控制理论等方面的一些限制，早期对于永磁同步电机的控制主要使用开环的恒 压频比的控制方法即、l ，f 的控制方法。由于恒压频比的控制方法在控制过程中没有考虑 电机运行过程中的载荷波动问题，因此在电机外部载荷发生变化，电机的运行精度及稳 定性变差，控制系统不能够有效的抵抗外部负载的变化，不能够满足调速系统对于动态 响应及运行精度的要求。在这种情况之下，研究人员提出了恒压频比闭环控制方式，研 究及实际应用中证明，恒压频比闭环控制的方式在力矩及位置控制方面相对于开环控制 方式有明显的改进。因此，其应用受到了人们的重视，并在实际中得到广泛的应用，也 取得了很好的效果。 但由于永磁同步电机非线性及坐标轴之间固有的耦合性，无论是传统的恒压频比开 环控制方式还是恒压频比闭环控制方式，在控制精度及低速时的动态响应方面仍不能够 满足高性能伺服系统的要求。为了解决这个问题，各国学者将矢量控制理论引入了永磁 同步电机的控制中。 1 2 2 1 矢量控制理论 2 第1 章绪论 矢量控制理论最早由德国学者f b l a s c h k e 和h a s s e 提出，早期矢量控制理论主要应用 于交流异步电机的控制中。其基本思想就是通过c l a r k 及p a r k 变换实现电机磁链、电压以 及电流的解耦，进而实现磁场及力矩的分别控制，最终使交流电机像直流电机一样具有 良好的控制性能。由于三相交流异步电机与永磁同步电机的控制方法相似，随着矢量控 制理论在交流异步电机控制中的成功应用，各国学者也在研究其在永磁同步电机中的应 用。随着研究的深入矢量控制理论成功的应用到永磁同步电机的控制中，并且使得永磁 同步电机调速系统在动态响应及控制精度方面都有了很大的提高，很好的解决了传统恒 压频比控制系统，对于非线性及强耦合性的交流伺服系统在控制精度及低速时的响应速 度存在的问题。 永磁同步电机矢量控制可以分为直接转矩控制方式和矢量控制方式。 直接转矩控制方式主要是对电机定子磁链的控制，通过实时的检测转子直轴( d 轴) 及交轴( q 轴) 的磁链，将检测值与给定值进行比较其差值进行p i 运算后分别给出直轴 电流( i d ) 和交轴电流( i q ) 来控制磁场及力矩，并最终通过s v p w m 运算输出。特点是 其控制方法不依赖于电机参数，通过定子磁链观测器可以较为容易的实现无传感器控 制。但由于永磁同步电机电感较小，因此在低速时电流及转矩的脉动较大，限制了该控 制方法的广泛应用。 矢量控制的方式是通过检测电机转子位置和定子电流，通过计算得出直轴电流( i d ) 、 交轴电流( i q ) 的大小，并与给定值进行比较后进行p i 运算，输出直轴、交轴电流。矢 量控制方式相对于直接转矩控制方式具有良好的转矩响应，较好的速度控制精度，可以 实现全负载启动。其缺点是，矢量控制方式相对于直接转矩控制其不是对电机磁通的直 接控制，所以其控制精度受电机参数变化的影响，为了提高其控制精度，必须准确的得 到电机参数 对于永磁同步电机的矢量控制方式其主要控制策略包括：( 1 ) i d = o 控制，( 2 ) c o s v = l 控制，( 3 ) 转矩电流比最大控制。 1 i d = 0 控制 对于永磁同步电机矢量控制方式的i d = 0 的控制策略。从电机端来看，永磁同步电机 可以等效为一台他励式直流电机，其定子电流中只有交轴分量而没有直轴分量，并且交 轴电流分量与永磁体磁链夹角为9 0 0 ，因此，电机转矩中只包含永磁体的转矩分量。其 优点是按照磁场定向原则对定子电流及转子永磁体磁链进行解耦，在i d = 0 时可以实现相 同转矩下定子电流最小，因此可以大大的减少定子电流损耗提高效率。同时因其定转子 电流相互独立，所以控制性能较好，输出转矩平稳，调速范围较宽，适合于对调速系统 3 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 性能要求较高的一些场合。其缺点是( 1 ) 随负载的增加电流增大，在电枢反应的影响 下，其定子端电压增加，为了保证电机的驱动能力其电源必须具有足够的容量，这就降 低了整个系统的效率。( 2 ) 当负载增加时电流矢量与转子磁链的夹角增大，就使得永 磁同步点电机的功率因数降低，同时由于i d = 0 ，电机的磁阻转矩为零，电机的转矩输出能 力未能得到充分利用。因此对于大容量矢量控制系统h = 0 的控制策略并不适合。 2 c o s v = l 控制 c o s 、g = l 的控制是指电机的功率因数为1 的一种控制方法，即其定子电压矢量与定子 电流矢量之间的夹角为0 ，也是常用的一种永磁同步电机控制方式。相对于i d = 0 的控制方 法，c o s 、g = l 的控制方法在相同力矩的基础上可以实现电流最小，因此其电机损耗较小， 逆变器的容量也可以得到了充分的利用。其缺点是由于转子为永磁体，转子磁链不能像 电励磁转子那样进行调节，当电机的外部负载发生变化时空间磁链不能够保持恒定。因 此，其转矩和电流不能够保持线性的关系，同时也限制的电机最大转矩的输出。并且在 电机运行过程当中，由于i d 不等于零，在i d 的作用下可能使电机转子发生退磁，从而使电 机的转矩输出、运行效率降低。 3 转矩电流比最大控制 转矩电流比最大控制就是指在电机输出转矩满足要求的情况下，使定子电流最小。 其定子电流应满足的条件为： 擞。 0 i , 盟。 峨 l l 。、，匕+ l q ，。一 乞= 五亿) 一五亿) 其中：瓦负载转矩，n m 4 ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 第1 苹绪论 - i t 定子电流，a 定子直轴电流，a t 定子直轴电流，a 通过式( 1 4 ) 和式( 1 5 ) 求出定子直轴和交轴电流的最小值，这样在相同转矩的 条件下可以最大限度的减小电机及开关器件的损耗，提高效率。是适合于永磁同步电机 电流控制的一种控策略。但其不足是随着输出转矩的增加功率因数下降较快。 相对于永磁同步电机恒压频比控制方式，矢量控制的方法引入永磁同步电机的控制 中，改善了调速系统的控制精度以及低速时电机的动态响应。因此，课题主要对矢量控 制原理及具体实现方法进行了研究。在分析控制系统要求的前提下，选择了h = o 的矢量 控制策略，发挥其在输出转矩、调速范围等方面的优点【8 1 3 1 。 1 2 2 2 现代控制理论 随着控制理论的发展，各种先进的控制理论也应用的永磁同步电机的控制中，并且 取的了很好的效果。 1 自适应控制理论 文献 1 4 1 中主要针对传统的p i d 控制的缺点提出的自适应控制理论。由于传统的p i d 算法其对电机及控制系统参数的变化以及外部载荷的变化较为敏感，尤其永磁同步电机 本身为一个非线性、强耦合的控制对象，在高速时电机对转子磁场的饱和等变化更为敏 感。因此，传统的p i d 算法对于对速度精度及动态响应要求较高的应用场合不能够完全 满足要求。而自适应控制由于其控制方法的优越性，可以保证系统具有较强的鲁棒性， 使得系统可以有效的抵抗控制系统参数及外部负载变化 2 滑模变结构控制 文献 i 5 1 0 p 提出了滑模变结构控制的方法，滑模变结构控制属于高速切换控制。其 基本的控制思想是给定状态空间的一些切换曲面，每个曲面代表一种控制规律，当运动 在切换曲面的不同侧时就给控制系统不同的控制规律。滑模变结构控制的优点在于其闭 环控制系统的控制规律在切换曲面上是不连续的，这样就使系统的控制规律及参数随时 按照一定的规律进行变换，当系统的外部参数发生改变时，其控制规律同样也发生改变， 来适应控制系统的变化。因此，控制系统就可以抵抗系统参数及外部负载变化引起的控 制系统不稳定。这样就使得控制系统具有较强的鲁棒性 3 神经网络控制 文n 1 6 o e 介绍了神经网络的控制方法。并将神经网路的控制方法应用到永磁同步 电机的矢量控制中，提出了一种人工神经网络的智能型的永磁同步电机控制策略。其特 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 点是与传统的人工神经网络相比较，无需进行大量的自学习过程。因此，无需消耗大量 时间对电机控制理论进行学习，同时也避免了在自学习过程中出现的一些不正常的运行 过程，导致的不可预测的结果。其具备传统神经网络控制所具有的优点，可以很好的解 决永磁同步电机控制系统中非线性因素的影响，提高控制系统的性能。 同时，一些学者将重复控制及模糊控制理论等现代的控制理论方法也引入了矢量控 制系统中。相对于传统的p i d 控制取得了不错的效果，在这里就不进行进一步的说明。 但无论先进的控制理论怎么发展p i d 控制，仍是矢量控制系统的基础，所以课题还是主 要使用p i d 的传统控制策略，在其基础之上，再逐步的将所提到的先进控制理论应用到 控制系统中，以获得更好的控制效果。 1 3 永磁同步电机无传感器发展现状 永磁同步电机相对于直流电机以及交流异步电机在体积、动态响应、效率以及可靠 性等方面都有很大的优势。但是，永磁同步电机在启动及正常运行过程中需要实时的检 测转子的位置，传统的永磁同步电机驱动器是通过安装机械式传感器来检测转子的位 置，这样就降低了系统的可靠性，增加了成本。因此，各国学者提出了无传感器的永磁 同步电机矢量控制系统。并进行了深入的研究取得了一定的成果。但大多只能适用于某 一特定的永磁同步电机不具有通用性，同时当电机处于不同转速时其检测精度也受到影 响，因此还有待于进一步的改进。 国内对永磁同步电机矢量控制系统的研究起步较晚，对于永磁同步电机无传感器的 矢量控制系统的研究也很少，大部分集中在高校及一些科研院所，通过国内学者的共同 努力，取得了一些成果，但大多处于实验室阶段，离实际的应用还有一定的距离，还有 待于进一步的发展。 如今，对于无传感器矢量控制系统的转子位置及转速估计，在理论上较为成熟的的 估计方法如下： 1 直接计算的方法 直接计算的方法就是通过直接测量永磁同步电机端电流及电压，根据电机电压方程 及磁链方程推倒出转子的转速及转子的位置。其特点是计算量少，实现简单，动态响应 快。其缺点是当电机运行过程中电机电阻、电感等参数由于温度等原因会发生变化时， 其估计的转速及位置值会与实际值发生较大的偏差。因此，在实际使用过程中，必须在 计算的过程中加入对电机电感及电阻偏差的补偿，以提高其估计的精度。同时在低转速 6 第1 苹绪论 时由于反电势值小也会严重影响转速及位置的估计精度。 2 通过计算电感量值估计转速及位置 这种检测的方法主要适用于凸极效应明显的内嵌式永磁同步电机，而对于凸极效应 不明显的贴面式以及插入式永磁同步电机并不适用。该检测方法首先要测量定子不同位 置对应的电感值并将其绘制成表，在电机正常运行过程中实时的检测定子的电感值并与 电感表进行比对，从而得到电机位置参数。与直接计算的方法一样，在检测过程中同样 也会受到电机参数变化的影响。同样，在低速时估计精度较差。 3 模型参考自适应法( m r a $ ) 模型参考自适应法就是通过建立动态的模型，其中一个动态模型为不含未知参数的 参考模型，在设计时将参考模型设计为理想电机动态模型。另一个为含有待定参数的实 际控制系统的动态模型。在电机运行过程中对比两个系统的动态响应，根据两个模型的 输出差值实时的调整可调的可调模型的参数，从而使实际控制系统的输出响应与动态参 考模型的输出响应相同，其特点是动态性能较好，其缺点是必须精确的建立电机的理想 状态模型【1 7 - 1 8 l 。 蒜 4 基于观测器的估算方法 观测器法就是通过测量可以直接观测的输出变量并将其作为输入，通过状态重构， 使其信号输出等价于实际控制系统的状态，通常将可以实现状态重构的系统就叫状态观 测器。常用的状态观测器包括：( 1 ) 全阶状态观测器。其特点是适用范围广，但对电 机参数及负载变化敏感，计算复杂。( 2 ) 滑模观测器。其就是以较快的频率在不同的 相平面上切换，进而使运动状态点在相平面上以最小的幅度运动到稳定点。其缺点是在 不同相平面之间切换时会使系统不能稳定工作，尤其在低速运动时转矩脉动较大。( 3 ) 扩展卡尔曼滤波器。其原理是从随机信号中统计出系统的模型误差及测量噪声，进而对 系统状态进行在线估计。因其要进行大量的矩阵运算，为满足系统实时性的要求需要运 算速度快的处理器，同时对参数的选择也较为困难i 妇】。 5 基于人工智能的估算方法 近年来，随着人工智能理论的发展，一些像专家系统、自适应控制、模糊控制等先 进的智能控制理论也应用到交流电机位置检测中，由于其控制思想较新，相关的研究还 只是局限于实验室阶段，并没有走向实际应用。 7 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 1 4 论文的主要研究工作 课题研究内容包括永磁同步电机的基于模型参考自适应的无传感器技术、矢量控制 技术，转子初始位置检测。对相关内容进行了理论分析，建立了其数学模型，并在基于 a r m 的控制系统硬件电路上进行了相关的实验，验证控制策略的可行性。 1 首先，对比了永磁同步电机相对于直流电机及交流异步电机的优点，说明其在电 力拖动领域的优势。重点对永磁同步电机及永磁同步电机控制技术的发展过程及现状进 行了介绍，并对永磁同步电机伺服系统的发展趋势及国内外研究的热点领域进行了说 明。 2 在分析了无传感器转子位置检测存在的主要问题的基础上，选用了基于m r a s 的无传感器转子位置及转速估计方法，并在理论上进行了相关的分析，在此基础上建立 了永磁同步电机位置及转速估计的数学模型。 3 对控制系统总体控制方案进行设计。首先建立了永磁同步电机的数学模型，在此 基础上确定了系统的总体控制方案，对控制方法进行了理论的计算，并对其具体的实现 过程进行相关的说明。 4 对控制系统硬件电路的设计。矢量控制系统硬件电路包括：控制部分、电源部分、 i g b t 驱动部分、整流逆变以及显示接口部分。控制部分采用s t 公司的s t m 3 2 f 1 0 3 的 a r m 芯片。电源为基于u c 3 8 4 4 的开关电源。逆变器结构采用交一直一交的总体结构形 式，整流部分为不可控整流，逆变部分采用英飞凌公司的六单元i g b t 。i g b t 驱动芯片 为h c p l 3 1 6 j 。并使用m e g a l 6 单片机控制系统参数设置及显示。 5 对永磁同步电机矢量控制系统软件的设计。控制系统软件采用c 语言编写，系 统程序主要包括主程序及中断服务程序两部分。主程序中主要进行各种信号的检测以及 电流、速度的p i d 运算。在定时器中断服务程序中主要包括转子初始位置检测，s v p w m 运算。 6 永磁同步电机调速系统实验与实验数据分析，硬件电路及软件设计完成后进行了 相关的实验，在实验的基础之上进行了相关数据分析，并提出了一些改进的措施及方法。 8 第2 章基于m r a s 的无传感器欠晕控制理论 第2 章基于m r a s 的无传感器矢量控制理论 2 1 引言 永磁同步电机运行过程中需要对转子位置及速度信息要进行实时检测，在永磁同步 电机矢量控制系统设计中，安装位置及速度传感器增加了系统的成本、体积并且降低了 系统的可靠性，因此各国学者都在深入的研究永磁同步电机无传感器矢量控制技术，从 而减少控制系统中传感器的数量，简化控制系统所需的硬件结构，降低成本并且提高可 靠性。 对于不同转子结构形式的电机，其无传感器位置及速度的检测的方法也不尽不同， 检测的准确性也存在很大的差异。同时对于大多数无传感器的检测方式，其检测的准确 性很大程度上要依赖于定子电感及电阻等参数，随着电机运行时间及运行条件的改变电 机的特性差异较大，包括电机的电感及电阻等参数。因此，在进行无传感器控制时，电 机运行过程中当参数发生变化，如果没有对转子参数变化进行相关的调整，就不能够准 确的检测转子位置，控制系统也就不能够稳定的运行。 本章首先对永磁同步电机转子结构形式进行简要的介绍，对位置及转速检测过程中 存在的主要问题进行了说明，最终提出了基于模型参考自适应( m 鼬峪) 的转子位置估 计方法，在理论上解决了隐极性永磁同步电机无传感器位置及转速估计的问题。 2 2 永磁同步电机分类及无传感器技术存在的问题 2 2 1 永磁同步电机的分类 对于永磁同步电机，根据永磁体相对于转子位置的不同，一般可将其分为三类即贴 面式永磁同步电机、插入式永磁同步电机，内嵌式永磁同步电机。 9 哈尔滨t ：程人学硕士学位论文 尺突畲、 敏霄氧蔼( 圈国) 留迫i ! 图2 1 贴面式图2 2 插入式图2 3 内嵌式 对于不同结构形式的永磁同步电机，其制造工艺，成本以及其适用的范围不同。并 且不同的转子形式其转子初始位置检测的方法、正常运行过程中的矢量控制方法以及无 传感器的控制中转子位置及速度检测的方法也不尽相同。 1 贴面式永磁同步电机，见图2 1 。 永磁体贴于转子的外表面上，其结构简单，磁极易于实现最优设计，相对的制造成 本低。并且电感量相对较小。因此，电流响应快，适合应用于要求电机具有快速动态响 应的场合应用。目前，在窄调速范围的正弦波永磁同步电机和直流无刷电机中得到广泛 的应用。 2 插入式永磁同步电机，见图2 2 。 插入式永磁同步电机相对于贴面式永磁同步电机，其主要特点是充分的利用了磁路 不对称的特性，因此功率密度较大，动态响应快。但其制造成本较贴面式永磁同步电机 高，工艺相对复杂。对于插入式转子结构形式在正弦波永磁同步电机中得到了广泛的应 用。 3 内嵌式永磁同步电机，见图2 3 。 对于内嵌式永磁同步电机，其永磁体嵌入转子的内部，因此永磁体不易失磁，也不 用担心磁极固定的及防护的问题，减少了电机的防护措施，机械强度较好。并且具有良 好的静动态性能，其缺点是漏磁系数较大。这种转子结构形式广泛的应用于高性能永磁 同步电机的制造中。 2 2 2 无传感器技术存在的主要问题 通常永磁同步电机的矢量控制系统，转子位置可以通过计算定转子的电磁关系和观 测器的方法获得。对于通过计算定转子之间的电磁关系获得转子的位置信息的方法，由 于其计算方法简单、动态响应快，程序实现容易并且其对控制器的要求较低。因此，得 1 0 第2 章基于m r a s 的无传感器矢罩控制理论 到了广泛的应用。但当电机在不同环境及载荷条件下运行过程中，电机本身的温度将发 生变化而导致电机的电感及电阻发生变化，严重的影响了转子位置检测的准确性，从而 导致电机不能正常运行。 - 弭- _ d t - - 埔- - 幻 图2 4 电感随温度的变化图2 5 电阻随温度的变化 由图2 4 ，图2 5 可以看出随温度的升高电阻值减小，电感值增加，对通过计算电磁 关系来得到转子位置的方法产生影响。 2 3 自适应控制原理 对于理想的稳定控制系统必须具有一定的抗干扰能力，在受到外界不稳定因素的干 扰时系统的稳定状态破坏，当干扰去掉后能够重新的回到稳定的工作状态。由于古典控 制理论只能解决线性定常系统稳定性问题，而永磁同步电机的控制系统属于非线性时变 控制系统。因此，古典控制理论已不再适用于其稳定性的判断，只有通过现代控制理论 的方法去解决。 自适应的控制理论是在二十世纪五十年代发展起来的自动控制领域的现代控制理 论的分支，其主要针对控制系统中存在不可预知和不确定状态而提出的，其最终的控制 目的是，即使控制系统中存在不确定因素也能使控制系统满足预定的性能指标。自适应 控制理论中较为成熟的为模型参考自适应控制理论( m r a s ) ，基于利亚普诺夫稳定性 理论的模型参考自适应控制系统，主要针对于控制对象参数发生急剧变化，传统反馈系 统不能正常工作而提出的，其基本的设计思想就是通过改变控制系统的参数或控制方法 使控制系统以某一最佳状态运行例。 现对传统的开环及闭环控制与模型参考自适应控制做简要的说明。 1 开环及闭环控制系统 传统的控制系统包括开环控制系统和闭环控制系统，。开环控制系统的原理框图如图 2 6 ，开环系统传递函数见式( 2 1 ) 。 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 图2 6 开环原理框图 。) 一c ( ，) g ( ，) u ( ，) ( 2 1 ) 其中：k 。，控制系统输出 c ( 。) - 控制器传递函数 g ( 。) 控制对象传递函数 u ( 。) 控制系统输入 对于开环控制系统由于没有反馈作用，控制系统的输出完全决定于给定，对系统运 行过程中外界干扰的抵抗能力较弱，因此开环控制系统，其只适用于在控制系统运行过 程中对稳定性及动态性能要求不高的场合。 闭环系统控制原理框图如图2 7 传递函数见式( 2 - 2 ) 图2 7 闭环原理框图 k 。) - g ( ，) 吼) 一日p 兄) ) 一吼) ) 一g ( ，卢。忍) ( 2 - 2 ) 其中：k ，) 控制系统输出 c ( 。) 控制器传递函数 g ( | ) 控制对象传递函数 u ( 。，控制系统输入 h ( o 反馈传递函数； 对于闭环控制系统，由于在控制系统中引入了反馈信号，控制系统可以通过检测系 统的输出来进行动态的调整，使控制系统的输出跟随系统的输入。因此相对于开环控制 系统来说闭环控制系统在运行过程中稳定性及抗干扰的能力得到了改善。但相对于开环 控制系统由于引入了反馈信号，在运行过程中反馈信号的干扰可能会使控制系统不能够 稳定运行。 第2 覃基于m r a s 的无传感器矢晕控制理论 2 自适应控制系统 对于传统的开环控制系统及闭环控制系统，都是假设控制系统在运行过程中，控制 系统的各参数不发生变化( 即所谓的线性定常系统) 的条件下设计的，所以，当控制系 统参数发生变化时，就可能出现系统不稳定的现象。针对于传统的闭环控制系统对参数 改变时出现的不能正常工作的情况，学者们提出了自适应的控制方法，其原理框图见图 2 8 图2 8 自适应原理框图 自适应控制系统为双闭环系统，其中一个闭环就是传统的闭环控制系统，另一个为 参数自适应闭环。参数自适应闭环包括输入、输出及控制器，输入包括控制对象的输出 以及控制器的输入，其输出为系统参数的调整。其基本的原理就是通过实时的检测输 入而后根据控制对象的特性，按照一定的控制规律，来修改控制器中在系统运行过程中 可能发生改变的参数，从而减小由于参数改变而对控制器的影响。 3 模型参考自适应 一般自适应控制器可以有多种形式，课题主要对永磁同步电机无传感器的模型参考 自适应控制系统( m r a s ) 进行相关的理论研究。 模型参考自适应控制系统的结构框图见图2 9 图2 9 模型参考自适应原理框图 模型参考自适应就是建立一个实际控制对象的理想控制模型，模型的输出就是实际 控制系统的理想输出，这个理想的模型就是参考模型，模型参考自适应的目的就是使控 制系统实际的动态响应与参考模型的动态响应一致，使两个模型的偏差尽量的小。对于 1 3 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 萱i i i i i i 宣i i i i i i _ 一 mi 一il mm li i i 永磁同步电机无传感器位置及速度检测，就是通过动态的调整控制系统参数，减小电感、 电阻以及负载等条件的变化对检测精度影响。 2 4 永磁同步电机转速及位置估计 永磁同步电机数学模型及位置转速估计模型： 对于面装式永磁同步电机在同步旋转的d p 坐标中的电流方程见式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 。 鲁一等+ 芒 ( 2 - 3 ) 鲁一一乏一哆屯一考q + 考 q q 永磁同步电机定子电流方程见式( 2 - 5 ) p 阶 r 厶 咆亏 喀 足 厶 卧 其中：定子d 轴磁链，w b 定子q 轴磁链，w b 乙定子d 轴电感，h k 定子q 轴电感，h h d 定子d 轴电压，v n ，定子q 轴电压，v 定子d 轴电流，a 定子q 轴电流，a 置定子电阻，o q 同步角速度，r a d s 竹永磁体磁链，w b p 微分算子 永磁同步电机以定子电流为状态变量的电流模型见式 0 时a = i 否则a = o ； u b 0 时b = i 否则b = 0 ； 玑 0 时c = i 否则c = 0 ； ( 2 ) 对矢量作用时间的计算 当参考电压矢量的扇区判断结束后就要对相邻非零基本矢量以及零矢量的作用时 间进行计算，见式( 5 2 ) 互一瓦t 似一, - 3 v , ) t 2 = 括麦 ( 5 - 2 ) t o = t - t 1 石 其中： 互、t 2 、毛非零矢量及零矢量作用时间，s 直流母线电压，v t 一周期，s 为了方便表示不同扇区下非零矢量的作用时间我们设x 、y 、z 三个参数见式( 5 3 ) ： 第5 章永磁同步电机矢量控制系统软件设计 x = _ u 口u 出 y = 昙卢肋+ u 口) t u d ( 5 3 ) z = 吾( 如卢3 - u 口) t u d 对于不同扇区下相邻的非零电压矢量的作用时间如表5 - 1 表5 1 矢量作用时间 扇区号 1234 5 6 王 zyz- xx- y 互 y- xxz- yz 通过判断不同参考矢量所在的扇区，就可查表得到该扇区内相邻两矢量的作用时 间，但当两相邻矢量的作用时间之和大于矢量的作用周期时，对作用时间玉、t 2 做如- f 修正见式( 5 - 4 ) i 一器 e - 鬻 ( 5 - 4 ) ( 3 ) 计算电压矢量的切换点 计算开关时间得切换点，并将其计算值赋予比较寄存器输出开关信号。见式( 5 5 ) 。 气；( r 一互一疋) k - + 争 一+ 争 其中：f 枷，f 咖，k 开关向量的切换点 s v p w m 程序框图见图5 2 。 4 7 ( 5 - 5 ) 哈尔滨下程大学硕十学位论文 电压给定 矢量扇区判断 计算t l ，t 2 ，t 3 判断饱和并修正 计算切换点并给 比较寄存器赋值 图5 2s v p w m 运算流程图 对s v p w m 运算中的浮点运算做定点化处理，在实际程序调试过程中，其运算的精 度及运算速度都明显的提高【4 1 旬1 5 4 2 转子位置及速度检测程序设计 1 初始位置检测程序设计 初始位置检测程序框图，图5 3 。 图5 3 初始位置检测 4 8 第5 章永磁同步电机矢量控制系统软件设计 初始位置检测时给定的电压大小为8 v ，作用时间为l o m s 。尽管初始位置检测时电 压值较小作用时间也较短，但也可能引起转子的微小转动因而引起检测误差，为了避免 这种情况，在第一次初始位置检测时电压矢量一般一正一反的给定，即假设当前给定的 电压矢量位置为o 。时则下一给定的电压矢量为1 8 0 。既在给定的微小电压矢量的作 用下转子位置发生变化时，当下一次反向电压矢量的作用下使转子位置回到原来的位 置，从而使转子位置不发生改变。 初始位置估计时选择检测的初始位置角为o 。，每隔3 0 。作用一电压矢量，并检测 a 相及b 相电流，通过c l a r k 及p a r k 变换得出直轴电流，寻找直流电流的最大值点，并 记录最大值点对应的角度值。第二次位置检测时，以第一次检测到的电流最大值点为中 心前后各1 5 。，间隔7 5 。给定电压矢量，重新进行检测寻找最大值点。同样按照第二 次检测的方法进行第三次位置检测。考虑到实际硬件条件只进行了三次位置检测，检测 的结果基本可以满足调速系统的要求。 2 速度及位置检测子程序 ( 1 ) 转子速度检测程序 采用编码器的数字测速方法共有三种分别为：m 法、t 法和m 厂r 法。 m 法是通