（检测技术与自动化装置专业论文）基于dtcsvm的pmsm无速度传感器控制的研究.pdf

摘要 直接转矩控制是继矢量控制之后发展起来的一项高性能交流电机控制技 术。无速度传感器技术能够简化调速系统的硬件结构，降低系统的成本，是近 年来交流调速领域的研究热点。两者相结合的无速度传感器直接转矩控制将是 未来电机控制技术的发展方向之一。 本文以隐极式永磁同步电机( s p m s m ) 为控制对象，对比研究了两种不同 的直接转矩控制方法：s t d t c 和d t c s v m 。由仿真结果可以知道，d t c s v m 在 动态性能和抑制转矩抖动方面都优于前者。并且本文指出了现有的d t c s v m 某 些情况下可能会使p i 控制器无法发挥其作用，从而使得系统动态性能变差。本 文针对这个缺点对现有的d t c - s v m 进行改进，引入了一个额外的速度反馈信号。 仿真实验结果可以表明这种方法能有效的使用p i 控制器，从而提高系统动态性 能。 在解决了系统控制的基础上，本文接着讨论了如何以滑模观测器来取代速 度传感器以实现电机的无速度传感器控制。本文尝试搭建了一个四阶的滑模观 测器来估计速度。并针对滑模变结构控制中常见的抖振问题改进了观测器中的 符号函数。仿真实验表明，本文的滑模观测器可以很好的跟踪速度的变换，并 且可以在电机启动一段时间后实现闭环控制。由于改进的符号函数，系统的抖 振现象也有了很大的改善。 最后本文试着以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 来搭建硬件电路，并给出了相关 的电路原理图。 关键词：永磁同步电动机：d t c s v m ；无速度传感器；滑模观测器( s m o ) a b s t r a c t d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) b e c o m e sav e r y h i g hp e r f o r m a n c ea cm o t o r c o n t r o lt e c h n i q u ea f t e rv e c t o rc o n t r o li nr e c e n ty e a r s t h es p e e ds e n s o r l e s st e c h n i q u e w h i c hc a ns i m p l i f yt h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n dr e d u c et h es y s t e mc o s ti sav e r y h o t s p o to fc u r r e n tr e s e a r c h t h ec o m b i n a t i o no ft h e s et w ot h e o r i e si so n eo ft h e d i r e c t i o n si nt h ed e v e l o p m e n to fm o t o rc o n t r o lt e c h n i q u e t h i st h e s i sc o m p a r e st w od i f f e r e n td t cm e t h o d s ：s t - d t ca n dd t c s v m ， b a s e do nt h e p l a t f o r mo fs u r f a c ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e a c c o r d i n gt ot h em a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t s ，d t c - s v mi sm o r ea d v a n c e db o t hi n d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dt o r q u ec h a t t e r i n gr e s t r a i n t m o r e o v e r , t h ea u t h o rp o i n t s o u tt h a tt h ep ic o n t r o l l e ri nt h et o r q u ec o n t r o ll o o pw o u l db el e s se f f i c i e n ti nt h e e x i s t i n gd t c - s v mm e t h o d s i tc o u l dd e t e r i o r a t et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e t h i s t h e s i sp r o p o s e san e wm e t h o dw h i c hi n t r o d u c e sa na d d i t i o n a ls p e e df e e d b a c ki n t o t h et o r q u ec o n t r o ll o o p t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h i sm e t h o dc a nm a k et h e p ic o n t r o l l e rw o r km o r ee f f i c i e n t ，a n di m p r o v et h es y s t e md y n a m i c p e r f o r m a n c e a f t e rt h a t ，t h i st h e s i sd i s c u s s e sh o wt or e a l i z et h es e n s o r l e s sc o n t r o lw i t ha s l i d i n gm o d eo b s e r v e r ( s m o ) t h ea u t h o rc o n s t r u c t sa4 - o r d e rs m of o rt h es p e e d e s t i m a t i o n i na d d i t i o n ，t h es i g nf u n c t i o nh a sb e e nc h a n g e di no r d e rt os o l v et h e c h a t t e r i n gp r o b l e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss m oc a nt r a c kt h ev a r y i n g s p e e d ，a n dc a nr e a l i z ec l o s el o o pc o n t r 0 1 w i t ht h em o d i f i e ds i g nf u n c t i o n ，t h e c h a t t e r i n gp r o b l e mc a nb ew e l ls o l v e d f i n a l l y , t h i st h e s i sp r o v i d e sp r i n c i p l es c h e m e so fh a r d w a r ed e s i g nw i t ht h e t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5c h i p k e y w o r d s ：p m s m ，d t c - s v m ，s e n s o r l e s sc o n t r o l ，s m o 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以 明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人c 签名，：选l 升 刎年岁月支7 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门 大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和 电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进 入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行 检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密6 ( 请在以上相应括号内打“4 ) 作者签名： 导师签名： 日期：二彰年妇硝日 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 交流电动机调速技术的发展与现状 在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛应用于工农业、国防、科 技及社会生活等各个方面。电动机负荷约占总发电量的6 0 一7 0 ，成为用电量最 多的电气设备。其中交流电动机的拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通 过交流电动机加以利用的。 电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际应用中，一是要使电动 机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动 机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量，提高劳动生产率和节省 电能有着直接的决定性影响。 2 0 世纪6 0 年代以后，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各 国重视交流调速技术的研究与开发。尤其是7 0 年代以后，各项科学技术的飞速 发展为交流调速创造了极为有利的技术条件和物质基础。从此，交流调速理论及 应用技术大致沿下述四个方面发展： 1 电力电子器件的蓬勃发展和迅速换代促进了变流技术的迅速发展和变流 装置的现代化 电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展历经一开始的晶闸管元 件，第二代的g t r ，g t o ，v d m o s i g b t ，直到第三代的大电流、高电压、高频化、 集成化、模块化方向的器件，9 0 年代末至今，电力电子器件发展进入了模块化、 智能化的第四代。 2 脉宽调制( p w m ) 技术 脉宽调制( p w m ) 技术的发展应用优化了变频装置的性能适用于各类交流调速 系统。基本可分为等宽p w m 法，s p w m 法，磁链追踪型p w m 法和电流跟踪型p w m 法现代p w m 生成电路多采用有高速输出口的单片机或数字信号处理器d s p 通过 软件编程生成p w m 。 3 微机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代交流调速 系统的成功应用提供了重要的技术手段和保证 如今，全数字化的交流调速系统已普遍应用，微机控制技术与大规模集成电 1 厦门人学硕i ：学位论文基于d t c s v m 的p m s m 无速度传感器控制的研究 路的应用提高了交流调速系统的可靠性和操作，设置的多样性和灵活性，降低了 调速装置的成本和体积。以微处理器为核心的数字控制已成为现代交流调速系统 的主要特征之一。 4 矢量变换控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能的基础 交流电动机是个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状态 重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量 之间的解耦，实现了磁通和转矩的分别独立控制，将交流电动机的控制过程等效 为直流电动机的控制过程，使交流调速系统的动念性能得到显著的改善和提高。 受矢量控制技术的启发，近年来又派生出诸如多变量解耦控制、变结构滑模 控制等方法，新引入了不依赖电机模型的模糊自寻优控制、人工神经网络等智能 控制方法。但有一种控制方法引起了众学者广泛的关注，那就是直接转矩控制。 继矢量控制技术之后，1 9 8 6 年以来日本的i t a k a h a s h i 和德国的m d e p e n b r o c k 分别提出了异步电机直接转矩控制技术口“1 ，近十几年的实际应用表明，直接转 矩控制是一种很有前途的控制技术。 实践证明，交流调速技术的应用为工农业生产及节能方面带来了巨大的经济 和社会效益，现在，交流调速系统已经逐步全面的取代直流调速系统。交流调速 在电气传动领域中占据了统治地位已是公认的事实。下面简要得介绍一下常用的 三种控制方法：v f 控制，矢量控制，和直接转矩控制。 1 2v f 控制 v f 的控制变量为电机的外部变量即电压和频率( 图1 - 1 ) 。控制系统将参考电 压和频率输入到实现控制策略的调制器中，最后由逆变器产生一个交变的j 下弦电 压施加在电机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下。按照这种控 制策略进行控制，使供电电压的基波幅值随着速度指令成比例的线性增长，从而 保持定子磁通的近似恒定。这种控制策略简单，易于实现，转速通过电源频率进 行控制，不存在异步电机的转差和转差补偿问题。但同时，由于系统中不引入速 度、位置等反馈信号，因此无法实时捕捉电机状态，致使无法精确控制电磁转矩； 在突加负载或者速度指令时，容易发生失步现象；也没有快速的动态响应特性。 因此，使用这种控制策略的驱动系统一般用于对动态响应特性要求不高和精确性 不高的场合，l l ! z n 风机、泵类等负载的控制。 2 第一章绪论 图卜1v f 控制 1 3 矢量控制系统原理 矢量控制的基本思想就是：把三相交流感应异步电动机经坐标变换等效成直 流电动机，然后，仿照直流电机的控制方法，求得控制器。再经过相应的反变换， 就可以控制交流感应电动机了。其核心就是将定子电流分解为相互垂直的两个分 量乙和屯，其中f 。用以控制转子磁链，用以控制电磁转距。矢量控制的最终 结果是实现定子电流的分解，对转子磁链和电磁转距进行解耦控制。 矢量控制的基本思想可以用图卜2 表示。在设计控制器时应该注意到2 3 变 换与电机内部的3 2 变换相抵消，逆旋转变换( v r 1 ) 与电机内部的旋转变换( v r ) 变换相抵消( 忽略变频器中可能产生的小滞后) ，所以只要按直流电机的控制器设 计方法设计控制器，给定和反馈信号经控制器产生励磁电流和转矩电流的给定信 号蠢，艺，再经过逆旋转变换( 腺。) 得到三相电流的给定信号i * a ，。这三 相电流的给定信号与频率控制信号一起加到电流控制的变频器上，就可以得到异 步机变频调速所需的三相变频电流。 给定信蟹 = ：j + 图1 - 2 感应电机矢量控制系统原理框图 3 厦门人学硕l ：学位论文 皋于d t c s v m 的p m s m 无速度传感器控制的f j f 究 自7 0 年代矢量控制技术发展以来，该控制方法首先应用在感应电机上，很 快就被成功移植到了同步电机上，而且在永磁同步电机上更容易的实现了矢量控 制并广泛的应用，转子定向的矢量控制技术成为了高性能的永磁电机伺服驱动系 统中主要采用的控制方法。因为永磁同步电机不需要励磁电流，逆变器供电的情 况下，不需要阻尼绕组，效率和功率因数都比较高，而且体积较之同容量的异步 电机小，并且永磁同步电机的矢量控制能够实现高精度、高动态性能、大范围的 速度和位置控制。尤其对高精度，高动态性能以及体积小的伺服驱动需求不断增 长的情况下，如今地位已超过过该控制方式在异步电机中的地位。 然而矢量控制技术也并非完美无缺，系统特性受电机参数影响较大以及在模 拟直流电动机控制过程中矢量坐标变换的复杂性都使得实际的控制效果难以达 到理论分析的结果：而且在永磁同步电机普遍采用的矢量控制中，转矩处于开环 状态。由于磁体位蜀的偏移，磁性材料的分布不均匀，电流传感器非线性化和电 流调节器的局限等因素，以及非优化的参考电流等导致电机转矩的脉动和电机铜 耗增大等等这些因素，使得矢量控制并不能实现转矩的直接控制。矢量控制技术 在转矩控制，弱磁控制和无位置传感器技术方面都存在由于本身控制思想带来的 实现上的复杂性，所以新的直接转矩控制的研究就被研究用来摆脱矢量控制面临 的困境，打开同步电机控制的新领域。 1 4 直接转矩控制( d ir e c tt o r q u ec o n t r o i d t c ) 1 4 1 直接转矩控制系统的特点 1 直接转矩控制是直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制 电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机和直流电动机进行比较、等效和转 化；既不必要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学 模型，它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理 工作比较简单，所用的控制信号易于观察者对交流电动机的物理过程作出直接和 明确的判断。 2 直接转矩控制的磁场定向采用的是定子磁链轴，只要知道定子电阻就可 以把它观测出来。而矢量控制的磁场定向所用的是转子磁链轴，观测转子磁链需 要知道电动机转子电阻和电感。因此，直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中 控制性能易受参数变化影响的问题。 4 第一章绪论 3 直接转矩控制采用空间电压矢量的概念来分析三相交流电动机的数字模 型和控制各物理量，使问题简单明了。 4 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果，因为无论是直流传动还是 交流传动，无论电机是处于动态还是稳态，传动系统的根本问题都是转矩的控制。 直接转矩控制和采用解耦控制思想的控制方法不同，它是一种瞬时转差控制 方案，具有不同于矢量控制的全新的优点：快速的动态响应，对参数的依赖小， 控制结构简单。因此一提出就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优 良的动静态性能受到普遍关注并被大量研究，力图转化为实际应用，近年来更是 得到了快速的发展。但由于该控制方法理论的不完备和对计算机处理速度的要 求，直到1 9 9 5 年瑞典a b b 公司第一台采用直接转矩控制方案的异步电机高档变 频器才得以面世，并将其看成是下一代交流电机的最优秀的控制方式瞄3 。由此可 见此控制方法的科学意义和巨大的经济价值。目前在德国，直接转矩控制技术已 成功应用于兆瓦级的电力机车牵引上。同本研制成功的1 5 k w 直接转矩控制变频 调速装置，其转矩响应频率高达2 k h z ，使电机从+ 5 0 0 - - 5 0 0 转分的反转时间只 有4 m s 。在电气传动领域中，这几项指标均居目前世界最高记录。当前，德国、 日本、美国等都在竞相发展该项技术，向工业生产应用推出全数字化最优直接转 矩控制的异步电机变频调速装置。 尽管直接转矩控制在异步电机上获得了如此重大的成功，该项技术应用到同 步电机上却是若干年之后的事了。其间的困难主要是因为同步电机和异步电机运 行的机理不同。异步电机直接转矩控制是建立在对电机转差角频率控制的理论基 础上的，而同步电机中从宏观上来讲不存在异步电机拥有的转差角频率。因此， 直接转矩控制技术应用于同步电机中首先要解决控制理论问题。 多年来学者们一直希望有突破性的工作来打开同步电机直接转矩控制的局 面。c h r i sf r e n c h 等人在1 9 9 6 提出的转矩控制方案中采用转矩控制器取代电流 控制器，但这也不是真正的对转矩进行直接控制，因为还是使用了电流环，电流 环的时间常数限制了电机快速性的提高，所以无法体现出直接转矩控制系统快速 性的优点和精华。直到1 9 9 7 年南京航空航天大学与澳大利亚新南威尔士大学合 作，l z h o n g ，m f r a h m a 和yw h u 等人率先把直接转矩控制与永磁同步电机结 合起来，提出了基于永磁同步电机的直接转矩控制理论，实现了永磁同步电机直 5 厦门人学硕 ：学位论文 慕于d t c s v m 的p m s m 无速度传感器控制的研究 接转矩控制方案1 ，并且成功地拓展到了弱磁恒功率范围，取得了一系列成果， 为同步电机直接转矩控制开创了新的篇章。 就直接转矩本身来说，它也经历了一个不断发展的过程。最原始的直接转矩 为选择表型直接转矩( s t - d t c ) 。然后，为了提高其性能，学者们后来又提出了 使用空间矢量调制技术的直接转矩( d t c s v m ) 。以下本文就详细介绍下这两种不 同的直接转矩方法： 1 4 2 永磁同步电机的s t - d t c 控制 熬流器逆交嚣 图1 - 3 直接转矩控制系统结构框图 s t d t c 是由速度调节器、定子磁链与转矩计算器、滞环比较单元、状态选择 器、逆变器、感应电机及编码器、电压电流测量变换单元组合而成( 见图卜3 ) 。 有状态选择器是s t - d t c 的一个很重要的特点( s w i t c h i n gt a b l e ) 。速度调节器按 速度误差的p i 算法算得电磁转矩指令值巧，与转矩观测值e 之差进入转矩滞环 比较器，输出信号d r ；指令定子磁链幅值缈：与其观测值妒，之差进入磁链滞环比 6 第一章绪论 较器，输出信号；d r ，仇与定子磁链观测幅角值所在扇区号o ( n ) ，作为状 态选择器的输入信号，共同决定逆变器状态，从而得到相应的空间电压矢量来驱 动电机。转矩与定子磁链的估值是由定子电压电流的实测值根据电机的电磁转矩 和定子磁链模型计算而得。为充分利用电机磁路，通常定子磁链幅值设定为其近 饱和之值，通过电压空间矢量来控制定子磁链的平均旋转速度，改变定子磁链与 转子磁链的夹角，达到控制转矩之目的。由于转矩直接控制省去复杂的坐标变换 ( 矢量控制为模仿直流电机控制而引入的，需要复杂的坐标变换) ，且不明显依赖 转子参数，故对转子参数的变化具有鲁棒性。 而从控制角度来看，s t - d t c 方案其实是一种b a n g b a n g 控制方法：针对定子 磁链的幅值和转矩误差，在一个控制周期内，s t d t c 只能在一个扇区内选择和 发出一个空间电压矢量，而这个电压矢量要同时控制磁链和转矩，通常情况下并 不能达到期望的最佳值。 如何能准确确定控制量的变化趋势并且调节其变化的大小? 如果在一个控制 周期内能发出满足要求的电压矢量作用于电机，那么就能更好的消除磁链和转矩 的稳态误差。于是，学者们提出了基于空间电压矢量调制的直接转矩控制( d i r e c t t o r q u ec o n t r o lu s i n gs p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ，d t c s v m ) 。 1 4 3 永磁同步电机的d t c - s v m 控制 作为高性能交流调速控制策略之一的直接转矩控制( d t c ) 具有很多优异性能， 因而得到了广泛的关注。d t c 系统结构简单、转矩能直接控制、转矩动态响应快 速并对电机参数表现出强的鲁棒性等。但常规d t c 采用的是转矩、磁链滞环控 制器和基于6 0 。的定子磁链位置信号，以此按一定规则从预制的开关表中选取 合适的电压空间矢量对电机转矩、磁链进行直接控制。这样可供选择的电压空间 矢量就很少，影响了控制性能的提高。 针对上述问题，学者们进行了广泛的研究。文献n 采用了新的磁链估计方法 以获得更准确的磁链估计值，文献1 采用改进的空间电压矢量开关表以期选择最 合适的电压矢量进而得到更准确的转矩、磁链控制，文献n 2 叫3 1 引入了模糊逻辑控 制器对空间电压矢量的选择条件做了细化，同时小波网络也被应用于直接转矩控 制系统定子电阻的精确辨识中4 l 。这些方法都可改善系统的静态性能，但由于可 供选择的电压空间矢量被局限为只有8 个，导致无论何种用法都无法在本质上完 7 厦门大学硕l ：学位论文摹十d t c s v m 的p m s m 无速度传感器控制的研究 全消除磁链、转矩期望值与实际值之间的误差。文献扣1 引入了多电平逆变器以 增加可选电压空问矢量的数量，获得了转矩、磁链的精确控制，但需更多开关器 件，增加了系统硬件结构的复杂性。文献n 刀根据传统异步电机d t c 原理选择所需 电压矢量，之后再推算出获得最小转矩脉动所需的零矢量施加时间，再根据设定 好的零矢量状态进行电压矢量的切换。这相当于人工干预电压空间矢量的调制过 程，可以降低转矩脉动，但是实现较复杂。 利用空间矢量的调制技术可在不改变系统硬件结构的条件下获得更多的、连 续变化的电压空间矢量，进而实现对电机磁链、转矩更准确的控制。根据这种调 制控制思想，l a s c u n 钉于2 0 0 0 年采用了两个p i 调节器实现电压矢量计算的异步 电机空间矢量调制( s v m ) d t c 。但两个p i 调节器使系统结构复杂了，参数调节 也变得困难。另一种实现d t c - s v m 的方法是利用预测法根据转矩误差预测出应有 的定子磁链矢量，而后计算出预测磁链矢量与当前磁链矢量的矢量差，据此计算 出最佳的等效电压矢量。2 0 0 1 年l t a n g ，l z h o n g ，m f r a h m a n 和y h u 等 人从同步电机转矩角控制转矩这一本质出发提出了基于转矩角控制方案聃9 3 ，并 首次把该项技术成功应用于永磁同步电机驱动系统中。其主要思想为：在一个控 制周期中选择相邻的两个运动矢量和一个零矢量，计算出每个矢量作用时间，从 而合成出所需要的任意空间电压矢量，实现转矩快速控制及转矩和磁链的无静差 控制。 该方法相比与l a s c u 的方法优点： ( 1 ) 仅用了一个转矩p i 调节器，参数调节简单； ( 2 ) 在轻载时极大地减小了转矩和磁链的波动，几乎是一平直线； ( 3 ) 开关频率得到极大提高； ( 4 ) 电流波形大大改善； ( 5 ) 系统的快速性基本与基本d t c 致。 1 5 电机无速度传感器控制 1 5 1 无速度传感器控制的研究概况 对于高性能的调速系统，转速闭环是必不可少的。安装速度传感器可以得到 精确的转速反馈信息，目前转速的检测大多采用光电编码器、旋转变压器或测速 发电机。但是，速度传感器的安装会给系统带来以下缺陷： 8 第一章绪论 ( 1 ) 系统的成本大大增加。 ( 2 ) 给电机维护带来一定困难。 ( 3 ) 破坏了电机固有的物理结构，降低了系统的可靠性和稳定性。 ( 4 ) 码盘安装存在同心度问题，安装不当会影响测速精度。 ( 5 ) 在某些特定环境下根本就无法安装速度传感器。 因此，自2 0 世纪8 0 年代后期以来，无速度传感器感应电机调速系统越来越 引起人们的关注。无速度传感器技术就是利用较易获取的检测量如定子电压和电 流等，通过相应的算法计算出电机转速，从而取代原来依赖转速传感器获取转速 的方法。目前常用的一些转速估计方法主要有：模型参考自适应( m r a s ) 估计法， 全阶状态观测器法，卡尔曼滤波器法和滑模观测器法。 基于模型参考自适应( m r a s ) 的转速估算方法有以下两种形式： ( 1 ) 文献乜1 提出的基于电压模型和电流模型的m r a s 方法，以电压模型为参 考模型，电流模型为可调模型。利用p o p o v 超稳定性理论推导出了转子转速的 p i 自适应率。其结构如图卜4 所示。 ( 2 ) 文献刚为了避免纯积分，采用了基于反电势的m r a s 方法，用电压模型 计算的转子反电势作为参考模型，用电流模型计算的转子反电势作为可调模型， 用两个反电势的叉积作为误差项，用p i 调节器辨识转速。其结构如图卜5 所示： 图卜4 基于电压电流模型的m p , a s 法结构图 9 厦门人学硕l ：学位论文 摹于d t c s v m 的p m s m 无速度传感器控制的研究 图1 - 5 基于反电势的m r a s 法结构图 全阶状态观测器法通常用于电机的直接转矩控制中，它选用定子电压作为输 入变量，定子磁链、转子磁链作为状态变量，定子电流作为输出变量。利用输出 测量值和输入控制值观测系统的全部状态，将原系统的输出量和观测器的输出量 之间的误差，反馈到状态观测器，构成闭环状态观测器，其观测状态包含了受控 系统的全部状态变量。全阶状态观测器是实现直接转矩控制定子磁链精确观测的 根本保证，由于它基本不受电机参数变化的影响，因此整个控制系统有很好的鲁 棒性。 卡尔曼滤波器法是应用最优估计原理对系统状态变量进行最小方差估计，在 估计过程中，可以消去模型误差和测量误差对状态变量估计值的影响，因而具有 很高的精度。卡尔曼滤波的特点还在于采用了递推算法，随着观测时间的变化， 可以随时处理新的情况，大大减少了计算机的存储量和计算量，便于实时处理。 卡尔曼滤波器可对p m s m 的转角转速进行实时在线最优估计，在调速过程中利用 电动机的反电势推算出实际转速和转角，不断地修正估计出转速和转角。卡尔曼 滤波器可以从随机噪声信号中得到最优观测，具有很好的动态性能和抗干扰能 力，甚至能在电机停止状态下工作，在磁场定向矢量控制中所需要的控制变量如 转子位置、速度和磁通，都可以通过卡尔曼滤波器估计出来。但该算法计算量很 大，滤波器很难确定实际系统的噪声级别和算法中的卡尔曼增益，且受电机参数 的影响较大。 滑模观测器( s 1i d i n gm o d eo b s e r v e r ，可简写为s m 0 ) 方法是源于滑模变结构 控制的一种方法。滑模变结构控制是前苏联e m e l y n a o v 、u t k i n 和i t k i n 在2 0 世 1 0 第一章绪论 纪5 0 年代末提出的一种非线性控制方法。滑模变结构控制作为一种非线性控制， 与常规控制的根本区别在于控制的不连续性。它利用一种特殊的滑模控制方式， 强迫系统的状态变量沿着人为规定的相轨迹滑到期望点。由于给定的相轨迹与控 制对象参数和外部干扰变化无关，所以滑模变结构具有响应快，对系统内部参数 和外部干扰呈不变性的特点，可以保证系统渐进稳定口9 1 。尤为可贵的是滑模变结 构算法简单，易于工程实现。这为复杂的工业控制问题提供了一种很好的解决途 径。 1 5 2 在直接转矩中应用无速度传感器技术 在p m s m 的直接转矩控制中应用无速度传感器技术一般都涉及到定子磁通的 估算，由估算的定子磁通直接或间接地得到同步角速度和转差角速度，因此定子 磁通能否正确估算将直接影响转速估算的精度。目前常见的定子磁通估算方法主 要有u - i 模型： f 眈= ，( u 口一r i a ) 况 【2 厂( u 卢一r i 卢) d t( 1 _ 1 ) 式中虬定子电压q 轴分量；u 口定子电压b 轴分量； 屯定子电流a 轴分量；定子电流b 轴分量； r 定子电阻： 很容易看出，电压模型定子磁链观测器( u i 模型) 实质上是一个纯积分器， 其优点是：算法简单；算法中不含有转子电阻，因此受电机参数变化影响较小； 不需要转速信息，这对于无速度传感器系统很有吸引力。它的缺点是：低速度时， 随着定子电阻压降作用明显，测量误差淹没了反电动势，使得观测的精度较低； 纯积分环节的误差积累和漂移问题严重，可能导致系统失去稳定。另外，我们注 意到定子电阻的改变也将会使磁链的估计产生偏差。这些局限性决定了这个方案 在低速下是不能使用的，但在中高速的合理范围内它依然是可行的，而且也确实 被应用于许多场合。有人提出使用p i 控制器来估计定子电阻值并使用低通滤波 器来取代纯积分环节的方法瞳仉2 1 2 引，但是这样p i 参数很难整定且低通滤波器会 带来不应有的滞后现象。 厦门人学硕i ：学位论文 皋于d t c s v m 的p m s m 光速度传感器控制的研究 滑模观测器根据电机的结构和参数建立p m s m 的数学模型，通过不断获取电 流估计值和测量值之间的偏差来不断修正模型，使电流进入设定的滑动摩擦面， 这样可以使两者之间的偏差消失，以实现对转子转角和速度的估计，见图卜6 。 例如，将估计电流和定子实测电流之差作为切换函数，控制函数采用常值切换控 制，然后用自适应数字低通滤波器进行相移补偿，输出结果即可得到转子位置角 的正余弦函数。z x u 心柚在2 0 0 5 年提出了一种滑模变结构观测器，用来估计磁链 和速度。实验表明，这种方法有很强的鲁棒性和准确度。本文就是在这个方法上 进行改进。 拿 jt z 口 as2 z 口一 少一 0 s ( x ) m a x ( e o 三 ，i e i ) ，v 就可以减少到零。也就是乏，亏可以趋近于 零，那么估计的电流能收敛到真实值。在观测器进入滑动摩擦面后，由等效控制 理论可知： 丘= - d l s g n ( i a - i o ) 戽昌一d s g n ( i p 一) ( 4 - 9 ) 巨= 每瓴+ d l 。q s g n ( i o 一乏) 一瓯d l s g n ( , 一0 ) = 一e b 瓯一q 。e 馐+ eb 妣 ；1 乞 戽= 巨瓯+ d 瓯s g n ( o 一乏) + 留d l s g n ( , 一0 ) 4 1 0 ) t6 “ ”p 2 己a 一一q = 1 瓦 由上式可知，e o ，瓦将会趋近于零。并且可以通过调整q 来确定误差收敛 的速度。 4 3 3 振动问题的改善 从理论上讲，滑动模态可以按用户需求设计，而且系统的滑模运动与控制对 象的参数，系统内部的摄动以及受到的外界扰动无关，因而滑模变结构控制系统 的鲁棒性要比一般常规的连续控制系统强。但在一个实际的滑模控制系统种，由 于系统切换的过程不是完全理想的开关特性，系统状态测量不可能精确无误，控 制力不可能无限大，从而滑动模态不是降维的光滑运动，系统不能渐近稳定于原 定，而是在光滑的滑模面上叠加一个锯齿形轨迹。于是，在现实中，抖动必然是 第p q 章基于d t c s v m 的无速度传感器控制 存在的。抖动的存在提高了滑模控制的抗扰动能力，但同时抖动的存在也影响控 制的精度。这就需要采用有效的办法去削弱抖动的幅度而不是完全消除它，因为 消除了抖动也就消除了滑模控制的鲁棒性。 在z x u 的论文中，他们并没有提到任何有关s i g n 函数设计的问题。如果只 是简单的选择标准的s i g n 函数，在输出端将会有很大的振动现象。但是这个问 题可以通过修改s i g n 函数来改善。我们选取一个在滑动摩擦面附近是连续的 s i g n 函数： fl f x a s g n ( x ) = 一1 ，矿x 一旯 ( 4 1 1 ) l x z ，i fh 允 输出。我们可以选取合适的a 来改善输出端的抖动。 4 3 4 速度估计 由上文可知，童。，屯包含着速度和位置信息。而这些信息可以通过扩展 k a l m a n 滤波器来获取。下面本文简要的介绍下这种方法。 羔 = 1 c s o i n s 秒o 。( 尼k ，) 1 + 迓簇j c 4 一2 ， 我们构建了一个状态空间模型，状态矢量x - - oqw x ( k - i - 1 ) = f x ( k ) + w ( k ) y ( k ) = 办( x ( 忌) ) + v ( 尼) 4 1 3 f = 1t0 1 。0 三：l c x ，= f s i n s o 口( k 七) 】( 4 - 1 4 ) 。蚓m 卜r j t 是采样时间，w ( k ) 是零均值的白噪声。在这里我们假定速度为斜坡信号， 所以我们把速度构造成w ( k ) 的双积分来避免延迟。在这里w 就是为了此目的。 w ( k ) ，v ( k ) 的协方差是r 1 ，r 2 ： 5 l 厦门人学硕1 ：学位论文幕于d t c s v m 的p m s m 无速度传感器控制的研究 r 2 量量； 尺：2 ，咒。，c4 一5 ) k 2 三墨 ，c o s ； c s 。i n s o p c 4 一，6 ， ( 尼) = y 2 ( k ) c o sp ( 尼) 一y l ( k ) s i np ( 尼) o ( k + 1 ) = o ( k ) + 丁匆( 尼) + k l e ( k ) 匆 + 1 ) = 匆 ) + w7 ) + 尼2 ) 4 1 7 ) w 7 ( 尼+ 1 ) = w ( 七) + 尼3 ( 尼) 图4 - 2m a t l a b 结构图 5 2 第四章基于d t c s v m 的无速度传感器控制 实验一：系统的仿真时间设为1 0 6 s ，给定参考转速2 2 0 0 r p m ( 机械量) 。速度 环p i 控制器参数：p = 0 7 ，i = 5 ，限幅 一1 0 ，1 0 。转矩环p i 控制器参数：p = 4 5 ， i = 1 0 5 ，限幅r - 5 0 0 ，5 0 0 3 。s m 0 的参数为：d = 1 0 6 ，q = 6 x1 0 3 ，m = 6 x 1 0 3 ，a = 1 。 ， ， 图4 - 3 速度 图4 - 4 速度误差 5 3 暖门人学硕士学位论文基于d t c s v m 的p m s m 无速度传感器控制的研究 _ 一， ， ，。 一，一 一，。p ，- ，一r 一 ， ，一 p 0 0 0 5n 们0 们5n 0 2n瞄003 图4 - 5 转子位置 图4 - 6 估计的反电动势 t k l r eo f f s e 七0 图4 7 筇坐标系下观测器的估计定子电流与真实电流的误差 第p u 章皋于d t c - s v m 的无速度传感器控制 由实验数据可以看出，估计的速度是可以逼近真实速度的，而且稳态时候没 有静差。可是1o s 的采样时间硬件无法做到，所以必须确定一下在硬件允许范 围内滑模观测器是否可以完成估计速度的任务。 实验二：现在把系统仿真时间调成1 0 一s ，控制电路采样时间为1 0 s 。系统 仿真时间变短可以使电机的模型更精确，而采样时间的减少可以看出算法是否可 以在d s p 中实现。速度环p i 控制器参数：p = 1 ，i = 1 0 ，限幅 - 5 ，5 。转矩环p i 控制器参数：p = 8 0 ，i = 5 0 0 ，限幅 - 5 0 0 ，5 0 0 。s m 0 的参数为：d = 4 1 0 3 ，q = 6 1 0 2 ， m = 1 0 2 ，a = 1 。给定速度初始值为6 0 0 r p m ，在0 0 2 s 变成1 5 0 0 r p m ( 机械量) 。 负载为4 5 n 。 ， 1 z 譬7 图4 - 8 估计速度和真实速度 图4 - 9 依次为估计反电动势，真实反电动势，两者的差值 厦门 半砸i 学n 论史柴十d t c s v m 的p m s m 无速度传感器控制的研究 图4 - 1 0 估计转子位置和真实位置 - - j _。 i_。l ：i _ _j j ! l_jo w 寸圳 删训：h ，r ， 弼；h - 、， - ， ，。_ j ：j2 口m 0 5 ，- 6 - to 8 1 l i矗2n 5n ：n 蒋口味峙 图 估计转子位置与真实值的误羞 m 十m 十d t c - $ v m t 4j t * g 托 l 一 幽41 2 叩坐标系下观测器的估计定子电流与真实电流的误差 【b 仿真结果可以看出把采样时叫缩短以肝，脱删器依然能够估1 准确的速 度。但是州时也i j 以再山拄电机启动过程l l ，滑模观测器的什计述度无法跟j 头 际速皮，误：芏很人。实际j 衄用巾，肩动时候小能使用州删速度闭环，必须等则删 器跟踪上4 耍向、速度后d 能刊硝、。【l i 灾验u t 以看山，则洲器的动态时川大约为 o0 2 s 。也就足随机观测器需要00 2 s 一能跟踪p 史际速度。那幺把删洲嚣闭j | ；f = 效粜会如何眦? 实验三：让二这个试验r h 日先m 乜机先启动到某一个转速，阿把观删器刚上 环，看看l l 运行效果。仿真时旬设簧同实验二。速度环p i 控制器参数：p = 01 ， t = 2 ，限幅 5 ，5 。转矩环p i 控制器参数：p - 8 0 ，i = 5 0 0 ，限幅 _ 5 0 0 ，5 0 0 。 s m o 的参数为：d - 4 1 0 ，u6 1 0 ， i f = 1 0 。， 一1 。给定速度初始值为4 0 0 r p m ， 在02 b s 变成15 0 f l r p m ( 机械量) 。负载为4 孙。s m 0 在02 s 闭环。 厦门人学倾1 ：学位论文皋于d t c s v m 的p m s m 光速度传感器控制的研究 图4 - 1 3 估计速度和真实速度 图4 - 1 4 上图的局部放大图 图4 - 1 5 估计速度和真实速度的差值 第阴章摹于d t c - s v m 的无速度传感器控制 图4 - 1 6 速度误差局部放大图 图4 1 7 估计转子位置与真实位置 图4 1 8 估计转子位置与真实转子位置的差值 5 9 # 十眦s v m 的p m s mt 艘传感# 枉“的e 图41 9 依次为估计e m f ，真实e m f ，两者的差值 图4 _ 2 0 叩坐标系下观测器的估计定子电流与真实电流的误差 由实验可以看出，从o2 s 观测器闭环开始，电机可以根据观坝4 器提供的磁链 和速度稳定的运行。无论在动畚提速过程还是稳态运行过程，估计速度都可以很 好的逼近真实速度，虽大误差为5 0 r p m 左右。由此可以看出，这个滑模观测器 是可咀实现电机无速度传感器控制的。 * ”o w * 第五章d s p 摔制i 乜路设计 第五章d s p 控制电路设计 本文尝试使用t i 最新出的一款t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 来搭建无传感器的直接转矩控 制系统。考虑到滑模控制和直接转矩控制需要很大的计算量和较短的采样时间， 2 4 0 7 a 在很多方面都无法满足应用的需要了。2 8 1 2 的主频够，但是它并不支持浮 点运算功能。三个芯片的对比如下： 表5 - 1 芯片对比表 型号 2 4 0 7 a2 8 1 22 8 3 3 5 主频 4 0 m h z1 5 0 m h z1 5 0 m h z a d 转换时间 5 0 0 n s8 0 n s8 0 n s 是否支持浮点 否否是 并且在编程中应该注意，2 8 3 3 5 取消了事件管理器( e v ) ，取而代之的是 e p w m ，e c a p ，e q e p 模