（电力电子与电力传动专业论文）基于高频信号注入的pmsm无速度传感器控制策略研究.pdf

t h e s t u d yo nt h eh i g hf r e q u e n c ys i g n a li n j e c t i o nm e t h o df o r 。p m s ms e n s o r l e s sc o n t r o ls t r a t e g y a bs t r a c t r e c e n t l y ，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 s ( p m s m ) h a v ef o u n d w i d e a p p l i c a t i o n sd u et o - t h e i rh i g hp o w e rd e n s i t y , h i g he f f i c i e n c y ，e a s y o fc o n t r o l ，h i 醢 t o r q u e t o i n e r t i ar a t i oa n dh i g hr e l i a b i l i t y f o rt h ec o n t r o lo ft h ep m s md r i v e ss u c ha st h e v e c t o rc o n t r o la n dt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，t h er o t o rp o s i t i o ni sr e q u i r e dt op e r f o r m c o m m u t a t i o n sb e t w e e np h a s e sa n dt oc o n t r o ls p e e da n dt o r q u et o o i nt h e t y p i c a l l y a p p l i c a t i o nc a nb et h er o t o rp o s i t i o no b t a i n e db yu s i n gm e c h a n i c a ls p e e d ( p o s i t i o n ) s e n s o r s l i k ea l le n c o d e r so rr e s o l v e r s 。u n f o r t u n a t e l y ，t h eu s et h e s es e n s o r sw i l li n c r e a s et h eo v e r a l l c o s ta n dw e i g h to ft h es y s t e m sa n dn e x tr e d u c et h er e l i a b i l i t ya n dn o i s ei m m u n i t yo ft h e s y s t e m s 。r e s e a r c hi nt h ea r e ao fs e n s o r l e s sc o n t r o lo ft h ep m s m i sb e n e f i c i a lb e c a u s eo f t h ee l i m i n a t i o no ft h ef e e d b a c kw i r i n ga n di tm a k e st h es y s t e m sm o r er e l i a b l ea n dc h e a p e r i nt h ep a s t ，d i f f e r e n ts c h e m e sh a v eb e e np r o p o s e df o rp m s ms e n s o r l e s sc o n t r 0 1 a m o n gt h e mo n eg r o u pi sm e t h o d sb a s e do nm o t o rf u n d a m e n t a le q u a t i o n s 。r o t o rf l u xi s c o n s i d e r e da ss i n u s o i d a ld i s t r i b u t e d ，w h i c hn e g l e c t sm o t o rs p a c eh a r m o n i c sa n do t h e r s e c o n d a r ye f f e c t s 。t h e nm o t o rb a c k e m fc a l lb eu s e dt oe s t i m a t er o t o rp o s i t i o nf r o mm o t o r f u n d a m e n t a le q u a t i o n s t h e s em e t h o d sa r ee i t h e ro p e nl o o ps t r u c t u r e ，s u c ha sd i r e c t c a l c u l a t i n g ，b a c k - e m fi n t e g r a t i o n , e t c o rc l o s e dl o o po b s e r v e r s ，s u c ha sm r a s ， e x t e n d e dk a l m a nf i l t e r ，d s t a t eo b s e r b e r ，s l i d i n gm o d eo b s e r v e r , e t c i nt h i sp a p e r ，h i g h f r e q u e n c ys i g n a li n je c t i o np m s m s e n s o r l e s sc o n t r o li sr e s e a r c h e dd e t a i l e d l y f i r s t l y ，t h i sp a p e rp r e s e n t sam e t h o du s i n gr o t a t i n gh i g hf r e q u e n c yv o l t a g ei n j e c t i o nt o e s t i m e a t et h er o t o rp o s i t i o nf o ra np m s m t h es c h e m eu t i l i z e sm o t o rm a g n e t i cs a l i e n c y p r o p e r t yw h i c hc o n t a i n st h ei n f o r m a t i o no ft h er o t o rp o s i t i o nd u et om a g n e ts a t u r a t i o n ，a h i g hf r e q u e n c yv o l t a g es i g n a l i si n j e c t e di nt h es t a t i o n a r yf r a m ei no r d e rt od e t e c tt h e m a g n e t i cs a l i e n c ya n de s t i m a t et h er o t o rp o s i t i o n r n l ef i l t e r sa r eu s e dt oa n a l y z eh i g h f r e q u e n c yc u r r e n ta n dt oe x t r a c tr o t o rp o s i t i o ni n f o r m a t i o n 。i nt h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d ，t h e u s eo ft h eb a n dp a s sf i l t e ra n db a n ds t o pf i l t e rc a nt a k et h es e r i o u sp r o b l e mo f p h a s e s h i f t i n ga n da m p l i t u d ea t t e n u a t i o n 。b e c a u s et h eh i g hp a s sf i l t e r sh a v ez e r om a g n i t u d e f o ra n yc o n s t a n t ( d c ) s i g n a la n dh a v et h ea b i l i t yt oc o m p l e t e l ye l i m i n a t eas p e c i f i e d f r e q u e n c y ，as y n c h r o n o u sf r a m ef i l t e r i n gt a k et h ep l a c eo ft h eb a n dp a s sf i l t e ra n db a n ds t o p f i l e r 。 i na d d i t i o n ，t h er o t o rp o s i t i o ne s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nl u e n b e r g e ro b s e r v e ri s d i s c u s s e di nd e t a i l 。a c c o r d i n gt h em a g n e t i cs a t u r a t i o ne f f e c t ，。am e t h o dh a sb e e np r o p o s e d t od i s t i n g u i s ht h ep o l a r i t yo ft h er o t o rm a g n e t ，w h i c hs o l v e st h ep r o b l e mt h a te s t i m a t er e s u l t w o u l db er e v e r s ew i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o db a s e do nh i g hf r e q u e n c y s i g n a li n j e c t i o n 。 a tl a s t ，t h ef l u c t u a t i n gh i g hf r e q u e n c yv o l t a g es i g n a li n j e c t i o nw e r ed i s c u s s e di nt h e t h e s i s ，t h i ss c h e m eu s e sf e w e rf i l t e ra n dh a v eas i m p l e rc o n f i g u r a t i o n ，t h i sm e t h o da l s o p o s s e s s e sb e t t e rs p e e da d j u s t a b l ep e r f o l m a n c eb o t hi ns t a t i ca n dd y n a m i c i no r d e rt ov e r i f yt h ep r o p o s e dc o n t r o ls c h e m e ，s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u t t h er e s u l t s s h o wt h a tt h em e t h o di se f f e c t i v et od e t e c ti n i t i a lr o t o rp o s i t i o nc o r r e c t l y ，m o t o rp o s i t i o na n d s p e e da r ea l s op r o p e r l ye s t i m a t e di nt h el o wa n dh i g hs p e e dr e g i o nw i t h o u ta n ys p e e do r p o s i t i o ns e n s o r 。 k e yw o r d s ：s e n s o r l e s sc o n t r o l ；p m s m ；t h er o t a t i n gh i g hf r e q u e n c yv o l t a g ei n j e c t i o n ；t h e f l u c t u a t i n gh i g hf r e q u e n c yv o l t a g es i g n a li n j e c t i o n ；l u e n b e r g e ro b s e r v e r ；d i s t i n g u i s ht h e p o l a r i t yo f t h er o t o rm a g n e t ，i n i t i a lp o s i t i o nd e t e c t i o n 表格清单 表3 一l 初始位置估计仿真用电机参数4 1 表3 2 永磁同步电机参数4 8 插图清单 图1 - l 典型的无传感器控制方法2 图2 1 永磁同步电机转子机构7 图2 2d 、q 轴电枢反应磁通路径8 图2 3 定、转子位置关系9 图2 4p m s m 系统中的磁链矢量关系图1 1 图2 5 自适应规律13 图2 - 6m a r s 估计转子速度和位置15 图2 7 砌与a q 坐标一16 图2 8 无速度传感器控制系统框图18 图2 - 9d 状态观测器19 图3 1 旋转高频电压注入法原理图2 2 图3 2 在静止坐标系中注入旋转高频电压矢量2 2 图3 3 常规的滤波环节2 4 图3 4 改进的滤波环节2 5 图3 5 位置跟踪观测器2 6 图3 - 6 龙贝格观测器的一般形式：2 8 图3 7 转矩扰动对产生的位置误差的动态刚度传递函数2 9 图3 8 修改后的龙贝格观测器3 0 图3 - 9 变换后的龙贝格观测器3 0 图3 1 0 只有转矩作为扰动时的结构图3 1 图3 1 1 转矩扰动作为前馈的龙贝格观测器3l 图3 一1 2 转动惯量估计值不同时观测器估计精度频率特性3 3 图3 1 3 电磁转矩估计值不同时的观测器估计精度频率特性3 4 图3 1 4p m s m 的d 7 轴定子磁链和d 7 轴定子电流的关系3 5 图3 15 旋转电压注入及信号的提取4 1 图3 1 6 不考虑饱和效应时的高频电流矢量圆4 3 图3 1 7 考虑饱和效应时的高频电流矢量圆4 4 图3 18 考虑饱和效应时的转子初始位置估计4 7 图3 1 9 永磁同步电机基于旋转高频电压注入法的无传感器控制原理图4 8 图3 2 0 注入高频后的定子电流波形4 9 图3 2 1 注入高频后的定子电流波形的频谱分析4 9 图3 2 2 常规滤波方式4 9 图3 2 3 改进滤波方式5 0 图3 2 4 转速1 2 0 0 r m i n 时的转子位置实测值5 0 图3 2 5 转速1 2 0 0 r m i n 时的转子位置估算值5 0 图3 2 6 转速。1 2 0 0 r m i n 时的转子估计位置误差5 1 图3 2 7 转速1 2 0 0 r m i n 时的转子速度实际值和估计值51 图3 2 8 转速6 0 r m i n 时的转子位置实测值5 1 图3 2 9 转速6 0 r m i n 时的转子位置估算值5 2 图3 3 0 转速6 0 r m i n 时的转子估计位置误差5 2 图3 31 转速6 0 r m r n 时的转子速度实际值和估计值5 2 图3 3 2 转速变化时的转子位置实测值5 3 图3 3 3 转速变化时的转子位置估计值5 3 图3 3 4 转速变化时的转子估计位置误差5 3 图3 3 5 转速变化时的速度实际值和估计值5 4 图4 一l 在估计转子同步旋转坐标系中的脉振电压矢量5 5 图4 2 脉振高频电压注入法5 8 图4 3 脉振高频电压注入法的转子极性判别6 1 图4 4 永磁同步电机基于脉振高频电压注入法的无传感器控制原理图6 1 图4 5 转速1 2 0 0 r m i n 时的转子位置实测值6 2 图4 6 转速1 2 0 0 r m i n 时的转子位置估算值6 2 图4 。7 转速1 2 0 0 r m i n 时的转子估计位置误差6 3 图4 8 转速1 2 0 0 r m i n 时的转子速度实际值和估计值6 3 图4 - 9 转速6 0 r m i n 时的转子位置实测值。6 4 图4 1 0 转速6 0 r m i n 时的转子位置估算值6 4 图4 1 1 转速6 0 r m i n 时的转子估计位置误差6 4 图4 1 2 转速6 0 r m i n 时的转子速度实际值和估计值6 5 图4 1 3 转速变化时的转子位置实测值6 5 图4 1 4 转速变化时的转子位置估计值6 6 图4 1 5 转速变化时的转子估计位置误差_ 6 6 图4 1 6 转速变化时的速度实际值和估计值6 6 独创性声明 本入声明所曼交的学侥论文是本人在导筛j 爵导卜避行的研究+ i ：件及取得的研究成果。据 我辨知，除了文中特别鸯l 以标注莉l 致澍煞地方外，论文中不包含其谴人已经发表或撰写过舱 研究成果，也不包含为获得 佥8 墨：! ：业厶鲎 或其他教育机构的学位或证。1 ”而使i | 4 过的 材料。与我一同t 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 理写 签字目期：劢如年誓月z 购 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了勰垒g 曼王业厶堂有关保留、使明学位论文的规定，有权保爝并 向阉家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被奇阅和借阅。本人授权_ j 垒避 i ：邀叁堂可以将学伉论文的全部或部分内容编入有犬数据库进行检索，可以采坍影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适心本授权i s ) 学位论文作者签名： 律写 签字日期：加j p 年b 月渗日 学佗论文作者毕业后走向： i ：作单俺： 通诫地羹 ： z 导癖签名：厶 签字闩期：m d 年4 - 月 d h 电话： 邮编： 致谢 时光荏苒，转眼间将近三年的研究生学习生涯即将结束，值此论文完稿之 际，我谨向所有关心、帮助和支持我的人们表示最诚挚的谢意与最美好的祝愿。 本论文是在导师张兴教授的悉心指导下完成的。在读研期间，我自始至终 得到了张老师无微不至的关怀和支持，导师严谨的科研态度，广博的理论知识， 丰富的实践经验，务实的工作作风使我受益鼷浅。您的精心指导，不僵使学生 的知识水平和科研能力有了很大的提高，更重要的是让学生的思维方式和科研 方法得到了很好的培养。导师在学术土谆谆教导，以及对生活上的悉心关怀， 都将使我终身难忘。在此，谨向张老师表示由衷的感谢和诚挚的敬意。 感谢杨淑英、谢震两位老师以及汪令祥博士在我的课题研究过程中给予的无私帮 助和支持；感谢实验室一起学习生活的同窗挚友：黎芹、童诚、蒲道杰、陈欢、 谭理华、戚振彪、江涛、李少林、朱波、曾凡超和赵芬等，我们一起度过了紧 张露又充实的读研时光，我们共同进步、共圈成长和彼此支持，在此祝愿他们 在今后的工作和生活中一帆风顺! 这里要特别感谢多年来一直支持我的父母，我的成长，学习，生活等等各 个方面都倾注了你们大量的心血。你们伟大和无私的爱一直是我勇往前行的不 竭动力，祝愿我的家人身体健康、万事如意! 最矗，谨以此文献给所有关心、帮助和支持过我的老师、同学、亲人和朋 友! 作者：廖军 2 0 10 年4 月 第一章绪论 1 。l 论文的研究背景 随着2 0 世纪8 0 年代永磁材料特别是钕铁硼永磁材料的发展，对永磁同步电机 的研究已经成为热门，并且越来越深入。与传统的电励磁电机相比，永磁同步 电机( p m s m ) 具有结构简单，运行可靠：体积小，重量轻：损耗小、效率高：电 机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。和直流电机相比，它没有机械 换向器和电刷，与异步电帆相比，它不需要无功励磁电流，鑫丽功率毽数嵩， 定子电流和定子电阻损耗小，在稳态运行时没有转子电阻损耗，效率高，且 转予参数可测、定转子气隙大、控制性能好。永磁同步电机的矢量控制系 统能够实现高精度、高动态性能、大范围的速度和位置控制，在数控机床 和机器人等高精度、高动态性能以及体积小的伺服驱动应用场合，p m s m 数 字控制系统逐渐成为主流，在风力发电中，直驱型风力发电系统被公认为 有着较好的发展前景，而永磁同步电机也正是直驱型风力发电系统的核心 部件。 传统的永磁同步电机控制需要一个机械传感器来检测电机的速度、位置和转 子的磁极，检测电机转速和磁极位置的方法多采用光电编码器或者旋转变 压器等机械传感器。这些机械式传感器通常是编码器( e n c o d e r ) 、解算器 ( r e s o l v e r ) 和测速发电机( t a c h o m e t e r ) 。但是机械式传感器提供电动 机所需的转子信号，却给传动系统带来一系列问题： ( 1 ) 机械式传感器增加了电动机转轴上的转动惯量，加大了电动机 的空间尺寸和体积，应用机械式传感器检测转子的速度和位置需要增加电 动视与控制系统之闻的连接线和揍墨电路，使系统易受干扰，降低了可靠 性。 ( 2 ) 受机械式传感器使用条件( 如温度、湿度和振动) 的限制，传 动系统不能广泛适应于各种场合，特别是在高速、超高速传动控制中，机 械式传感器实现困难。 ( 3 ) 机械式传感器及其辅助电路增加了传动系统的成本，某些高精 度传感器的价格甚至可以与电动机本身价格相比。 ( 4 ) 机械式传感器安装匿难，存在燕心度问题，安装不当将影响测 量精度。 因此，研究开发一种可靠的、低成本的无传感器控制方法，便成了电机控制 技术领域中的研究热点之一。阑内外的许多学者一直进行无传感器控制方法的研 究工作【h o 。无机械式传感器交流传动系统是指利用电动机绕组的有关电 信号，通过适当方法估计出转子的速度和位置，取代机械式传感器，实现 交流传动系统的闭环控制。 羔。2 国内外研究现状及分析 国外在2 0 世纪? 0 年代就开始了无速度传感器控制技术的研究工作，早期的 研究主要针对的是异步机。1 9 7 5 年，a a b b o n d a n t i 等人推导出了基于稳态方程 的转差频率估算方法，在感应电机的无速度传感器控制领域做出了首次尝试【l o 】。 到8 0 年代末和9 0 年代初，许多学者开始对永磁同步电视的无速度传感器控制方 法进行研究。目前，永磁同步电机的无速度传感器控制技术也是电机控制技术中 非常活跃的_ 个研究领域，国外的许多研究机构和大学对永磁同步电动机的无速 度传感器控制技术仍然进行着更深入的研究。国内的一些高校和研究机构如浙江 大学、沈阳工业大学、清华大学、北京科技大学等对永磁同步毫动毒遥的无速度传 感器控制技术都进行了相关的研究降”】。 关于永磁同步电动机( p m s m ) 无速度传感器矢量控制策略，国内外学者提出 了许多种方法，这些方法按其适用范围基本上可分为两类：其一是适用于中高速 的基波激励法 2 】，其二是适用于静止和低速时的高频信号注入法p 1 弱。图l l 对目前典型的无传感器控制方法进行了分类。 图卜1典型的无传感器控制方法 基波激励法是基于电机数学模型的方法。当毫机在中、高速运行时，可以直 2 接利用反电势信号估计出转子的磁极位置，而不需要利用电机的凸极效应。这使 得适用于中、高速时的无速度传感器控制技术比零速和低速无速度传感器控制技 术应用的范围更广，且控制相对简单。在这一类方法中，主要有基于磁链观测的 位置估计方法 2 , 1 4 , 15 】、位置假定法【4 1 、模型参考自适应法【1 6 砌】、滑模变结构观测 器法【1 9 2 1 1 、k a l m a n 滤波器法【2 2 2 5 1 、d 状态观测器法【2 6 】等。 其中最简单的是基于磁链观测的位置估计方法，它通过对反电动势的积分来 实现，这种方法简单有效，但在低速和零速时不能奏效，这是由于低速时电机的 反电动势非常低，磁链估计易受定子电阻变化和测量噪声的影响。为了减小对参 数变化和扰动的敏感性，人们又着手开发研究闭环位置估计的方法。由 h a r n e f o r s 和n e e 提出的位置假定法【4 j 目前是一种科研人员颇为感兴趣的闭环估 计方法。位置假定法也叫锁相环算法( p l l ) ，即是使假设的位置与实际位置渐进 收敛，其主要思想很简单，而且易于编程实现。然而这种方法可能会在负载突变 等情况时出现不稳定。另外一种研究比较成熟的闭环估计方法是模型参考自适应 ( m a r s ) 法，m a r s 是一种基于稳定性理论设计的估计方法，其优点是计算耗时 较少，容易在d s p 上实现。文献 i s 提出了一种简单易行的m r a s 控制算法，但 是这种观测器与q 轴电感l q 有关，所以位置估计的精度和稳定性易受电机磁路 饱和及参数变化的影响。可见m a r s 的速度估算精度与参考模型本身的选取有关， 易受参数变化的影响，需要加入参数辨识的算法。为了解决观测器依赖于电机模 型对参数变化敏感的问题，一个比较有研究价值的是滑模观测器( s m o ) 算法， 该算法用于估计控制系统的状态【2 0 1 ，具有较好的鲁棒性，但是由于变结构切换 增益大，满足稳定性的参数选择复杂，抖振问题尚未有效解决【2 ，限制了滑模 变结构观测器在电机无速度传感器控制中的应用。扩展卡尔曼滤波器( e k f ) 也 是一种形式的观测器，基于e k f 观测器，可以直接得到定子磁链矢量和转子位置 的估计值，实际上是一种基于高性能d s p 实现的用于非线性动态系统实时递归状 态估计的全阶观测器，这一算法的关键是选择系数值，以获得可能最好的位置估 计性能。然而，其算法复杂，计算量大，另外滤波器模型涉及因素多，缺少相应 的设计和整定标准，很难确定实际系统的噪声级别和算法中的卡尔曼增益。d 状 态观测器法【2 引，其实际上是一种改进的磁链观测器，它建立电机数学模型不需 要额外的稳态条件；维数是最小的二维；在除零速点以外较宽的运行速度 范围内，用于保证四象限内估计值正确的观测器增益是一个简单的常量， 且易设计；它以一种非常简单的方式去应用电机的参数，它的结构非常简 单，可以在非常低的计算量下实现；它既能用于凸极永磁同步电机，又能 用于隐极永磁同步电机；但这种方法的缺点是并不适合于零速到低速范 围。 众所周知，电机的参数易受温度、磁饱和等多种因素影响，并且随着 电机运行条件的变化是时刻变化的。虽然基于传统基波模型的方法采用了 诸如观测器和参数辨识的方法提高鲁棒性，但是对于低速下的运行仍然缺乏有效 的改进手段。基于谐波模型的方法实际上是将位置传感器集成在逆变器绕组中， 位置信息包含在三相电压电流中，不依赖动态模型，因此具有更好的低速性能。 最初提出的是旋转高频电压注入法，它是由美国威斯康星大学麦迪逊分 校的r d l o r e n z 和m a t t h e wjc o r l e y 提出的 5 , 6 , 2 7 】。基本原理是利用磁场的 凸极效应，通过注入高频电流信号或者高频电压信号测量电感的变化，进 而估计出凸极位置。对于一台内埋式永磁同步电机来说，它的q 轴与d 轴电感有 一定的差值，从而形成电机的凸极。这种基于电机结构的凸极是由电机的设计所 决定的，几乎不受定子电流影响，这使得利用凸极进行转子位置估算的自检测方 法具有很强的鲁棒性。采用高频旋转电压注入法时，转子位置自检测系统自成一 体，易于调试和实现；但是从低幅度负序电流分量中获取转子位置信息的过程比 较复杂，需要多级的滤波过程和运用观测器来跟踪位置，而且转子位置信息提取 过程的算法对其系统的动态性能影响较大，电机需有较高的凸极率作为外部条 件。 脉动高频电压注入法只在估计的同步旋转d ”一。7 坐标系中的d ；轴上注入高 频正弦电压信号，从而这种方法不影响产生电机转矩的q 轴电流分量【2 跏3 0 】。该信 号在静止坐标系中是一个脉动的电压信号，或者也可以看作是两个具有同样幅值 的空间矢量以相反方向旋转。其口，轴上的高频电流响应存在转子位置实际值与 估计值之间的误差，因此可以对口，轴高频电流进行适当的信号处理后作为转子 位置跟踪观测器的输入信号，以此获得转子的位置信息。不同于旋转载波，它不 是辨识各向异性的方位，而是与上次采样估计有关的方位误差。不参考注入信号 的相角即可对误差进行解调制。这将限制对逆变器非线性畸变的鲁棒性，即使不 采用死去补偿运行效果也很好。由于载波信号不影响建立在q 轴电流分量上的转 矩，因此不削弱速度和转矩控制系统的动态性能，适合于凸极率较小的面贴式永 磁同步电机中，但系统难于调试。 高频旋转电流信号注入法【3 l 】是在基波电流指令上叠加一个三相平衡的高频 电流激励，然后在p w m 逆变器输入端提取电压指令中对应的高频电压响应，再通 过特定的信号处理过程来获取转子位置信息。与旋转高频电压信号注入法相比， 旋转高频电流信号注入法的最大优点是注入较小幅值的电流信号就能获得相对 幅值较大的包含转子位置信息的电压信号，因为高频阻抗值( 主要是感应电抗) 是随着频率的增加而增大的。 目前国内外还没有一种单一的无传感器技术能够在各种运行条件下有效地 控制所有类型的电机，于是有些人提出将两类方法综合应用，称为复合控制方式 【3 2 1 ，这样就可以实现全速范围内的速度调节，目前已有的复合控制方法有： ( 1 ) 信号注入法结合反电动势法估计；u 列 ( 2 ) 信号注入法结合卡尔曼滤波器法； 3 4 j 4 ( 3 ) 信号注入法结合模型参考自适应法；【3 5 】 ( 4 ) 信号注入法结合磁链观测法：【3 6 】 以上的几种复合控制方法都是综合考虑了两种方法的优缺点，在低速区时， 充分利用了高频注入法对参数变化不敏感，鲁棒性强，能检查零速和低速时的转 子位置的优点，在高速区时，采用适用于中高速的无传感器控制方案。这种复合 控制方法的重点和难度是如何实现两种方法的平滑切换并确保固有的电机运行 性能p5 j ：而且由于各种控制方法都比较复杂，计算量大，所以这种复合方法需 要高性能的数字信号处理器和高精度的计算方法作为支持。 综合以上对基波激励法，高频信号注入法，复合控制方法的介绍，可以总结 出永磁同步电机的无传感器控制技术目前的研究状况是：一般都算法复杂，从而 需要具有高性能的d s p 支持；基波激励法受电机参数影响较大，无速度传感器运 行的电机鲁棒性差，只适用于转速为中高速的情况：高频信号注入法在零速和低 速段的优势比较明显；无位置传感器技术的应用给永磁同步电机带来了起动问 题，因此，起动问题是永磁同步电机实现无位置传感器运行的一大难题；为了实 现全速范围的控制，复合控制法是未来的一个发展趋势。 1 3 本文研究的主要问题 永磁同步电机的无速度传感器控制技术已经成为当前研究的热点，目 前无速度传感器控制技术的研究已经得到了丰硕的成果，但大多数方法的 机理还只是依赖于对电机基波方程的分析，仅仅适合于中、高速场合的速 度和位置辨识，此外，这些方法还对电机的参数敏感，鲁棒性差。在目前 进行的转子初始位置检测中，针对转子永磁体n s 极的极性判别仍需要做 进一步的研究。针对这些情况，本文主要进行了一下几个方面的研究工作： 第一，参阅国内外相关参考文献，对永磁同步电机无速度传感器技术 目前的应用情况进行了概述。 第二，介绍了目前比较流行和比较有发展前景的无速度传感器技术， 这些技术都是基于基波模型的，依赖于电机参数，并且只适用于电机的中 高速运行。 第三，分析了永磁同步电机的结构，构建了其一般数学模型和高频激 励下的数学模型。 第四，重点分析了旋转高频电压注入法机理，并对滤波环节，用于进 行凸极跟踪的龙贝格观测器进行了详细的分析，对永磁同步电机的电感饱 和效应也进行了深入的研究，在此基础上研究了在利用高频信号注入法提 取转子凸极位置信息，利用旋转电流矢量幅值变化的情况进行转子永磁体 n 、s 极性判别的方法。 第五，分析了脉振高频电压注入法，这种方法只在估计的转子参考坐标 5 系的d 轴上注入一个高频燕弦载波信号，从焉对q 轴产生的转矩电流影响小，产 生的电磁转矩脉动小，并且使用的电机范围广，结构简单。 第六，利用m a t l a b 仿真软件对以上推导的高频信号旋转电压注入法， 高频脉振电压注入法，转予极性判别都进行了仿真验证。 6 第二章永磁同步电机无传感器控制技术概述 永磁同步电机是由绕线式转子同步电机发展而来的，它用永磁体代替 了电励磁系统，从而省去了励磁线圈，集电环和电刷，其定于电流与绕线 转子同步电机基本相同，输入为对称的正弦交流电，故称为永磁同步电机。 21 永磁同步电机结构和数学模型 2 1l 永磁电机的结构 p m s m 的转子结构，可以按照永磁体的安装形式分类，如图1 所示分 为面装式、插入式和内装式三种。 ( c ) ss 图2 - 1 永磁同步电机转子机构 ( c ) 面装式转于结构 ( 曲径向充磁的内装式转子结构 ( d ) 插入式转子结构 ( b ) 横向充磁的内装式转子结构 由于永磁体特别是稀土永磁体的磁导率近似等于真空磁导率，对于图21 ( a ) 所示的转子结构，直轴磁阻与交轴磁阻相等，因此交、直轴电感相等，即kc ， d g 表现出隐极性质。而对其他结构，直轴磁阻大于交轴磁阻，因此如t 。，表现出 凸极电机的性质。图2 2 图2 - i ( c ) 所示结构的交、直轴电枢反应磁通路径。 鹰。国 图2 - 2d 、q 轴电枢反应磁通路径 ( b ) ( a ) d 轴电枢反应磁通路径( b ) q 轴电枢反应磁通路径 212 永磁电机的数学模型 交流永磁同步电动机的定了和普通电励磁三相同步电动机的定于是 相似的。如果永碰体产生的蒜应电动势( 反电动势) 与励磁线圈产生的感 应电动势一样，也是正弦的，那么交流永磁同步电动机的数学模型就与电 励磁同步机基本相同。 在建立数学模型之前，先做出如下假设： i ) 忽略磁路饱和、磁滞和涡流的影响； 2 ) 永磁材料的电导率为零； 3 ) 转子上没有阻尼绕组； 4 ) 相绕组中感应电动势波形为正弦： 为了后面无速度传感器控制理论分析的需要，我们用电机转子同步旋 转坐标系来分析永磁同步电机的数学模型，如图23 所示。取转子永磁体 基波励磁场轴线( 碰极轴线) 为d 轴，d 轴与a 相绕组的夹角只。而q 轴以 逆时针方向超前d 轴g o 度电度角取定子磁链的方向为x 轴的正方向y 轴以逆时针方向超前x 轴9 0 度电度角。d q 轴系随同转子以电角速度( 电角 频率) m ，一起旋转。砂轴系随同定子旋转磁场以电角速度( 电角频率) 珊。一 起旋转。在图2 - 3 中，可以看出它们的位置关系。 图2 - 3 定、转子位置关系 d q 轴上的物理量可以由静止的定子三相绕组上的物理量经矢量变换 得到。如d q 轴上的定予电流与静止三相坐标系上的电流关系如式2 一l 所 示 r ；1 阡店 l j 反变换为： c o s o , - s i n 毽 m 犀 盼了 s ( g 一了2 7 r ) 痂( 0 , 2 7 r ) 压 渊o , + 2 n 一) 叫谚+ 塾3 ) 压 c o s o , s i n 统 。 2 荭 够一_ j 2 万 够+ _ j s l 牲 一s l n 。 2 z 够一一 j 2 n 够+ ， ( 2 _ 1 ) ( 2 2 ) 止述变换关系同样适用于电压和磁链等其他物理量的变换。若两参考 轴系间的输入功率满足下述条件： 心+ u b i b + 毪瑟2 投岛+ 毛 ( 2 _ 3 ) 则基于曲轴系的物理量计算出的电磁转矩就是电动机的实际值。为满 怒这种功率不变约柬，d q 轴定子线圈的有效匝数应为原三相绕组每相有效 值匝数的；互倍，如果原三相绕组为对称的正弦稳态量，在一定的条件 下，变换后的d q 量就为恒定值，该值为原正弦量有效值的；倍。静止的 三相轴系的定子电压矢量方程可以表示为： 9 1，；， 。0。墨。龟 。，。，。，。，。，。，。l ，；，j 压厅盯厅怔 差宝 c c 艇s s t s “s 等+ 等 ；岛+ 岛垡a c 复t + 蚓d t ( 2 4 ) = r s i s “s a t + f e 如r ss s一r f 其中，甲，为励磁空间矢量，甲同转子一道旋转，在a b c 坐标中的相位决 定于电角度巳，甲= 吩p 脾，= i i p 婵为定子电压空间矢量，：p 以为电流 空间矢量，厶为等效同步电感( 对于面装式，t 可以认为是常值，品对于插入 式和内装式，厶不是常值) 转矩方释为 le2p s x i s 其中 飞s = v d + j l ；，q 运动方程为 7 , = j d 讲f 2 - - - - - - - c + 如q ，+ 墨 = ，争+ 鲁+ 五 d q 轴系电机的磁链表达式为： 9 d = l d d 七9 f = 厶 纪= 刃+ 刃 可以将式( 5 5 ) 电压方程变换到两相同步旋转d q 轴系中得： 肾”警+ 毗 = r , i q + 厶鲁州厶+ 吩) h d - r s i d + 警一毗 2 b 岛+ 厶鲁一( o r l q i q d q 轴系电机的转矩方程表达式为： l o 5 石 趵 d 苟 圳 圳 砌 z = p 。( 一) ( 2 1 3 ) 其中，易，厶，厶分别是定子绕组d 、q 轴的磁 链、电压、电流和电感。u ，仍，r 为定子端电压、磁链和定予绕组电阻； 沙，为转子磁钢在定子侧的耦合磁链；见，乙，q 为电机极对数、电磁转 矩和角频率。以上即是永磁同步电机在同步旋转坐标d q 轴系下的数学模 型。 2 2 适用于中高速运行的无传感器控制方法 本节介绍几种基于电机基波模型的无速度传感器方案，这些方法具有良好的 动态性能，但是这些方法对电机参数变化敏感，鲁棒性差，零速和低速时会因反 电动势过小或根本无法检测而导致运行失败，因此这些方法只适用于电机的中高 速运行状态。 2 2 1 基于扩展反电动势的开环估计方法【3 7 】 图2 4p m s m 系统中的磁链矢量关系图 基于数学模型的开环估计是指利用电动机的定、转子磁链和电压空间 矢量方程，通过适当的计算来估计电动机转速。通常这种开环的准确性主 要决定于数学模型中的参数是否准确。特别在低速情况下，由于电动机参 数的偏差使这种开环估计的准确性大大降低，严重影响伺服驱动系统的稳 态和动态性能。因此，这种开环估计的方法难以用于高性能伺服系统。尽 管如此，开环估计不失为一种简单直接且运算量又少的有效方法。 已知在同步旋转的d q 坐标中，定子电压方程可以写为 盼足瓮葛胁倍 该式可以改写为 ( u q m t 以l q ) 爱警册( q