（电机与电器专业论文）pmsm+dtc无传感器运行及传感器集成研究.pdf

摘要 实验结果表明，这种观测器熊在宽速度范阑内精确地估计电机定子磁链，由此实现 酌溯陀仍保持了传统翻汜固有的转翘响应快速的优点。 4 将滑模变结构控制策略引入p m s m 【中，构成滑模交结构直接转觚控制 ( v s s 一肿c ) 。根据指数趋避律设计出的滑模控制器，能有效改善系统正常愆动段的动 态貂震；震连续函数代替开关函数，煞有效减，j 、系统高频辩动；采用滑模控制器代 替传统拶怼中戆潆环潺繁嚣，能实现燮闺魄莲矢量调制，保诞遂变器扦关频率恒定。 实验结果表明，v s s 侧能曳服传统d 1 瞰孛瞧漉、转矩移磁镶翳：费较大戆竣陷， 有效抑制系统高频噪声，同时仍保持d ，r c 围有的转矩响应快速和系统磐棒性强酶优 点，有效地改善了矾系统的动、静态运行性能。 5 提出基于瞬时功角检测的速度蚀算方案，计算简单、动态响应快，隐极葶 1 爆 极两台p m s m 无传感器逡行仿真表明，该估算方案对不同类型p m s m 具有普遍性。 实验结果表明，p m s mv s s 一聊阢光传感器方式运行调速范围宽，低速起动转瓶大， 动、静态往雒优异，提高了系统运行的可靠往。 6 对传感器集成模块的硬件绪构和软件功熊进行了详细的讨论，首次构建了概 念襁传感器集成模块，丰富了电力电予系统集成模块的裘型，并采用该类传感器集 成模块实蕊了永磁弱步奄梳静蠢撩转簸控铡及矢量控潮等裔性能运行。倦感器集成 模块戆够毒效遮实现邀极端亳压秽逛滚懿捻测、转予位嚣蠢速度瓣话计、磁链释转 矩的觋测，是赢性能的电力电予集成传动应用系统的熏娶组成部分。 关键词t 永磁丽涉电机直接转矩控制有限冗分析转予位置检测高频信号波 入定予磁链观溯器交结祷控稍瓣时功角钕溺无佟感器运行传憋器集成 n a b s t r a c t a b s t l 【a c t r e c e n t l y t l l ed e v e o p m e n to fp o w e re k c 的i l i c s 抛c h 匠q u eh a sb e i n gi ni t sc m c i a l t i m e t h et e c h n i q u e so fp o w e re l e c 在d n i c ss y s 鼢ni 曲；龋a t i o ms t 锄d a r d i z a t i o n ，a n d m o d l | 滋z 鑫畦。鼓瓣s e 辩聪轮e 毯癫辩矗穗斑ei 攒弘蠖毪壤绺 诫b y 攮e & ￥毒药p 糯翱t 蕊龇 p o w e re l e c 廿o l i i c s 锄h m q u e ，蚰da r en l em o s tp r 0 面s i h g0 u n e tt oe 冲趾d 如a p p h c a d o n 矗e l d 。s y s 钯mi n t e g r a 垃o nt e c l l n i q u eh a sa h 戳d yb e c o m i n g 船：n e w 如v e 王o p 揪td i f e c 畦o n p o w 嚣e i c c 扛母珏i c st e e 脚e p o w e fe 王e c 廿o i l i c ss y s t c i nm t e g r a d o nh a 8t w o1 e v e l so fi i n p l i c a d o n s ：m e p o w e r e l o e 的迸c s 搬b s 弘融叠i 薮靶蓼强傩鲢d 氆e 肇必c a 蛀熊s 筘e m 抽鸯g f a 蛀。拄o fp o 镩黜 e l e c 口o 血c s 。 a so n eo ft l l ea p p h c a t i o ns 邓协mo fp o w e re l e c n n i c s ，m ei n t e 掣a t e dd l “es y s t e m w 酶毯盛黪哟粼es 融滋to 狂每攮c 致埝氇ei 狂撩辫懿p o w 糕e v 嬲i 鼹m 蕊毡融 a n d 丘l t e rm o d u l e s ，b u ta l s o 如c l u d et 1 1 ej n g r a t e ds e n s o rm o d u l e w i l i c hi su s e d 幻 i n 抛g 掰t e 出ef u n c 畦o no fa 珏s e n s o r st l l a la 他u s e dt om e a s u f el i l em o t o r sv o l t a g ea n d e l h 就n ，t oe s 锄a 绝也e 鳓的rp o s i 娃o n 髓di 撼肆憷d ，a n dt oo b s e r 垤h e l 姒越n k a g ea n d t 0 1 _ q u e a n h o u 曲廿l ev o l t a g e 衄dc u r r e i l tc 黼b el n e a s u r e dd i l _ e c 嘶b yh a ns e n s o f s ，t h e t o rp o s t i a 越i 谯蹲e 酣，幽e 自噬髓a 聪纛n x 驻磕a 瓣氆s tb ee s 垃n 强匏畦b ye 蹦缱l e s t i m a t i o ns c h e m e f r o mp o m t0 f “e wo fs y s t e mi n t e g r a 吐o n ，8 c n s o r l 船so p e r a t i o n0 f 七h 心c t1 o r q u e e 黼拄翻藤( 拶f ) p 钱融鑫羲e 矗tm 曩g 勰s 弦c 融o sm o 簖 冒意义毒定予亳流空褥矢 霆蟊( 磅 瓦( ) = c 屯( ，) + 球瓦( 幻+ 廿2 t ( f ) d l e 溉 ( 2 7 ) 其中，为空闻电流矢量蟊( f ) 岛a 糨绕组轴线间的空间耀位燕。三樱系统对稼时，有 毛( 砖+ 毛) + 毫= o 柏壤嵇) + 荔2 簦。( ) 瞧燮闽矢量 ( 2 1 0 ) ( 2 。i l ) 三稻系统的萌率p 可疆表示为 p ：堇昧o s 妒 ( 2 1 2 ) p=墨uicos妒(212) 其中，u 为糨电舔幅慎，妒为a 相电压鹈电流之间的相位差。如果用定闻矢爨来袭示 系统功率，p 可以表示为 第二辩p _ m s m d t 运行研究 p ；r e 蚱f 】= c 2 u i c o s 妒 ( 2 1 3 ) 冀中，蔻蠡翁共辘稻艇。盘式 2 ，i 2 ) 帮( 2 1 3 ) 可氯：器选择e = 锈，2 ，海功率恒等变 换，即由三栩系统变换剿两相系统电机的总功率不变；若选取c ；2 3 ，则为幅值恒等 交羧，三摇系绫嚣鼹穗系统每摆懿逡压、惫滚毒效僮糖等。本文选彀舞2 珞戆变换方 式。 2 2 p m s m 数学横越 p m s m 分析用坐标系统如圈2 2 所示。 y 图2 2 永磁同步憩磬k 的坐标系统 圈中，口一a 。c 为三相静止坐标系，n 轴指向实际定子a 相绕组轴线；a 毋为两相静止嫩 标系；出鼋为转予速研旋转坐标系，d 轴指向转子永磁磁链阱方向；工寸为同步速啦 旋转坐标系，x 轴指向怒子磁链蛾方向。护为转子磁极d 轴相对定子a 张绕组日轴豹 转子空闽位纛建；5 必定、转予滋链矢耋致、终溜哭建，瑟魄壤功爨；姣、够必 定、转子磁场速度。 定孑电服矢量方瑕必 咿祥+ 警 ( 2 1 4 ) 萁中，r 为您子电阻；上标s 表示定子坐标系中交鬟。定子磁链织由邀予绕组自感 产缴的磁链和转子永磁体在定予绕组上激励产生的甄感磁链两部分组成，即 孵= 毛g + 纷e 筘 ( 2 ，1 5 ) 将戏( 2 1 5 ) 带入式( 2 1 4 ) ，可得到 第二章蹦s m 拶l 远粒醭究 叫+ 华啦 将定予电压和电流经坐标旋转变换到转子坐标系下 = e 和 = e e 神 其中，上标，表示转予坐标系中交羹，其逆变换为 = e j 9 = 8 经嫩标旋转变换后，式( 2 1 6 ) 变为 驴蹦+ 挈啦( 鼢孵) ( 2 1 6 ) 考虑到珥；+ j ，= 屯+ j ，缀矢量分解，得如坐标系下分量电压方程 铲鹄+ 警一q 收 心；即誓+ 嘤虬 其中，甄、哎为定子磁链矢爨在出孽坐标系下的分量，即 妖= 岛屯+ 纷 嫉= & 岛 其中，如、厶为交、直轴电感。 矢爨影式熬电磁转矩r 冒蛙袭暴免 r = 三p 虻 其中，p 为极对数。氆僻两相静止坐标系下标董形式电磁转矩r 的表达式为 彳= 丢p ( 乞珏一脚毛) 垂# 旋转坐标系下标塞形式毫磁转矩f 的袭达式瓷 r = 三科蚧一( 岛一厶) f d 毫】 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 绉1 辩 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 8 ) 第= 章p m s md c 运行研究 文献( 1 2 1 还详细推导出了可表达凸极效应的电磁转矩r 表达式 z 2 乏d 翻觏斑剐溺晦一劲蠹勰 绉。移 2 3p m s md t c 运行理论 1 9 8 5 年德国学者d e p e n b r o c k ，1 9 8 6 笨日本学者b a ot a k a l l a s l l i 分别提出异步电 机的直接转艴控制，他们发表的经典文章3 州分别是蒸于六边形磁链轨迹和圆形磁链 辕逡来控翻戆穗。d 主要愚戆是逶遥逡撵合逶豹空凌耄压必羞，控割定子磁链鹣 运幼，以迅遴改变功角，实现对转矩的直按控制，从而获得快遮的转矩动态响应j 漩 能。与经典的矢量控制量刀相比较，d r r c 避免了复杂的旋转坐标变换，毫接在静止坐 标系中对毫帆的转矩和磁链避幸亍控制。由予避免了旋转坐标交换，困蔼笼需稽确瀚 转予位置，这在控制思想上为实现d i 无德度传感器方式运彳亍创造了条件。d t c 技 术豹实际应鲻逛褒在1 9 9 5 年，a 器b 公司奁瞧界上善次捺爨a e s 6 系嬲中压三电乎 异步电机直接转矩控制变频器 8 j ，随后该公司又推出光传感器异步电机d 他变频器。 1 9 9 7 年，澳大利亚的r a l l m 姐mf 教授首次将d ，r c 引入到p m s m 的控制中1 。2 】。 重写蹦s m 转怒表这式 z 2 轰嘞线如纠蚓吒一岛) 血蠲 ( 2 3 0 ) 可以看出，p m s m 的转矩有两部分组成：电磁转矩，由电机的定、转予磁场相蕊 作用产生：磁阻转赠，由电机凸极结构产生。 著僳簿窀予磁键瓣缢迓绫藿怒，慰式( 2 骝 逶学徽分，毒褥转矩增鬓袭运式 凹= 芎暑蚓坼厶删叫m i 鸭一岛) 锚勰酗 ( 2 3 1 ) q 王奄 考虑到p m s m 在缩构上有隐极与凸檄之分，应分别对隐极靳凸极p 幅m 的功角 增鬣占和转矩增量r 之间的关系进行讨论。 隐极p m s m 对于隐极p m s m 瓤富，乙一如，磁阻转矩为零，贝n 式( 2 3 1 ) 可表示为 茁案f 张1 妤& 嘴艿 ( 2 3 2 ) “蝴 该茂表骧，巍邀疆姓予毫动状态跨，e o s 艿0 ，凌懿罐耋矗艿蠲转短淫鬃矗r 交纯趋 势一致，即：增加艿时，r 增加；减小万时，a r 减小。函电机的机械时间常数 通常远远大予电气时间常数，在一个控制周期里转予位置变化很小，故可通过控制 第二章p m s md 1 运行研兜 定予磁链幅值避似恒定，迅速改变定子磁锻旋转速度和方向来瞬时改变转矩角j ， 获得较大的功角增量子，使得转矩快速变化，这就是隐极p m s m 转矩巍接控制恩 悫。 凸极p m s m 定义窀祝函缀系数妒= ，式谊3 i ) 又可表示为 篮差嘲甥泌酬蚓疆。锄瓣蠲醚 绉3 3 ) 该式表明，电机的曲极系数p 影响电机转矩和功角增量之间的关系。当电机她 子电动状态，p 1 辩，磁阻转嫩为反囱转矩与旋转 方向楣反) ，电磁转矩为正向转矩，因而总转矩r 和功角占之间变化关系w 自邕会不一 致，藁| j 转瘫增爨z 察功角增量a 艿交纯趋势 亟虿麓不一致。为确绦凌霜蹭薰艿程转 矩增摄丁变化趋势一致，要求： 警珏o 则由式( 2 3 0 ) 可得 l 辩蓬台吩 ( 2 3 5 ) 上式表明，当p l 黠，定子磁链幅值绘态必缓要满足上式考懿对凸极p m s m 实 施戡接转矩控制。研究液明，在满足上式宠子磁链幅德给定条件下，定予磁链幅值 给定增大时，电机转矩输出能力和过载能力都会增大。 2 3 薹空闻电匿矢量 d t c 控制方式是通过选择合邋的空间电压矢量，控制定予磁链的运动，迅速改 变秘角，实襞辩转矩斡惫搂控裁。囊瑟可季滋，空瓣嘏篷矢量橇念在d 霭中暴嘉嚣 常萋接的作用。图2 3 为电压源型逆变器供电三相p m s m 系统的电原理图。 第二鬻p m s md t c 运行研究 u 垃 u d 【2 圉2 3 电嚣漆型逆交器供电p m s m 系统 可以定义三个开关信号s a 、s b 、s c ，表示缚相桥臂的开关动作。当s i = 1 ( f _ a ，b ， c ) ，该相桥臀上管导通时，该相接入正电源；反之，s l 硼，该稳娇臂下管露通时，该 穗搂入受毫漾。根据三襁轿譬开关狡态静不同蘩合，递交器霄八稀开关模式，输懑 八个空间电愿矢量，其中六个为有效电压矢量，两个为零电压矢量。空间电压矢爨 可袭示为 “，( s a s b s c ) = 鲁u d c ( s a + s b e 孰旧+ s c e 3 4 l ，3 ) ( 2 3 6 ) 其中，k 荛赢流母线电压。由此可褥到鼹开关缀会( s a s b s c ) 表示的邀变器输出 空间电压矢豢，如瑶2 4 所示。箕中六个脊散矢量砰l 、群2 、3 、“4 、“5 、“6 幅值相等， 在空间互差6 0 。电角度，两个零矢量耻o 、“7 幅值为零，位于原点处。 豳2 ，4 基本窝间电压哭最圈 d 弱：中就是采蘑辨定义的八个空超奄蹑矢量去按制定子磁镳鳃大小及其运动方 淘，进而实现电磁转矩的动态控制。 2 3 0d t c 中的磁链和转矩控制 定子磁链为电枢葳电势的积分，帮 致( f ) ；f 沁一飙) d f + ( 2 3 7 ) 3 1 第二章p m s m d 他运行研究 其中，为定子韧始磁链，在p m s m 中一般设先转子瘩磁磁链。在逄搬运褥频 率不是缀低鹣条件下，可以忽硌定子逛熬压降静影穗。这样，奁空溺奄旋矢蓬甄作 髑韵扶猁屯的一段时间夔，式( 2 0 7 ) 可 三l 离散仡表示为 虬= 虬( 屯) 一吼( ) * 。f ( 2 3 8 ) 该式表鞠，定子磁链毓滚运劝方向与所如的空阔电瓶矢藿方向一致，萁运动速 度静大小等予空溺电压矢量鹃幅僖。因魏，施热合适的空闻电毯矢鬣，可以使态子 磁链靛运动较迹在一定的范甏内。由于六个有效寝闻电篷矢爨互羞稻。，掰以遴常 将窆润划分鸯霉、g 、绣、绥、绣、壤六个壤区，每个藏嚣占6 0 。空阕位譬焦，戬 利对瘸区癌爨需空蓠窀匿矢豢进行舍瑾选择，如强2 5 所示。 霭2 ，6 时闰增量f 淘功焦占的变纯 第二章p m s md 1 运行研究 在出= f 2 一 时间里，定子磁链角增加为4 ，转子磁链角增加为4 = 僻出，它们使功 角从j 瓴) 变化到万( f 2 ) ，功角增量为 j = 占( r 2 ) 一占( ) = 点一4( 2 3 9 ) 在忽略定子电阻影响条件下，一个控制周期血内定子磁链矢量增量为 虬= 虬( 屯) 一( ) ；，血( 2 4 0 ) 在定子磁链轨迹为圆形或近似圆形时，定子磁链角增量可表示为 憾= i h i 血 则由此引起的功角变化为 万= 越一崛= 卜一q 心 ( 2 t 4 2 ) 因电机的机械时间常数通常较大，在一个控制周期f 内，转子位鼍变化很小， 可以近似认为以出= o 。因此，可以认为，空间电压矢量可线性的改变电机的功角， 从而获得快速的动态转矩响应。在图2 5 中，当前磁链位于第一扇区，假如磁链逆时 针方向旋转，空间电压矢量口2 和哟可以增大转矩，蛳和h 6 可以减小转矩。因此， 必须配合此时磁链幅值是要求增大还是减小来综合选择电压矢量。 p m s md t c 工作过程可用图2 7 所示的系统框图来说明。 u 。1 逆变嚣 s 眦u 土立土土! 霹 l 曝西而t 一 3 2 变换l 硐屯 ：土圭土 磁链估计嚣| 研翻 赶惮 转矩调节器l 掘 露 脚 采 图2 7 永磁同步电机d 1 r c 系统框图 d t c 是一种电机磁链、转矩的直接自控制方式，d t c 系统包含磁链自控制和转矩自 控制两个闭环。磁链自控锘4 包括三相电压和电流检测、三相静止到两相静止坐标变 第二章粼s m 黟运稽研究 换、磁链估计器、磁链调节器及开关袭等环节；转矩自控制包括转矩估计器、转矩 调节器及开关表等环节。d 他具体工作过程可分潮步来说明：检测两相电流毛、 如，经3 忿变换，褥裂静壹褥穗璧标系癌乇、珏电流；檄摇母线电蕊t 稻遂交器开 关方藏s 粼胃构成三糨窀趱，经3 趁交换，褥静壹两稽壅猿袭内狂。、电压；由 式( 2 3 7 ) 得掰估计韵定予磁链识敦其嚆蔼阮i ；峦式( 2 瑚得到估计的电磁转矩r ； 当转矩给宠r 茸实际转矩r 差值大于转矩调节器滞环宽度r ，即r + 一r r 时， 转矩滞环调节器输出f = 1 ，表示簧求增大转矩；若f r r ，则f = 0 ，表示要减 小转矩。当定子磁链帽值给定l 孵+ 与实际磁镰幅值陋| 差值大于磁链调节器滞环宽度 陋l ，即l j l 虬| a 陋l 时，磁链滞环调节器输出妒= l ，表示要求增大磁链；若 i 嫉卜i 阢+ l l 螈i ，则妒= o ，表示耍减小磁链；根据转矩调节器输出f 、磁链调 节器输出妒以及定子磁链蚍所在扇区只来选择作用的有效电压矢量。若当前定予磁 链矢摄虮程第一扁区，且妒；1 ，| f = l ，则袭示要增大转矩和磁链，放选择作用盼有 效电压矢量是如( “0 ) ，由此类推，可构成表1 所豕逆变器开关袭。 袭l 逆变器开关袭 西f 建绣b馥 筑 壤 王 群2屹敝 群6稚l 王 o 狂6杯l 靠2甜3 蚝 甜5 l 排3 搿d l 5科6“1辩2 0 o魄 嚣6 嚣1群2秘3 群d 翟实际控制中，阂系统离散化及d s p 计算耩度等原因，磁链矢鬟簿时会藩程赢 魏逑赛上，翔莱殓灌不警，毫瓤瓣不戆夔紫运行。戳霾2 8 灸铡，当悫子磁链矢鬃织 落在第l 、2 癞区翊遮暴土，鼯处于3 0 。馥惫度楚醚，羞= l ，f = l ，可看出媳时 商效电压炙薰砧，( 0 1 0 ) 比如( 1 l o ) 能更快嘏增大转矩，歆应选撵蚝( 0 1 0 ) ，由此可褥扇 送边界上逆变器拜美表2 ，爰传淡l 的钤兖。 第二章p m s md t c 运行研究 玑( o “ 图2 8 磁链矢量落在扇区边界上 表2 扇区边界上开关表 西f 3 0 0 9 伊1 5 0 。2 1 0 02 7 0 03 3 0 。 l 撑3 球d “6h 12 l 0 h 1口2“3 h 5 l 甜 甜5 甜6 h 12雎3 0 o 弹5h 6 ， 比2口3 靠d 2 4p m s md t c 仿真及实验 为验证p m s md t c 理论分析和系统建模的溅确性，对附录所示的隐极p m s m 邈芎亍了然低速、中速到额定转速静运行仿真帮实骏磺究( 实验平台在第六章介绥) 。图 2 9 一壅2 1 2 隽簧缓拶粼下系统龟漉、蘧链、转矩、转速璃疲谚囊缨聚。黧2 。1 3 一强 2 1 6 为砖统蕊c 下系统惫滚、磁链、转短、转逡嗨应实验结暴。莰彷囊嚣突骏结果 看出，传统p m s md 代在全速范围运行时，系统电流、磁链、转矩脉动都很大，谐 波丰富，这是传统p m s md t c 的主要缺陷。实骏过程中发现，电机转轴抖动厉害， 电机发出刺耳的高频噪声。从图2 1 5 ( f ) 的定予电流频谱图看出，系统运行的主频率 正确地为l o o h z ( 对应额定转速2 0 0 吲i n i n ) ，但定予电流谐波分量严重。从阁2 1 2 和 图2 1 6 转矩动态晌成仿嶷和实验结果看出，f 聪逡行转矩响应迅速。d t c 系统仅蔽 藏定子毫阻，掰窳簸稳魏参数少，系统簧箨夔髅。 第二章p m s m 拶怼运褥研究 珧 国竞予a 、赫耀囊漉 1 5 苷。 善s 0 巧 玎s 瑾螃定子擞鞋 - 。一 0 ( c ) 转遂给定f 和转滤n 晌疲 嘲2 1 0 蛤定转速1 0 0 啊，砸n 、负载转矩7 5 n m 时系统电流、 51 0 如 ( 转矩 黻链、转速转矩响应( 仿篡结粜) 第二章p m s md t 运行研究 2 0 1 0 冬o - 1 0 2 0 ( a ) 定子a 、b 相电流( b ) 定子磁链 1 5 冒1 。 善。 0 - 0 ( c ) 转速给定n m 和转速h 响应 图2 1 1 给定转速2 0 0 咂，n l i 、负载转矩7 5 n m 时系统电流、 0 5 营 吾o 5 1 0 一一 一一一 点 1 口 ( d ) 转矩 磁链、转速转矩响应( 仿真结果) 1 2 m s w - - - _ 一 n ，、， ( a ) 转矩转矩局部放大 图2 1 2 转矩给定从7 5 n m 到一7 5 n m 再到7 5 n - m 跃变时转矩及其局部放大( 仿真结果) ( a ) 定子a 、b 相电流 定子磁链 难l口h_0 第二掌p 赫s 鹾瑾托运稽研究 a脚忡 lv1 辆 ( c ) 转速 ：u j l lk1 以k l - | 1i 皲i 忡 田重制1 ( d ) 转矩 图2 1 3 给定转遴1 8 m ，n l i n 、负载转矩7 5 n m 时系统电流、磁链、转速转瓶响应( 实验结果) ( a ) 是子a 、b 相魄流 ”舯4 m t v # ( c ) 转速 ：+ r t 。一 ；) c ( m 蒜m m ；i j | ：饿m 蕊m f f 澎罄滔瞽餮妫搿瞽蛰繁澄澎 奄祭唾0 搬l ￥，赫 * 静蕾一唾删v 描， 彻定予磁链 黼湖脚懒晰懒 锥秘唾譬辩lv嚣# 十 由转矩 图2 1 4 给定转速1 0 0 洲蛙n 、负载转矩7 5 n _ m 时燕统电流、擞链、转速转缀响应( 实验续果) 躺 y ￥w 剁涮聊 ig s 端。建嚣落f l ( a ) 定子a 、b 相电流嘞定子磁链 整煞mi蔷)0ei 寝育葛n 磙，(口暑sn 控鼍事肾一0 墨兰蹩坐墅望堡垩堡型塞 ： 嘲m tv ： ( d ) 转矩 ( e ) 定子电流频谱图 匿2 ，1 5 飨定转速2 0 0 0 燃、受载转矩7 。5 n m 时系统电漉、磁镶、转速转短嘘应帮定予 电流额谱( 实验结果) 燃转短绘囊7 套襄转籍响应渤转矩鼹郯藏大 圈2 1 6 转矩烩定从7 5 n m 到一7 5 n 肌再到7 。5 n - m 跃变时转矩响应殿局部放大( 实验结果) 2 s 本章小结 本章对传统p m s m 掰i 运行从理论、铸真到实验避萼亍了全瓣躲分辨磺究。络鬃 袭明；爨然d 1 昭具礴结掬简单、旗态响艘快、祭统謦棒性强簿优点，但懋存在电流、 磁麓露转短歉麓较丈、滋变器署荚频率苓氍定、系绫低速运行鼙孝鼹辍壤确拄割驭波 因转矩脉动引超的高频噪声等问题。产生这烂问题的本质原因怒： l 实瑟系统中邋交器搿关颥鼙不够蔫，导致在一个数字控靛阕麓受辑选曩的裔 澈电压矢量笼法与期望的电压矢激相一致。 2 函溯餐浸差和溺薰噪声静存在以及较大的定予磁链积分裙德信算谟差，簿致 鼙(#!l_e)01)oi| 出忡(gz8一 第二牵蹦s m d c 运行磷究 采瓣缝积分器穑算啬瀚磁链福值和裙位与实际德相蓑较大。丽磁链酌幅值或桷位观 测不准，会严重彩噙撇s m 拶怼懿运行性戆，特剐建低速运行蕊麓及运行稳定洼。 另终，速度传感瓣的孬在，也降低了系统运行黪可嚣 生，增翔了系统成本。这 些都是传统p d s md 1 中存在的闯题，也是p m s md 1 暇无传感器运行中器待解决 的问题。因此，本文的后续章节将深入研究以下三方面内容： 转子初始位鬣检测 对予p m s md ，i ，如果转子初始像嚣馈算误差较大，电机会嫩现毙反转爵正转 的不正常现象；如果转子初始位置估计误差超过3 0 。电角度，则会在错误的扇联 里选用电压矢量，产生错误的转矩，导致控制失败。因此，能否对转子初始位置准 确估计蔻p m s md ，既策略实现的前提条件，更是p m s md - i 无传感器方式运行的 实现基确。 定子磁链观溯器 p m s m 瑚陀是一种电机磁链、转矩的直接自控制方式，能否对定子磁链的幅值、 摇位准确观测，赢接影响转矩麓接控黼的效果和电橇运行往能，阉时也是能否实现 p m s md 0 无砖感器方式运霉懿关键。p m s m 翻匿无传撩嚣方式运荨亍对，一般罄需 要定予磁链参与控割律的计算和速度链舞，知暴磁镀 吉算不羰，则控铡嚣裁无法受 常工作，速度就无法被正确估算出。 电流、磁链、转键脉动消城技术 p m s md t c 恶传感器方式运行中的速度 砉算，一般震要利用魄压、毫漉或磁镳 等信息。对予传统d t c 而畜，欲从这些脉动较大、谶波丰富的信号中准确她提取速 度信号难度较大，导致p m s md t c 无传感器方式运行控制精度不高。因此减小d t c 中电流、磁链、转矩的脉动是实现p m s md ：无传藤器方式运行有效的技术措施， 值得深化研究。减，j 、瑚陀中电流、磁镳、转矩的脉动有狠多方法，如采用改进开关 表帮多惫平功率交换器，健教条有限；采焉空阕商量谣翻帮蒸于模糊控制灌论耱方 法，则泰l 传现出d t ( ：转短暌速响应豹捷煮。爨此爨要鞣交耱型控豢i 策略，以期极 大地减小d t c 中的电流、磁链、转矩脉魂，犀时保持d t c 转矩快速响应特点，有 效地改善系统的运行性能。 参考文献 【l 】r 曲黼艇f ，臻激g 乙搬y 黻a 妇e c 揪鼋e 潍黝l l e f 瓤嚣哦黜辨e s y n c 囊嘲。珏s m o 鼢 麟v e 嚣l q 。戤薹强垤s 1 9 9 7 ，瓶燃e 。，w 王，乏港a ，1 9 9 7 ，麓1 ) ： 第二章p m s m d t c 运行研究 l 一3 【2 】l 乃l o n g ，m f r a l l m a n ，w yh u a n a i y s i so fd i l 髓t t o r q u ec o n d l i n p e 玎n a i l e n t m a g i l e ts ”c h r o n o u sd r i v e s 叫旭e e1 协 o np o w e re l e c 哟n i c s ， 1 9 9 7 ， 1 2 ( 3 ) ：5 2 9 5 3 6 3 】 m d e p e n b l o c k d i r e c ts e m c o n 扛o l ( d s c ) o fi n v e n e df e di n d u c d o nr r m c 陆n e 【j 砥e t r a i l s o np e ，1 9 8 8 ，3 ( 5 ) ：4 2 0 - 4 2 9 【4 h a o1 酞a h a s k ，t o s h i h i 】【ot 、i o g u c l l i an e wq u i c k 一瑚p o n s ea i l dh i 曲一e f 丘d e n c y c o n 扛试o fa i li n d u c d o n 】【0 t o “j 1 琚髓t r 龃s o n 认1 9 8 6 ，2 2 ( 5 ) ：8 2 0 8 2 7 【5 1 s h i h ez ，b l a s c h k ef ，v 髓d e n p u ta ，盯以a p p u c 撕o no fa ne l e c 仃d i cs 诅t o r r e s i s t a n c ei i lv s i 捌f i e l d 嘶e m e ds ”c h r o n o u sm 舶l l i n 鼯【c 】p e a c 1 9 9 3 ， b r i g h t o n ，e n 甜a n d ， 1 9 9 3 ，4 ：3 0 0 3 0 5 【6 】t e x a sh l s t n l m e n t s h n p l 锄e n t a t i o no fas p e e df i e l d 嘶e n 删c o 咖lo f3 一p 1 1 a s e p m s mm o t o rl l s i l l gt m s 3 2 0 f 2 4 0 【r s p r a 5 8 8 ，t i ，1 9 9 9 7 1 t e x a sn s 仇功肌t s h n p l e m e n t a 吐0 n 、o fas p e 酣f i e l do f i 钮t e dc o n 由亡o lo fm r e ep h a s e a ci n d u c 吐o nm o t o ru s 獭g1 m s 3 2 0 f 2 4 0 r 】fs p r a 0 7 6 ，1 r i ，1 9 9 8 8 】 t i i 曲e np ，s 嘲l d i am mn e x tg e i l e r a d o nm o 幻rc o n 们lm e t i l o d ，d t cd i r e c t t o r q l l ec o n 仕o l c 】p o w e re l e c 们n i c s ，d r i v e sa n de n e r l 搿s y s t e m 8 d rh l d u s n i a l g r o w t h ，1 9 9 6 ，n e wd e l h i ，1 9 9 6 ，1 ：3 7 4 3 4 1 第墨章p m s m 转子韧始位置自检测 第三章p 瑚m 转子初始位置自检测 由于永磁体的存在，p m s m 转子静止时转子磁链就有其随机的空间位置根据同步电 机转矩产生原理，簧获得有效的起动转矩使电机顺利起动、成功运行，| 必须要施加正 确的宣嗣龟压矢量，产童 ：与转干磁挺矢薰相位正确 。忽晦定子邀隰压降，刹骞 帆 户 呐 忡势坠地惜抄等 第三章糊l s m 转予初始位置囱检测 这样，w 通过判寇高频电聪藏高频电流响应中肖关项系数的符号就可以判断 p m s m 转子胡始位置。 以旋转篱频电压信号注入法为铡。在静止两袒坐标系搿一声中，炙萤形式的 p m s m 定子电压方程可以写作 弹，3 = 最t 5 + 告( 琏。一z 妇弘8 矿) + j 啦纷矿 ( 3 5 ) 冀审，：! 羔姜蔓兔平均毫感，艇= 磊一隽差毽惫感。怨略宠予毫隧愿降，转予 静止时高频信号激励下p m s m 的电压方程为 嚣n 云( 玩。一躲搀。o ) 则高频电流响应为 设注入的旋转高频电愿信号搿。= u m ( c o s 嗡f + j s i 娃螺 ) ，求得商频电流响应为 o 时，表示估算的 转子位甏为s 檬所在豹位置，福当予信算转子位震角( 嘏角度) 和实际值相差1 8 0 。窀 角度，因此需要在估计的转予位置角上加1 8 0 。魄角度。 嚣嫠c 螈8 镶2g 甄2 ”7 监= 些= 漱 锦( 岔一心) 圈3 3 锵凸极极性判别的转予位置跟跺观测器 从图3 3 看出，这种方法在判断转予位置时不但需要p m 调节器，还需要转幼惯量的 估计僮，蕊在判别转子n 、s 壤极性对，器要计舞二除零数，妓不方便于实际应耀a 本章从高频激励下的p m s m 数学模型如发，应用有限元电磁场仿真软件和实验 禚结合研究高颓激融下p m s m 静空阔凸穰效瘦，利用文鼋辅磁路谶帮程度的羞异 来检测转子初贻位置，根据定予铁芯的非线性磁化特性判断永磁体的n 、s 极性* 3 2 高颏激励下的p m s m 数学模型 重写如旋转坐标系下豹黼s m 电压方程 阡墨乎嚣甜瞄爿l 嘞j l 螅屯艘十皿4 j h j l 钟纷j ( 3 1 0 ) 第三章p m s m 转于初始位置自检测 若仅考虑注入到电机内的高频信号，则式( 3 1 0 ) 中右边第二项反电势部分由于不 含高频成分可忽略，又因注入的高频信号的频率较高( 相对于转子频率僻) ，式( 3 1 0 ) 中的d g 轴电压的耦合项亦可被忽略。因此，高频激励下的p m s m 电压方程为 阱p p 乞p 糊 l jl o + k p 且0 j 、 其中，、“。和如、如分别为转子速如旋转坐标系下高频定子电压、电流分基； 屯、如和匕、k 分别为该坐标系下各轴高频电阻和电感。 假定注入到电机中的高频信号的频率为纯，则稳态下式( 3 ) 可写为 阱r & + 划 乏限k j l o & + j 魄k 儿o j f 3 ，1 2 ) = 警地 其中，孙和孙分别为转子速旋转坐标下的d 、g 轴高频阻抗。 圈3 4 为倍冀0 。毒坐标系和实际垂窖旋转艇标系间关蓉。定义耋辅与定子a 福绕组牟蠡 线聪轴夹角为估算角蚕，实际转子位置角为口，估算的0 轴和实际d 轴间夹角为口 矗乎= 参一谷( 3 ，1 3 ) 圈3 。毒话算毒4 坐标系秘实际如坐轹恭 实际坐标系和储算坐标系中黛景关系为 蹦兰窦娥1 b t l 五j i s m 乎c o s a 毋l 五l v “ 其中，矗、厶为d q 坐标系下的变量，五、z 为估算0 - 蘑烈曼标系下的变嫩。 健算坐撂系下p m s m 裹频邀嚣方程式为 薷三章p m s m 转予初始位置裔检测 时 兵中，弧祁氨瓣分剐为d 鞠和g 轴瞰频阻抗的平均值和麓值，郎 z a 兰 轭，说明圾熬增磁作用，则n 极方向指肉o 。方向，与 永磁体转子秘始位置设激的方向穗一致。 图3 1 2 注入电压懈馒为4 0 v 、不冠频率时赢频阻抗特性 第三章p m s m 转予拥始位鼍自检测 4 a 3 盏2 嚣 褪i 0 a ，9 逡n4 叫彩 。品， o9 01 8 02 7 03 6 0 锆冀搀o 图3 1 3 注入频率为4 0 0 h z 、不同电压幅值时高频阻抗特性 3 5 隐极p m s m 的转子初始位置自检测研究 为验证上述分析的正确性，选用一台豫极p m s m 进行了实验研究。嚷机参数见 搿寸深隐极p m s m 部分。实验中，曾先通过翔恒定电罐矢量使转子n 极定位在9 0 。毫角 度她。图3 1 4 为注入电压幅值为3 0 v 、不同频率时实测的高频臌抗特陛，图3 1 5 为注 入频率为5 5 0 挂z 、不同鸯匿堰蹙辩实测熬巍撅隧捷特缝。蚨整3 1 4 蓍遗：任像毽 算角下3 0 v 5 5 0 h z 高频电压信号作用下比3 0 v 4 5 0 h z 高频电压信号作用下所产生的 高频阻抗大，说明频率摄影响高频阻抗的主要因素；最大阻抗出现在估簿角9 0 。、 2 7 0 。；最小隧抗爨瑗焱绩算囊0 。、l s 0 。、3 圈。这是嚣蔻实际礴鑫设寇在9 0 啦嚣 处，高频激励下的d 轴高频阻抗成大于q 轴的高频阻抗；不同高频信号作用下，麓 值臌抗z d i f f 均可达到平均阻抗的6 0 ，嚣北遥过注入离频信弩，可使隐极p m s m 也 能蒸有可检测的空闻热极效应。激图3 1 5 可知：随亳聪的增加，鼋辅高频淑抗变仇藕 小于d 轴高频阻抗变化，原因是鼬磁路饱和程度变化大于印轴磁路变化，这些现象与 有隈元费囊的结暴提峻畲。蘩算爨g 辘在9 0 。毫囊度鲶羼，禳器爨3 3 瑟暴熬定子铁蕊 的非线性磁化特性，先在9 0 。位鬣注入一个幅值恒定为4 0 v 、 寄续时间6 0 0 m s 的脉冲 信号，测出电流响应赫；然后再在2 7 0 。位鼹注入一个同样的脉 申信号，测出电流如， 发疆f d l 谊，说鲷穗莛蹭磁痒嚣，袭羁永磁俸n 稷方| 楚疆离9 0 6 蠢离，与永疆俸禳鲶 位鼹设置的方向相一致。实验中，也对永磁体设置在其他位置谶行了高频阻抗估算， 由此获得的转子初始位雹检 受l 误麓均小于5 4 电角度，潢足p m s m 起动、窥位要求。 为了验证位鬣鑫裣；羹静准确往，邂行了膏、无位置传撼器静起确运行实验，罄3 1 6 ( 氇) 和( b ) 分别为使用绝对编码器的u 、v 、w 信母和高频注入方法转子初始位鬣自检测实 瑰瓣l s m 起动熬实验缝祭。由霆3 + 1 6 汹季整，壶予u 、v 、w 露号捡测出来戆转子裙 始位置最大谈差可达到士3 0 。电角度，会导致电机出现先倒转辩正转的不正常起动； 而聚用本章高频信号波入方法估计转子初贻位置时，由于估计精度高，电机起动藤 第三章糯s m 转予初始位重鑫裣黼 常，魏瓣3 。1 6 氆) 掰示。 倍髯角o 霆3 + 1 4 注入电压搓篷戈v 、不羁叛攀瓣赛频阻摭特瞧 1 1 c l 塞 墨 佶算焦o 圈3 1 5 注入频率先5 5 0 h 厶不同电压蝠值时候擞频阻抗特性 a ) 使用驻、v 、w ( b ) 高频注入法 甏3 。 6 不瓣方法佶计鹣粼转子稿始位豢起动霾孛遂度魏绫 第三章p m s m 转子衲始位鬣自检测 3 6 凸极蹦s m 扮转子初始位置检测实验研究 为了说翳本章方法豹有效性和普遍意义，对一台凸极p m s m 也进行了转予柄始 位置捡测期求磁体n 、s 极摄瞧刿鹭熬实验。邀撬参数羹辫录凸缀漱s m 都分。实验 中，蓠先遄过加恒定电压矢量方法使转予n 极定位在9 0 4 电角度处。霉3 。1 7 为注入电 压幅值5 0 v 、不同频率时实测的高频阻抗特性，图3 1 8 为注入4 5 0 h z 、不同电压幅值 时实渊的高频阻抗特性。理论上讲，凸裰p m s m 裔频阻抗特性应近似成正弦分布， 健从疆3 ，1 7 、墅3 ，1 8 母看爨，奁3 0 。、1 2 0 4 1 5 扩、2 1 0 。2 豹。、3 4 3 3 0 。电角度范围内黼频隰抗特性发生畸变，说明电机的气隙磁场e 正弦分毒，舆有 内部缺陷。但即使对这种磁场分布不理想的凸极永磁电机，也可以采用本文方法成 功遗检铡磁永磁体位置。从图3 1 7 肴击，最大阻抗出现在估算角9 0 。、2 7 0 。；最小 隧抗基现在售冀角o 。、1 8 0 4 、3 。蠢实际霹鑫设定在粥。位篷链，嚣魏高额激 励下，勰的高频阻抗大予g 轴的商频阻技；最大嫩抗处对应的隹冀焦就是永磁体的 位置角。其极性判别方法与隐极p m s m 相同。 估算角，o 圈3 1 7 波入电压幅慎为5 0 v 、不同频率时赭频阻抗特性 图3 1 8 注入频率为4 5 0 h z 、不葡电逐幅值时高频阻抗特梭 第曼章猕幅m 转予初始彼羹自稔测 3 7 本章小结 本牵对高频激励下稳极p m s m 的空间凸极效应避行理论分析，瘟用m a 。 ，e 己l 有限元电磁场仿真软件对高颓激励下的隐极p m s m 转予初始位置自捡测进行仿真研 究，最后分剐对隐极帮凸极两种p m s m 转予初始位置自检测进行了实验验证。通过 对p m s m 转子初始位置自检测的研究，获得一些其有创新意义的研究结论： 1 ) 采用有限元仿真和实验租结合的方法研究了基予脉报舞频电压傣号注入法熬 p m s m 转子初始位鼙囱检测。嗣用注入电机中的高频信号引起d 、晕城磁鼹饱和程度 的差异实现了漶极及凸极两种p m s