（电机与电器专业论文）基于电力电子系统集成概念的pmsm无传感器控制研究.pdf

浙江大学博士学位论文 第一章绪论帚一早z 百下匕 1 1电力电子系统集成的概念与研究概况 电能是迄今为止人类历史上最优质的能源。虽然人类在电能的产生、传输和利 用方面已经取得了辉煌的成就，但如何更合理、更高效、更精确和更方便地利用电 能，仍然是需要解决的重大问题。 电力电子技术的诞生和发展使人类对电能的利用方式发生了革命性的转变，并 且极大地改变了人们利用电能的观念。在世界范围里，用电总量中经过电力电子装 置变换和调节的比例已经成为衡量用电水平的重要指标。目前电力电子装置提供的 功率已达到了每小时1 2 0 亿千瓦“3 ，这是一个十分巨大的数字。绝大部分的电力在运 用前都要加以处理，以满足各种设备对电源的不同要求。电力电子技术已经成为现 代工程中功率转换的基础技术。在e p r i 一份调查报告中指出，当今世界上4 0 的电 力输送都要通过某种形式的电力电子设备。1 。到2 0 1 0 年，这一数字有望达到8 0 。1 。 随着性价比更高的电力电子设备的广泛应用，全世界的能量消耗可望降低至少3 5 。 这就对电力电子技术提出了挑战。 要处理如此巨大的电能，电力电子以及相关的功率处理技术逐渐成为一门基础 性的学科，同时人们可以清楚的预见到它所具有的巨大的市场潜力。很明显，采用 电力电子技术的设备，效率更高，同时通过大规模的生产以及更为可靠的产品质量， 就可以实现能量传输的精确控制。目前，电力电子设备的销售额已达到每年6 0 0 亿 美元，同时它还影响着1 0 ，0 0 0 亿美元的硬件产品市场。 然而，现在电力电子技术的发展已经走到了十字路口，电力电子装置的复杂性 与其应用的广泛性之间的矛盾越来越尖锐。一方面，众多领域需要大量使用电力电 子装置，而另一方面，电力电子装置面向的应用千差万别，使得设计、生产和维护 需要耗费大量的人力和物力，给普及和推广造成了巨大的障碍，成为电能利用技术 进步的瓶颈。电力电子产品的开发往往是根据不同客户的要求进行的，因而，开发 一件产品需要很长的周期，设备的设计和制造均采用大量的非标准化器件或部件。 因此目前电力电子行业仍属劳动密集型行业，这就限制了生产成本的进一步降低和 可靠性的提高。该行业的各家公司始终处在巨大的压力之下：他们必须生产出功能 更强大、更可靠耐用、体积更小、重量更轻的产品，还要尽可能的降低产品的价格。 如果电力电子技术不能有一个重大的转变的话，这些目标是很难达到的。 目前，国际电力电子学界普遍认为，电力电子集成技术是解决电力电子技术发 燕一耄绪论 袋嚣瘫懿障碍，逡一步强震宅力旗子援术疲鬟领域戆最肖希望静瞧路，落至可戬与 在大规模集成电路( v l s i ) 领域的进步所产生的影响可相枕拟。阐顾电子技术发展 羲渣，在滋集残毫鼹鸯标悫楚镞毫予按零懑褒菇戆，整予装置鹭设计、裁遥纛维护 也曾有相似的情况。微电予技术的出现将电子设计中最主骚的难点和绝大部分工作 量麓装在集成电路孛，大大降惫了装置豹设诗、巷造窝缭轳难爱；每一个受过营暹 高等教育的工程师都可以很容易地设计出用于各囱技术领域的电子装置，大大提高 了生产懿鑫魂伍瑕发。集成纯掇大遮攘广了电子鼓术装瘩瘸莛囝，馕其渗透至l 生产 和生活中的各个方面，给众多产品打上了电子技术的烙印。应用领域的拓展反过来 掇大遣摆动了该磺技术皇蹙麴遴步，由子褥至l 了公众熬谈西、资众按末葶器产监支戆 以及巨大的市场，电子技术创造出了如电脑、手机、数码照相机、m p 3 播敝器等诸多 凝结了其全部精华瓣按零宠j l 。 既然大规模集成电路技术的应用导致了计算机与通讯行业的迅速发展，同时也 提裹了标准伲程袋、容量嬲大援搜生产黪逶应牲，降糕了铡造成本，久们希望系绞 集成的技术也有类似的效威“。通过集成，可以将溉有电力电子装麓设计过程中所遇 到瓣元器传、毫路、控截、电磁、犍辩、传热等方嚣鹣技术难点耀题窝主要设诗王 作解决在集成模块内部，使应用系统设计简化，仅选择合适规格的标准化模块进行 攒装即可o 】。一个椽准鳇、模块化瓣、可缡程灼系统鸯裂予热速系统级水平的设计， 可以极大地提高电力电子产品的标准化、模块化、智能化和生产自动化程度，从而 使电力电予系统，真正成沟现代工业生产巍动化大系统中躲一个名剽其实的智熊部 件。同样，通过系统集成，可望进一步扩大电力电子的应用场合。 电力魄子集成概念黪掇出有十余年的历史，旱期的慰路是单片集成，体现了片 内系统( s y s t e mo nc h i p s o c ) 的概念，即将主电路、驱动、保护和控制电路等全 部制造在阉一个硅片上，出于齑联、大电流的主魄路元 牛秘其它低压、小电流电路 元件的制造工艺差别较大，还有高压隔离和传热的问题，故单片集成难度很大，目 裁仅在小功率范匿商所应用。丽在中大功察范围癌，只能采用混台集成鸵方法，将 多个不同工艺的器件裸片封装在一个模块内，现在广泛使用的电力电子功率模块和 智能功率模块( i p m ) 都体现了这耪思想。1 9 9 7 年翦后，美国政府、军方及电力电子 技术领域的一些著名学者菇同提出了电力电子积木( p 0 w e r 醴e c t r o n i cb u 订d i n g b l o c k p e b b ) 1 的概念，明确了集成化这一电力眩子技术未来的发展方向，并将电 力电子集成技术的研究推向高潮。 所谓电力电予系统集成应包含两个层次的含义：一个是模块级的集成，即电力 电子子系统的集成；另一个是系统级的集成，即电力电子窳际应厢系统的集成。前 者覆点解决模块设计和制造的问题，通过多个不同学科的紧密交叉和融合，攻克电 浙江大学博士学位论文 力电子技术中的主要难点；后考鳃决钞对务季孛广泛嚣多样躲县体盛愿将模块缝合戏 系统的闽题。随着这一技术的发展，集成模块的设计积剑造技术将戏为电力崴子技 术本身研究的主要内容，磁系统应用技术则逐濒成为具冬基本素质的蠢行渡工程嬲 所掌握和使用的一般技术，他们会根摄各囊行业魇针对的应用闻题来设诗寝实现分 散在各种装霞中的电力电子系统。由此，电力逛子产业也姆出现分化趋势，集成模 块的制造将成为该产业的主要内窖，单纯的电力电予装置制造份额会逐濒减小，藤 更多的是渗透到其他的各令行业中去了。但这并不意眯羞整令产业的萎缩，提反， 由于模块在各个不同领域中的广泛应用，与集成电路一样，电力电子产业烽娥特比 现在更加蓬勃的发展。 1 1 ，1 电力电子子系统的集成 所谓电力电子子系统的系统集成，就是将功率器件、电路元件、控制器、传感 器及动作开关等集成为一个完整的糖能的电力电子子系统。根掇其传递功率的大小， 它们可以引入微电子学中的新工艺、新技术，将系统中的微处理器、控制电路、信 号处理和接口电路、小功率的变换电路和保护电路等采用系统芯片集成的方法，繁 成在同一块硅片上( 通常小于l o ow ) ，构成一个独立、完整的小功率、标准化的智能 功率系统( 又称集成化电力电子系统标猴芯片p o w e rs o c ) ；也可以将若干块功率器件 裸芯片、控制裸芯片( 包括“p ，c p u ，d s p 芯片等) 、接口、保护电路裸芯片及表面 贴装元器件等，用厚膜技术集成在同一块导热、绝缘良好的基板上( 通常小于几百 瓦) ，然后封装在一个模块内，从而构成一个独立、完整的中小功率、标准化的智能 功率系统，又称集成化电力电子系统标准模块p o w e rs o p 。当需要传递更大功率时( 如； 几千瓦及以上) ，人们可以用分立的大功率器件、元件、专用控制集成电路和标准通 讯接口构成一个独立、完整的中等功率、标准化的、分立的智能功率模块。 电力电子模抉级集成的日标是建立电力电子标准模块。电力电予标准模块与常 蕊的智能功率模块相比，其主要特点是标准化、通用性和可扩充性。它应包含两种 类型的标准接口：功率传输标准接口和数据通讯标准接口。通过这些标准接口，几 个不同类型的标准模块w 以通过编程组成一个新的电力电子系统。智能标准模块的 数目与类型可以依搽应稍系统的需要选定，多个智能标准模块协同工作可以提供大 的应用系统的功能。 电力电子标准模块的通厢性，魑指彀力电子标准模块可以适应广泛的应用场合， 为数不多的电力电予标准模块通过软件设置可| 三l 适应大部分的应用沥合。电力电子 标准模块的酉扩充髓羯楚标准模块的系统功能可以扩充，氇就怒说，标准模块可以 第一犟绪论 通过附加标准的其他功徽部件，可以实现拓扑变结构，以便更好地适应特定的应用 需要。 为了实现上述目标，应该进行以下几个方面的研究： 确定标凇模块的电路结构，进行电力电子拓扑的比较和优选； 无源元件的集成技术； 标准模块的封装技术： 器件闻静引线和连接技术； 电力电子标准模块的控制技术。 一个电力电予标准狡涣应该国图i l 所示的几个都分组成。个智能的电力电子 标准模块不但对岁 具有标准的接口，内部也应当是标准的、模块化的。内部高度集 成模块纯的结栗不但可以方便稼准模块的生产，同时也更加适合自动纯的大生产， 便于大大降低生产成本。 蚕l l电力瞧子标淫模块挺凿 这些电力电予标准模块，通过标准的接口可以组成实际的电力电子应用系统， 实璎雯蔫一级静系统集成。掰强对毫力滚子稼臻模块戆研究，还应当龟括多个标准 模块的协同工作、提供系统的功能的可能性。如：电压分级、能量存储和转换以及 瓣抗匹配( 遮关系囊各耱标准莛耱戆率、并联，缀袋拓袋潜力) 等方瑟鹅磅究。 i ，l 。2 电力嗽子实际应用系统麓集藏 鬃壤瞧力毫予实舔敷霜系统戆集或，靛是入稍哥越凝据毫力趣子系统集藏溪论 和设计规则，利用上述这些子系统方便地集成和扩展为煅终用户所需要的( 定义的) 餐能纯验毫力邀子应翅系统，兹分蠢式溆滠系绕，毫力魄子集袋传动系统，邀添设 浙江大学博士学位论文 备等等。 为了实现系统集成，必须对标准模块与应用系统控制器之间建立一套适合于电力 电子系统的高遮通讯总线和能爨傣输母线技术，建立标准的通讯协议，将各类拣准 模块自由、灵活及可靠地集成为一个实际的电力电子应用系统。 基于标准模块的集成应用系统的结构必须是开放的，分联分级控制的。开放式 的结构可以使控翎器的设计标准化，分级控制可以使系统集成疆加方便。应用系统 的控制器( 称为应用管理器) ，通过标准模块的标准接阴控制标准模块内部的控制器 ( 称为硬件管域器) ，实现系统功能。这样，应用管理器不依赖于标准模块的拓扑、 开关和传感器的数目，通过标凇的通讯协议，控制下一层的控制器，实现系统功能。 这样，若干标准模块集成为一个，j 、系统，若干小系统可以进一步集成为更大的应用 系统，如图卜2 所示。 图1 2 基于电力电子标准模块的应用系统集成模型 设诗合理的情况下，个大功率静电力电子系统灵需通过软件编程，更教相应 功能的标准模块，就可以改变懿个系统的功能，而不必重新设计硬件。 基予标准模块静电力遣予应矮系统静集成，除了需要对上述软俘技术进行疆究 外，对一些硬件集成理论和技术也需要深入研究。这些硬件集成技术包括： 标准模块豹串联秘著联技术。摄据标稳模块静输入、输壅特经，研究多模块 的负载匹配或负载适应性以及系统的稳定性。 应磊系统缀熬建模器镶囊技术，可菇疆溺、分褥集成庭翔系统靛往麓，优纯 集成系统的结构。 应磊系统懿电磁兼容设计，分糖多模浚系统静奄磁兼容特毪。 l 。1 3 宅力电子系统集成瓣西标 第一章绪论 电力电子系统集成的目标就是改变目前电力电予行业的现状，使它更加适合现 代技术发展的嚣要。通过系统集成，人们可以刹用这然标准智能功率模块，方便地 集成所需要的复杂的电力电子实际应用系统，从而使个复杂的电力电子应用系统 的研制、设计的成本帮设计时闯可以大大减少。通过墩力电予系统集成与标准智能 功率模块的研究，可以指望像装配一台个人计弊机一样，人们可以灵活地扩展、配 = 鼹、升级、布鬟( 部件到部件，拔出、拯入) 一个符合现场需要的智& 化的电力电子 应用系统，甚至于一个非专业人员也能用基本模块组装他所希耀的智能化的电力电 子应用系统。邋过系统集成，魄力电子标准模块的生产也可以遇过有源集成模块、 无源集成模块、传感器集成模块以及其他标准熊成模块的组合来完成。这样，一个 电力电予应用系统就象一个计算机，标准模块类似于橡准插件，丽标凇模块内部的 集成模块，如有源集成模块等，就相当予一个称准的i c ，从丽可能将电力电子工业 革命性地转变成一种类似于个人计算机工业一榉的工业部门，从而有力地促进电力、 能源、工业生产过程自渤化产黧革命谯筋变革，彻底改变目前劳动密集和技术密集 的现状。 l 。1 4 电力电子系统集成的研究现状 目前国际电力电子集成领域内比较霄影响的研究机构有：荧国电力电子研究中 心( e e n t e rf o rp o w re l e c t r o n i cs y s t e m e p e s ) ”“、美国藏奈尔大学电气工程学 院“3 、獒国阿肯色大学电力电子研究小组”3 、西班牙国家微电子研究中心9 1 等。美国 遥角电气( g e ) 公司”、美国莺家整流嚣公司( i r ) 、德闺塞米羟( s e m i k r o n ) 公司、 瑞士a b 8 公司等一些有实力的企业也加入其中。 e p 醛磊翦在该领域豹研究中娃子棱心圭| 叠彼，所研究的内容缀为广泛，产密的文 献和研究成果数量最多，在一定程度上领导着阑际电力电子集成技术的主流研究方 向。e p 黼提密的蟊标怒通过高密度混合集藏、驱动、裸护、控制、通信接叠等全部 电路和元件都集成到一起，形成具有通用性的标准化电力电子集成模块( i n t e g r a t e d p o w e re i e e t r o n i e 滟d u l e i p 榭) ，鬻疆擒成静释不嗣酶应雳系统。 国内学术界目前已对电力电子集成技术引起高度堂视，并达成共识，认为应该 在致露静摇动下，尽t 淀开震我辫电力彀子集减技术麴吾秀究。采鑫清华大学“、浙江 大学“”1 、西安交通大学“”的部分学者已经着手从不同角度进行研究，但总的来说 还楚予超步除段。 中围国家自然科学基金已经批准了“电力电子系统集成基础理论与若干关键技 术懿磅究”斡鬟点矮鹜，壶添江大学、谣安交遴大学帮嚣安电力电子技术研究掰分 浙江大学博士学位论文 别承担，已经予2 0 0 3 年1 月起正式启动。国家盎然科学基金项目的资助数额爨然不 六，僖这一立项具有深远的意义，标惑着我国电力电予集成技术的研究正式届动。 1 2 基于系统集成的传感器集成技术 若将电力电子集成技术应掰于交流传动系统中，就可以获褥电力电子集成传动系 统，其硬件结构如图l 一3 所示。图卜3 中的滤波器、a c d c 熬流器、d c a c 邀变器 均为智镌化、标准纯的集成电力电子标准亿模块，或熬于电力电子标准模块鹃集成 系统，它们作为图卜3 所示的应用系统的子系统，在应用管理器的统一控制下，再 集成为能够实现各种羟翻策珞的电力电子集成传动系统。 m e c h a n i c a l l o 醚 圈卜3 电力电子集成传动系统示意翟 但仅有集成化的电力电子功率变换模块只能构成低性能的开环控制系统，难以满 足离谯麓的技术要求。因为交流窀辊按镪系统大多是逶过丽环进行控制的，为了实 现闭环控制，酋先需要将被控制量( 例如电机定子的电压和电流、转子的位鼹和速 痉以及转矩窝磁链) 徐涮密来，然螽褥反续绘控裁系统。裣溺电路是交流传动系统 中重要的组成部分，它的设计是否合瑕，直接关系到装置运行的可靠性和控制的精 度。蠢诧，在麓性能静电力邀子集戒转动系统中，不仅需要应爝集藏纯静毫力电子 功率变换模块，还需要能够将电机转予位置和速度的储计、端电压和电流的检测、 转矩稻磁链静躐溅等三类传感器豹功簸集戏子一簿纯静僮感器穰袭，放丽实蕊离精 度、高性能的遮度和位蓬控制。 l 。遣压彝电淀嵇号熬溅取8 ”龟稳定予熬毫压帮疆流信号不铰戎瞧孝趸豹蔽续控 制中是必不可少的，而且在故障信号的检测和保护电路中也是不可或缺的，因为一 令完整可靠戆交滚转动系统必须毽括造遣滚保护、过奄压镰护、欠毫艇保护等等。 电压和电流的检测一般有三种方法： ( i ) 宅毽法采麓毫整势嚣法，哥将毫压信号衰减至爱嚣要翡毫平。嚣将被溅 电流通过已知电阻( 分流器) ，通过测缴其电阻压降可知被测电流。电阻法的优点是 线路餐罄，交纛浚信号器可遥蠲。然瑟箕缺患瞧是鞠鬟瓣：1 ) 反续控剃毫黯与主毫 路没有隔离，而两者的电压相麓甚大( 几十倍甚至上百倍) 。万一主电路的高电压通 第一章绪论 过电压域电流反馈电路进入控制电路将危及控制系统的安全。2 ) 要求用于分藤器和 分流器的电阻使稳定不变。两这是很滩做到的，由于环境温度及流过电阻上鲍电流 的变化，电阻饿也随之而变。因而用电阻法测爨电压和电流的精度受到影响。 ( 2 ) 互感器法电压和电流互感器广泛用予电压萋电流的测量，雕为原付边采 用磁耦合，故可实现被测电路与反馈电路的隔离。互感器用于工频正弦波电压和电 流，具有足够的工程精度：然而该法用予非正弦供电或食有谐波较多躲电压和魄流， 测量将产生较大的误差，丽直流情况下就根本凭法使用。由于互感器铁心磁性材料 的非线性影响，高次谐波分量的测量误簸较大。用一般的互感器检测p w m 逆变器这 释含有丰富谐波分量的输出电濂和电流，将难以准确测辍电压和电流的瞬时值。 ( 3 ) 霍尔( h a l l ) 传感器对于直流及非正弦( 含有谐波分量较多) 的交流电 压和电流信号静隔离传送，最好豹方法蹩用霍尔电压和电流传感器。霍尔传感器不 仅可实现被测电路与反馈电路的可靠隔离，耐魇高达l o o o 伏，而且具有以下优点： 1 ) 可以测量任懑波形静电压稻电流信号。频带宽，可测量从直流到1 0 0 k h z 的各种 信号。2 ) 线性度好，测量区间宽，测量精度高。如瑞士l e m 公司生产的l a 系列霍 尔电流传感器，测量范国为o l 0 黻，测量精度为鞠，2 ，l v 系列嘏压传惑器的 测量电压可高达9 6 0 0 v ，测量精度为1 。测量环境温度为一2 5 + 7 0 。3 ) 响应速 度快，延时帮谪应时闻均小于0 1 黯。4 ) 过载能力强，使用安全。当被渊量大大超 过额定值时，内部电路及磁路均有饱和限幅作用，不会损坏传感器。但是霍尔传感 器需要矫搂窀源，价格较高，一般适用予离精浚、高褴能的系统中。 2 磁链和转矩的观测o “2 3 1 交流传动系统无论采用矢量控制还是转矩直接控制， 都必须对磁链和转矩避行控隶l 。丽磁链署弱转矩羧希8 特梭豹优劣，除了溺节嚣设计得 好坏以外，很大程度上还取决于磁链和转矩的检测是否准确。豳于转矩的观测值来 鑫于磁髓静裣瓣僮葙定予电流僮，因蔼磁链的稳灏盈褥尤为重溪。磁镳福值的准确 性和磁链空间角度的准确性，都是至关熏要的问题。一般检测转子磁链通常有两种 方法： ( 1 ) 直接检测法利用诸如霍尔元件之类的磁传感器直接测星电机的气隙磁通。 这耱方法需要对电视送行改造，在纛逮辩还存凌气豫蠢谮渡磁场踩裁弓l 起静量灞误 蒺，较少应用。 ( 2 阕接稔溅法剃麓壹接溅褥熬邀磊、电滚或转遥信号，校据导密麓数学模鍪 进行计算，间接构成磁通信号。当然这种方法受数学模型准确性及电机参数稳定性 的影e | ；i ，翟鑫予 0 较方便，困褥实霜。获矢量控铡稻壹接转瘫掩翻豹角度来看，为 实现高性能，转予磁链观测器设计应满足以下几点要求：1 ) 估计算法魑稳定的；2 ) 信诗篷对实舔蕊瓣牧敛速度要尽哥戆霉浚；3 ) 瓣受整对象参鼗交赣二帮测量磉声癍其 浙江大学博士学健论文 枣较好蕊鲁撩性；4 ) 蜜瑷起慕要暴莓憝方矮，络稳上不过予复杂。辩予定、转子磁 链状态估计，人们提出了多聊技术方寨，大体可分为开环估计和闭环估诗两种。开 环估计法如电愿模型法、电流模型法笛，虽然简单、实时炷强，锶存在对电机参数 敏感、抗礤声予拭簸力慈簿映点，实簖藏篪漪霈要馓捆应的敬邈。阏繇估诗注针对 嚣环镄诗静缺点，孳l 入了爱绩燕，撵菇了鼹溅器戆稳定链帮蛰薅镶。德蒽懿来说， 内于交流电税敬学模黧的嶷杂性，无论从控制角度，还是从技术窳现角度来看，磁 链的实时在线估计都是较为棘手的研究课题。 3 。转遗与谯量检嚣漓崧凑毪蕤黪交滚邀疆控镶琴凌孛，为了实嚣裹精发、鑫 幼态性能的速度和位黧控制，速度与位嚣闭环帮是必不可少的。为了测量电机的转 予速度和位鬣，一般鬻癸农转予轴上密装机械式传感器。这些机械式健感器常怒编 码器( e h c o d 牲) 、鳃翼器 熬 隈剜，传动系统不能广泛逶应予各释溺合。 脚，因此在高频电臌信号励磁时，电机 的阻按主要取决予电砉 黪鑫感，故旋转毫颓魄压激励下p m s m 越数学模型可以麓化 为： v 趣i * j * l l 毒1 蠡j t 2 、 其中电感矩阵k 5 为前面定义的两相静止坐标系一9 5 的电感筑阵。旋转高频电压 信号激威下，p m s m 的麓位等效电路如图2 。3