（电力电子与电力传动专业论文）基于高频注入和卡尔曼滤波的永磁同步电机无传感器控制.pdf

沈阳t 业大学硕 学位论文 s e n s o r l e s sc o n t r o lo fp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u s m a c h i n e b a s e do n h i g hf r e q u e n c ys i g n a li n j e c t i o na n d k a l m a nf i l t e r a b s t r a c t i n t e r i o rp e r m a n e n tm a g n e t ( i p m ) s y n c h r o n o u sm a c h i n ea r ea t t r a c t i v ec a n d i d a t e sf o rh i 曲 p e r f o r m a n c ea p p l i c a t i o n sb e c a u s eo f t h e i rh i 【曲e f f i c i e n c ya n ds u i t a b i l i t yf o rw i d es p e e dr a n g e s o fc o n s t a n tp o w e r o p e r a t i o n t h ed e m a n d o f i n e x p e n s i v ea n d r e l i a b l ed r i v en o w p u s h e sa p p l i e d r e s e a r c ht o w a r dt h ee l i m i n a t i o no fm e c h a n i c a ls e n s o r s r e c e n t l y ，s e n s o r l e s sp o s i t i o nc o n t r o lo f i n t e r i o rp 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 ei sac h a l l e n g e t h e r eh a v eb e e nn u m e r o u s p u b l i c a t i o n so n m e t h o d st oe l i m i n a t et h ep o s i t i o ns e n s o ro ne l e c t r i cm a c h i n e si nt h el a s ts e v e r a l y e a r s m o s to f t h e s et e c h n i q u e sa r eb a s e do nt r a c k i n gb a c ke m f ，w h i c hl i m i tt h el o ws p e e d o p e r a t i o no ft h em a c h i n e ，a n di s s e n s i t i v et ot h ee s t i m a t i o no fm a c h i n ep a r a m e t e r s ，s u c ha s s t a t o ri n d u c t a n c ea n d r e s i s t a n c e h i 曲p e r f o r m a n c ep o s i t i o nc o n t r o la tl o ws p e e d a n dz e r os p e e d i sp o s s i b l eu s i n ga n i s o t r o p i ce 行b c tb e i n gn o tc o n s i d e r e di nt h ef u n d a m e n t a l f r e q u e n c y a tv e r y l o w s p e e d ，s e v e r a lh i g h f 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 d sh a v eb e e np r o p o s e df o re s t i m a t i o n r o t o r p o s i t i o n i na d d i t i o nt ot h ef u n d a m e n t a lm a c h i n ed r i v i n gs i g n a l s t h em a i nc o m m o n p r a c t i c a lp r o b l e mi nt h eh i 曲f r e q u e n c ys i g n a li n j e c t i o na p p r o a c hi sh o w t op r o c e s sr e s p o n s e d u et ot h ei n j e c t e dh i 曲f r e q u e n c ys i g n a la n dh o wt oe s t i m a t ep r o p e r l yr o t o rp o s i t i o nt h r o u g h r e s p o n s ep r o c e s s i n g t h i s p a p e rp r e s e n t s a n a p p r o a c h t os e n s o r l e s sc o n t r o lo fi n t e r i o r p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm a c h i n eu s i n gah i 曲f r e q u e n c y c a r r i e rs i g n a li n j e c t i o n i nt h i sp r o p o s e dm e t h o d ， t h ec o n t r o ls c h e m ei si m p r o v e d b y t h eu s eo fk a l m a n f i l t e r i n g t h es i n ev o l t a g ec a r r i e rs i g n a li s i n j e c t e di nt h es t a t o r ，a n dt h e r o t o rp o s i t i o ne r r o rs i g n a li se x t r a c t e df r o mt h ec a r t i e rc u r r e n tw i t h s a l i e n c yt r a c k i n g t h e ni t i s p r o c e s s e db yk a l m a nf i l t e r ，w h i c hy i e l d sp o s i t i o na n dv e l o c i t y e s t i m a t i o n s 、t h ep r o b l e mo fr e c o v e r yi s i m p l e m e n t e di nas e c o n do r d e rl o w - p a s sf i l t e rw i t h h e t e r o d y n i n gp r o c e s s f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w i ti sf e a s i b l ef o rl o w s p e e d ，i n c l u d i n g z e r os p e e d k e yw o r d s ：i p ms y n c h r o n o u sm a c h i n e ，s e n s o r l e s sc o n t r o l ，h i g h f r e q u e n c ys i g n a l t n j e c t i o n ，k a l m a nf i l t e r 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另, j m 以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：迎塞查曰期：竺墨：i ：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名： 羞巳建盔 导师签名：王醴日期：2 芟弓- 亨 沈阳工业人学硕上学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景 随着生产技术的发展，对电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静 态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量的使用调速系统。由于直 流电机的调速性能和转矩控制性能良好，它诞生之日起就一直受到人们的关注，并且在 工业和生活中得到广泛的应用。但是，换向器的存在，使直流电动机的工作量加大，单 机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。2 0 世纪7 0 年代的能源危机促使人们开始 研究交流调速系统，特别是随之而来的计算机和微处理器的迅速发展、电力电子器件的 同新月异、现代控制理论和智能控制方法的成熟，使得交流调速系统的开发和应用如日 中天。采用半导体变流技术、大规模集成电路和高速处理器等实现的交流调速控制系 统，加之矢量控制、直接转矩控制及智能控制等先进控制方法的应用，使得交流调速控 制系统逐步实现了宽的调速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限可逆运行 等良好的控制性能，在调速性能方面可与直流调速想媲美。在运动控制领域，交流调速 系统已经上升到主导地位，并将逐步取代直流调速系统。 8 0 年代以来，永磁同步电机以其大的转矩惯量比、高能量密度和高效率等优异性 能，广泛应用于千瓦级的伺服传动系统中卜“。伺服系统常用于快速、准确、精密的位 置控制场合，这就要求电动机有大的过载能力、小的转动惯量、小的转矩脉动、线性的 转矩一电流特性。控制系统有尽可能高的通频带和放大系数，以使整个伺服系统具备良 好的动、静态性能。永磁同步电机广泛应用于伺服驱动系统、中小功率机床主轴驱动、 机器人系统应用等，较大容量也应用于太阳能泵以及风能利用系统，用于船舶推进系统 的容量已达1 m w 的水平。永磁同步电机能满足诸如伺服系统的一些高精度要求【i3 j ： ( 1 ) 气隙磁密高： ( 2 ) 高的功率质量比； ( 3 ) 大的转矩j 陨量比； ( 4 ) 转矩脉动小，尤其在低速并有高精度的位置要求时： ( 5 ) 零转速时有控制转矩； 沈嗣t 业大学硕士学位论文 ( 6 ) 能高速运行： ( 7 ) 短时间内快的加减速运行； ( 8 ) 高效率、高功率因数： ( 9 ) 装置紧凑。 为了进一步提高交流电机控制系统的性能，有关研究正围绕以下几个方面展丌： ( 1 ) 采用新型电力电子器件和脉宽i 周n ( p w m ) 控制技术 5 q电力电子器件的不断 进步，为交流电机控制系统的完善提供了物质保证，尤其是新的可关断器件，如双极 结型晶体管( b j t ) 、金属氧化物半导体场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 的实用化，使得高频化p w m 技术成为可能。目前，电力电子器件正向高压、大功率、 高频化、组合化和智能化方向发展。典型的电力电子变频装置有电流型、电压型和交一 交型三种。电流型变频器的优点在于给同步电动机供电时可实现自然换相，并且容量可 以做到很大。但对于应用广泛的中小型异步电机来讲，其强迫换相装置则显得过于笨 重。因此，p w m 电压型变频器在中小功率电机控制系统中无疑占主导地位。目前，已 采用m o s f e t 和i g b t 的成熟产品，开关频率可达1 5 2 0 k h z ，实现无噪声驱动。国 外正在加紧研究新型变频器，如矩阵变频器、串、并联谐振式变频器等也开始进入实用 阶段，预示着新一代电机控制系统即将产生。 ( 2 ) 应用矢量控制技术及现代控制理论【6 9 1 交流电机是一个多变量、非线性的被控 对象，过去的电压频率比恒定控制都是从电机稳态方程出发研究其控制特性，同时控 制其相位，并利用状态重构估计的现代控制概念，巧妙的实现了交流电机磁通和转矩的 重构和解耦控制，从而促进了交流电机控制系统走向实用化。此外，为解决系统复杂性 和控制精度之间的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制、电压定向控制 和定子磁场定向控制等。尤其从计算机应用于实时控制之后，使得现代控制理论中各种 控制方法得到应用，如二次型性能指标的最优控制和双位模拟调节器控制，可提高系统 的动态性能，滑模变结构控制可增强系统的鲁棒性，状态观测器和卡尔曼滤波可以获得 无法实测的状态信息，自适应控制则全面提高系统的j i 生能。 ( 3 ) 广泛应用计算机技术f 1 0 1 2 i 随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运 算能力和可靠性得到很大提高，这使得以单片机为控制核心的全数字化控制系统取代以 沈阳t 业人学硕f 。学位论文 前的模拟器件控制系统成为可能。计算机的应用主要体现在两个方面，一是控制用微 机，交流电机数字控制系统既可用专门的硬件电路，也可以采用总线形式，如s t d 、 v m e 、m u l t i b u si 和i i 、g e s p a c e 总线等。加上通用或单片微机模块组成最小目标系 统。对高性能运动控制系统来说，由于控制系统复杂，要求储存多种数据和快速实时处 理大量的信息，可采用微机处理加数字信号处理器( d s p ) 的方案，除实现复杂的控制规 律外，也便于故障监视、诊断和保护、人机对话等功能的实现。计算机的第二个应用就 是数字仿真和计算机辅助设计( c a d ) 。仿真时如果发现系统不理想，则可用人机对话 的方式改变控制器的参数、结构以至控制方式，直到满意为止。这样得到的参数可直接 加在系统上，避免了实际调试的盲目性及发生事故的可能性。目前已有多种软件包，可 用于指导系统的设计。 ( 4 ) 开发新型电机和无传感器技术各种交流控制系统的发展对电机本身也提出了 更高的要求。电机设计和建模有了新的研究内容，诸如三维涡流的计算、考虑转子运动 及外部变频供电系统方程的联解、电机阻尼绕组的合理设计及笼条的故障检测等问题【1 3 1 ”。为了更详细的分析电机内部过程，如绕组短路或转子断条等问题，多回路理论应 运而生。为了对电机实行计算机实时控制，一些简化模型也脱颖而出。目前在小功率运 动控制中得到重视和广泛应用的是永磁同步电机，其物质基础是具有较大剩磁和矫顽磁 力的新型永磁材料r 钐钴、钕铁硼) 的迅速发展。一般来说，为了满足高性能交流传动的 需要，转速闭环控制是必不可少的。为了实现转速和位置的反馈控制，须用测速发电机 或光电码盘器( 增量式或绝对式) 来检测反馈量，对于方波同步电机控制系统来说，还需 要检测磁极位景。目前，同时满足上述全部要求的传感器件无疑是解算器了。但由于速 度传感器的安装带来系统成本的增加、体积增大、可靠性降低、易受工作环境影响等缺 陷，使得成本合理、性能良好的无速度传感器交流调速系统成为近年来的一个研究热点 1 3 - t 5 j 。该技术是在电机转子和机座上不安装电磁或光电传感器的情况下，利用检测到的 电机电压、电流和电机的数学模型推测出电机转子位置和转速的技术，具有不改造电 机、省去昂贵的机械传感器、降低维护费用和不怕粉尘与潮湿环境的影响等优点。 沈m t 业大学碗上学位论文 1 2 国内外无传感器控制研究的动态 自7 0 年代以来，无速度传感器以及交、直流调速系统中尽可能减少包括无速度传 感器在内的一切传感器的工业需求和努力就一直在进行。1 9 7 5 年，a a b b o r d 等人根 据异步电机数学模型及系统控制原理，推导出电机的滑模表达式，在无速度传感器领域 作出首次尝试。而首次将无速度传感器应用于矢量控制的是在1 9 8 2 年k j o e n e n f 5 】完成 的。这使得交流传动又上了一个新台阶。在其后的十几年里，国内外学者在这方面作了 大量的工作，提出了诸多方法。b i m a lk b o s e 旧】曾断言，在2 l 世纪最初的一段时问， 无速度传感器技术是交流调速研究与开发的主题。永磁同步电机是一个多变量、强耦合 的非线性系统，人们将现代控制理论、非线性理论和一些其他领域的研究成果应用于无 传感器调速系统中。无传感器交流调速系统是指利用电机绕组中的有关电信号，通过适 当方法估计出转子的位置和速度，取代机械传感器，实现电机控制。无传感器控制的示 意图如图1 所示。 图1 1 无传感器控制的示意图 目前，适合永磁同步电机的最主要的无速度传感器的控制策略有：( 1 ) 利用定子端 电压和电流直接计算出曰和彩；( 2 ) 观测器基础上的估算方法；( 3 ) 模型参考自适应 ( m r a s ) 方法：( 4 ) 人工智能理论基础上的估算方法( 如神经元网络、模糊控制等) 。以上 这些方法的原理及特点如下。 ( 1 ) 利用定子端电压和电流直接计算出0 和出在由坐标系下，永磁同步电机的定 子电压和磁链方程可以推导出转子位置角口和转子角速度国1 1 6 1 。该方法的基本思想是基 沈| ；r 】_ i _ = 业人学母 i j 学位论立 于场旋转理论：在电机稳态运行时，定子磁链和转子磁链同步旋转，且两磁链之间的夹 角相差一个功角占，该方法适用于凸极式和表面式永磁同步电机。 r u s o n gw u i l7 1 提出一种方法：在定子两相静止坐标系中，通过定子电压、电流得到实 轴、虚轴的定子磁链值，根据两相磁链反f 切值可得当前时刻的定子磁链位最，定子磁 链位置的变化率可得到电机的转速。该方式用到的电机参数不多，所以受参数影响较 小，但电机必须工作在功率因数c o s 妒= l 方式下才能实现转子位置估计。 n e s i m ie r t u g r u i i i s l 提出了新的位罱估算方法。位置的计算是基于定子三相a b c 参 考模型，电机端电压和线电流用于估计电机的磁链，而电机的磁链是三相电流和位置的 函数。算法采用双电流环结构，外环用于纠正位置，内环用于纠正磁链。该算法已应用 到梯形波、f 弦波的永磁电机，其性能取决于估计磁链和测量电压、电流的精度，因而 电机参数的变化将影响位置估计的精度。 f a r h a dn o z a r i 撺】对同步电机提出的方法是先对定子磁链的位置进行估计，再实时 估计功角，转子位置则滞后于定子位置一个功角。 利用定子端电压和电流直接计算出口和m ，这种方法计算简单，动态响应快，但对 电机参数的准确性要求比较高，随着电机运行状况的变化( 例如温度的升高) ，电机参数 r 、和甲都会发生变化。电机参数出现误差，则会导致估算量偏离真实值。因此， 应用这种方法时需要结合电机参数的在线辨识。 f 2 ) 观测器基础上的估计方法观测器的实质是状态重构，其原理是重新构造一个 系统，利用原系统中可直接测量的变量如输出矢量和输入矢量作为它的输入信号，并使 输出信号在一定条件下等价于原系统的状态。目前主要存在的观测器有：全阶状态观测 器、降阶状态观测器、推广卡尔曼滤波和滑模观测器。 1 ) 降阶状态观测器方法对于一个非线性系统，观测器可以设计为原状态方程的 基础上加一个校正项，与线性观测器不同，其增益矩阵不是常数而是状态估计量、输入 量和输出量的函数。在一些情况下，状态量部分可测量，只有其中一部分需要估计。这 种情况下设计成降阶观测器，以减少计算量口0 1 。 2 1 全阶状态观测器1 9 9 2 年，美国麻省理工学院( m i t ) 电机工程系的学者发表了采 用全阶状态观测器的无机械传感器永磁同步电机调速系统的论文。为了满足系统的全局 沈l f 丌t 业犬学硕卜学位论文 稳定条件，全阶状态观测器推广卡尔曼滤波法是一种最优线性估计算法，其特点是考 虑了系统的模型误差和测量噪声的统计特性，可应用于凸极同步电机的调速系统 2 l l 。但 其算法复杂，为满足实时性控制的要求，需要用高速、高精度的数字信号处理器：另 外，用到许多随机误差的统计参数，由于模型复杂，涉及因素较多，分析这些参数非常 困难，需要经过大量的调试才能确定合适的随机参数。 3 ) 滑模观测器在1 9 8 6 年召开的第2 5 届决策和控制会议( 2 5 “c o n f e r e n c eo n d e c i s i o na n dc o n t r 0 1 ) 上，麻省理工学院的j j s l o t i n e 探讨了滑模观测器的非线性估计 问题，引起了人们对滑模观测器的兴趣。滑模观测器利用滑模变结构控制系统对参数扰 动鲁棒性强的特点，把一般的状态观测器中的控制回路修改成滑模变结构的形式。其控 制的本质是滑模运动，通过结构变换开关，以很高的频率来回切换，使状态的运动点， 滑模运动与控制对象的参数变化以及扰动无关，因此有很好的鲁棒性2 2 1 ，但其在本质上 是不连续的丌关控制，因此会引起系统发生抖动，这对于矢量控制在低速下运行是有害 的，将会引起较大的转矩脉动。 4 ) 扩展卡尔曼滤波法卡尔曼滤波器是由美国学者卡尔曼( r e k a l m a n ) 在6 0 年 代初提出的一种最优线性估计方法。其特点是考虑了系统的模型误差和测量噪声的统计 特性，可以有效的削弱随机干扰和测量噪声的影响。这种方法首先建立以定子电流和转 子磁链为状态变量，以转速为参数的电机状态方程，然后将状态方程线性化，最后按卡 尔曼滤波器的递推公式估计转速0 1 1 9 。该方法的特点是转速估算值与实际值非常接近， 由估算值构成的闭坏系统在宽调速范围内具有良好的特性，但算法比较复杂。 ( 3 ) 模型参考自适应控制模型参考自适应方法( m r a s ) 辨识速度的主要思想是把不 含未知参数的方程作为参考模型，而将含有待估计参数的方程作为可调模型。两个模型 应该具有相同物理意义的输出量。利用两个模型输出量的误差构成合适自适应的自适应 律来实时调节可调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模型输出的目的f 22 3 1 。 参考模型本身的参数准确程度直接影响到速度辨识和控制系统的工作成效，其转速辨识 算法原理图如图1 2 所示。 沈阳t 业大学硕 j 学位论文 图1 2 模型参考自适应转速辨识算法的运算框图 ( 4 ) 人工智能基础上的估计方法由于转速可以看成是定子电压和电流的函数，而 人工神经网络具有逼近任意非线性函数的能力，且神经网路具有自学习和自适应能力以 及较强的抗干扰性，所以也可以采用人工神经网络。9 0 年代以后，电机传动开始走向 多元化，智能控制思想开始在传动领域显露端倪，专家系统、模糊控制、自适应控制、 人工神经元网络纷纷应用于电机控制方案其理论与应用日趋成熟，必将为交流传动领 域带来革命性的变化【3 ”。 目前，关于永磁同步电动机无位置传感器的控制方法，主要有检测反电动势的转子 位置估计策略和检测相电感变化两类方法。 ( 1 ) 检测反电动势的转子位置估计方法检测反电动势的转子位置估计方法是基于 电机反电动势的位置和速度相依性。由于电机在静止时反电动势为零，因此对于估计转 子速度，这一控制方法有技术下线，其适合于中高速调速 2 她6 1 。 ( 2 ) 检测相电感的估计方法在内埋式永磁同步电动机中，绕组电感的变化是由于 交、直轴磁阻的变化，在内埋式永磁同步电机中，凸极率l 。l ，比表面式永磁同步电机 大得多，因此在该电机中作为位置函数的电感的变化可用来获得位置信息。 k j b i n n se t a l 2 7 1 提出了用等效电阻和电感建立线圈的近似模型，检测每相绕组自感 和内部绕组互感变化，用于估计转子位置。该控制方法不足之处是难以在线检测位置。 沈m t 业人学硕上学位论文 a b k u l k a r r ie t a l 2 8 1 提出了一种查表法。每相内埋式永磁同步电机的电感可从电机 的电压、电流信息中计算得到，三相电感对应的位置存储在表中。通过查表可以得到估 计位置。该方法的不足之处是存储位置信息所需的存储器容量大。 基于空间电感变化的方法有在低速和零速度操作的满意效果，在2 0 世纪9 0 年代， m j c o f l e y 和r d l o r e n z 提出利用高频时的注入信号从具有高频凸极效应转子的电机中 得到位置估计( 2 9 。为了减少其相应产生的位置附加函数，在转予空间坐标中还可依赖 电动机d 和q 轴相互解耦这一事实。这种凸极跟踪算法不依赖于任何电机参数和运行情 况，因而可以工作在极低速甚至零速状态，并且系统的工作量并不是很大，可以说是目 前无传感器控制中的较理想的方法。 另外，还有j j i a n g 和j h o l t z 的漏感脉动检测法j 、s k s u l 的出阻抗差异定向法 1 3 2 1 、b l a s c h k e 的饱和凸极检测方法 3 3 】等。这几种基于电机非理想特性的无位置传感器控 制方案为无传感器控制在极低速下的应用提供了新的思路。 无传感器技术的应用给永磁同步电机带来了起动问题。机械式位置传感器能探知电 机静止时转子磁极位置，使电机和逆变器配合工作于自控同步状态，因而电机起动不会 失步。无传感器技术无法在电机静止时从电机的电气特性知道转子的初始位置。只有电 机起动到一定的转速后，电机才能f 常运行于无位置传感器状态下。因此，起动问题是 同步电机实现无位置传感器运行的一大问题。 初始位置的检测是电机起动中的首要问题。最早提出的策略是任意开通两相或三相 绕组，希望转子停在一确定位置。t e n d oe t a l 3 4 1 提出在电机每相加上一频率逐渐增加的 信号，使电机加速到可辨识转子位置信息后，再切入无传感器运行。n m a t s u i e t a l 口5 l 提 出采用专门p w m 模式使转子停在某相绕组位置上，再采用常规控制方法起动电机。以 上所述的策略动态响应差，转子工作于摆动模式，不能得到静止时转子准确的初始位 置，而且如果电机系统起动过程一旦中断，在短时间内难以找到转子实际位置，也不能 实现平滑起动。l c a r d o l e t t ie t a l 3 6 】根据永磁电机每相电感的变化是位置的函数这一原理 来起动永磁电机。m s c h r o e d l ”叫0 1 采用在线式电抗检测的非直接磁通检测法 ( i n f o r m ) 。i n f o r m 方法通过卡尔曼滤波器来改善位置精度，该方案称电机静止时也 可得到系统的高动念性能。 沈阳丁业大学硕1 学位论文 数字信号处理器( d s p ) 提供了高速、高精度的无传感器控制算法，采用哈佛结构， 增加了许多单周期指令，从而大大提高了运算速度，为精确的控制提供了保障，为高 速、高精度的无传感器控制算法提供了广阔的前景。目前，无位置传感器技术应用在永 磁同步电机矢量控制中的应用现状如下：基本上省去了电机系统的传感器部分，达到无 传感器运行；算法复杂，需要具有高信息处理能力d s p 的支持；受电机参数影响大： 起动问题尚未找到完美的答案；低速运行还存在问题。 1 3 课题要解决的问题和本文的主要工作 内埋式永磁同步电机因其高效性和在恒功率运行时具有较宽的调速范围，在高性能 的应用中倍受人们的青睐。本文以内埋式永磁同步电动机作为被控对象，提出了一种基 于高频载波信号注入和卡尔曼滤波的无传感器控制方法。为解决电动机低速时的位置检 测问题，本文采用了高频载波信号注入方法，其同r d l o r e n z 等人提出的高频注入方法 相类似，在电机的定子端注入高频正弦电压载波信号。由于内埋式永磁同步电动机具有 较明显的凸极效应，利用空间凸极跟踪技术，将位置估计的误差信号从高频载波电流中 取出，经过卡尔曼滤波器的处理得到转速和位置估计信息。高频载波的解调则通过一个 带有外差处理的二阶低通滤波器来完成。采用高频载波信号注入的方法，其对电机参数 不敏感，可以很好的解决电机低速时转子位置估计问题。卡尔曼滤波器作为状态观测 器，采用递推算法，实时测量信息经提炼浓缩于估计值中，而不必存贮时间过程中的测 量值。由于卡尔曼滤波是一种最优的无偏估计，即使初始值不太准确，也能得到合理的 结果，可以用来解决低速时转子初始位置估计不准确的问题。 本文主要的研究工作： ( 1 ) 系统深入分析了内埋式永磁同步电动机的数学模型、矢量控制以及凸极效应。 ( 2 ) 采用高频信号注入的方法，在电机定子端注入载波信号，利用i p m 同步电机的 凸极效应，得到位置误差信号，用于电机低速和零速运行时转子位置估计。 ( 3 ) 以卡尔曼滤波器作为观测器，由于其是一种最优的无偏估计，用于解决转子仞 始位置估计不太准确的问题。 ( 4 ) 卡尔曼滤波需要在线参数估计，在线调整参数矩阵必须在采样周期内完成。 沈m 1 。业人学硕l 学位论文 成。 ( 5 ) 载波的恢复即高频信号的解调则通过一个带有外差处理的二阶低通滤波器来完 ( 6 ) 采用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真实验，证实这种方法的可行性，其适合于内埋式 永磁同步电机低速运行，包括零速时的转子位置估计。 沈| 5 r 【t 业人学硕 。学位论文 2 永磁同步电动机的数学模型和矢量控制 2 1 永磁同步电动机的分类和结构 永磁同步电动机的基点是用永磁体取代绕线式同步电动机的励磁绕组，从而省去了 励磁线圈、滑环和电刷。永磁同步电动机的定子绕线式同步机在定子结构上是一致的， 由三相绕组及铁心构成，且要求输入的定子电流是三相正弦的，所以称为三相永磁同步 电动机。 根据永磁体在转子位置安装位置的不同，永磁同步电机转子可分为三类：表面式、 嵌入式和内埋式。前两种形式又同称为外装式结构，其可使转子做得直径小，惯量低， 特别使是若将永磁体直接粘接在转轴上，还可以获得低电感，有利于改善动态性能。这 种转子结构在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行不宽的正弦波永磁同步电动机中得到 广泛的应用【3 i 。此外，表面式结构的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机 气隙磁密波形区域f 弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。嵌 入式转子，可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密 度，常被某些调速永磁同步电动机所采用。另一种转子结构是将永磁体埋装在转子铁心 内部，每个永磁体都被铁心所包容，通常称之为内埋式永磁同步电动机。这种结构，机 械强度高，磁路气隙小，具有较大的凸极率，可以提高电动机的牵入同步能力、磁阻转 矩和电动机的过载倍数，其适合弱磁运行。 表面式永磁同步电动机实质上是一种隐极式同步电动机，因为永磁材料的磁导率十 分接近空气，所以交、直轴电感基本相同。而嵌入式和内埋式结构属于凸极式同步电动 机，其交轴电感大于直轴电感，这样除产生电磁转矩外，还产生磁阻转矩。电机的凸极 有两种形成原因，一种是由于不对称的电机结构，另一种是由于定子或转子的铁磁饱 和。一方面，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。另一方面，基于饱 和的凸极相对于转子的位置是不固定的。它们的位簧随着定子电流幅值的变化而移动。 这时自检测方法中的跟踪观测器将跟踪电机罩最大饱和的位置，而不是转子的位置。因 此这种利用基于饱和的凸极进行转子位置估算的方法鲁棒性能低，不够精确，同时对参 沈| f i 工业人学砸上学位论文 数敏感【3 ”】。所以永磁电机设计中基于电机结构的凸极幅值通常决定了凸极跟踪自检测 技术的精确程度。 对于内埋式永磁( i p m ) 同步电机来说，重要的是认识它的凸极性。图2 1 所示的是 一台四极内埋式转子。 图2 1 内埋式永磁同步电动机的磁路 将径向穿过永磁体磁场的中心线定义为直轴( d 轴) ，将穿过极i o j 的中心线定义为交 轴( 擘轴) ，两个磁极轴线相差4 5 。机械角度( 电角度为9 0 。) 。通过d 轴磁路的磁通，一 定要穿过两个永磁体，这相当于在d 轴磁路上串连两个厚度等于永磁体的大气隙。因为 q 轴磁通仅通过气隙和定、转子铁心，而不通过永磁体，所以q 轴励磁电感要明显高于 d 轴的励磁电感，即l 。 l 。 图2 - 2 给出了一个内埋式永磁同步电机d 轴和q 轴的电感测量曲线1 3 2 1 。在这罩，参 数的测量是通过离线的方式完成的。对于这个电机来讲，窜轴电感大约是d 轴电感的3 倍。 沈堕王些盔兰堡! 堂堡堡壅一 一 2 0 导 一 鼍1 1 ： 毒 镏 上 l j ： 定子电流i d 和i q 的幅值( a ) 图2 2i p m 同步电机d 轴和q 轴的电感测量曲线 转子凸极是产生磁阻转矩的原因，磁阻转矩的大小与两轴电感间的差值成正比口司 以利用转子的凸极性，进行较为灵活的设计阻此来改进电动机的输出和调速特性。例 如可以利用磁阻转矩提高转矩电流之比，即降低永磁体励磁，减小空载电动势口这 样，不仅可以避免高速区由于过电压造成的危险，又可在弱磁方式下进一步拓宽速度范 围。本文就是利用磁凸极位置的检测来获得位置和转速信息，其凸极跟踪算法将在第3 章作进一步的描述。 2 2 永磁同步电动机的数学模型 分析永磁同步电动机最常用的方法就是砌轴数学模型- 它不仅可用于分析永磁同 步电动机的稳态运行性能，也可用于分析电动机的瞬态性能。为了建立永磁同步电动机 的却轴数学模型首先假设 ： ( 1 ) 忽略电动机铁心的饱和： ( 2 ) 不计电动机中的涡流和磁滞损耗； ( 3 1 转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用； ( 4 ) 电动机的反电动势为对称的三相正弦波电 麻。 由此可以得到如下的电压、磁链、转矩和运动方程。 图2 3 是一台二极永磁同步电机的简图，图中假定了电流的币方向。正向电流流进 相绕组产生的正弦分布磁通势波的轴线就是该相绕组的轴线。假定反电动势波的f 方向 与审流正方向相反，取转子反时针旋转方向为f 。 沈阳t 业大学硕士学位论文 、 图2 3 二极永磁同步电动机 取永磁体基波磁场的方向为d 轴，而q 轴顺着旋转方向超前d 轴9 0 。电角度。转子 参考坐标的旋转速度即为转轴速度。转子参考坐标的空间坐标以q 轴与固定轴线( a 相绕 组轴线) i n 的电角度良来确定。 为了从电机的终端特性中抽取所需信息，需要建立精确的电机模型。通常同步电机 的矢量模型如图2 4 所示。感抗出+ l 。与同步电机的定子电感有关。r 是定子电阻，转 子的反电动势由磁通链矢量 江的微分所表示，矢量如为定子电流，矢量v 知。为定子电 压。 图2 4 同步电动机模型简图 在上述假定下，以转子参考坐标表示的电压方程为 q = r ；t q + p q + ( i ) r a d ( 2 1 ) 沈阳_ r 业大学硕卜学位论文 磁链方程为 转矩方程为 运动方程为 v d = r 。i a + p t 一a q v 。= r ，i 。+ p 2 0 a q = l q t q a d = l d i d - t - a 。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 瓦。= p n ( 九f 。一2 q i d ) = p n 【f ，+ ( 上j l q ) i a i q ( 2 - 6 ) 哪b 时p 巾pl。l一 式中：v j 、v 。d 、q 轴电压； 、i 。d 、g 轴电流； 上d 、。d 、q 轴电癌；： j r 。定子相电阻： 甜。转子电角速度： 乃、九d 、q 轴磁链； 厶永磁体基波励磁磁场链过定子绕组的磁链 p 微分算子： p 。极对数： ( 27 ) 沈阳1 。业人学硕j j 学位论文 z 负载转矩： b 粘滞摩擦系数； l ，转子和所带负载的总转动惯量。 在转子参考坐标系中，若取d 轴的反方向为虚轴，耿g 轴为实轴，