（控制理论与控制工程专业论文）永磁同步电机无传感器矢量控制系统研究.pdf

j jp l l f l l f f ii ii i i i i i1 1 11 r i ii y 17 4 0 3 6 8 永磁同步电机无传感器矢量控制系统研究 摘要 随着现代电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的飞速发展，特别是 新型永磁材料的出现，极大的促进了调速永磁同步电动机的发展。p m s m 控制系 统的稳定运行是建立在闭环控制基础之上，因此如何获取转子位置和速度信号是 整个系统中相当重要的一个环节。目前，在大多数调速驱动系统中，最常用的方 法是在转子轴上安装位置传感器。但这些传感器增加了系统的成本，降低了系统 的可靠性和耐用性。 无传感器控制是指通过测量电动机的电流、电压等可测量的物理量，通过特 定的观测器策略估算转子位置，提取永磁同步电机转子的位置和速度信息，完成 闭环控制。无传感器永磁同步电动机调速系统不仅结构简单、易维护、运行效率 高、调速性能好，而且体积小、成本低、可靠性高，且能应用于一些特殊场合。 本文以永磁同步电动机为研究对象，采用滑模观测器( s l i d i n gm o d eo b s e r v e r , s m o ) 方法，研究并实现了永磁同步电动机驱动控制系统的无传感器矢量控制。 论文主要完成了以下工作： ( 1 ) 首先，对永磁同步电动机数学模型进行研究，阐述了坐标变换的基本 理论，并完成了坐标变换在m a t l a b s i m u l i n k 中的模块化设计；其次给出了永磁同 步电机在两相静止坐标系和两相旋转坐标系上的数学模型，在此基础上引出永磁 同步电动机矢量控制原理。 ( 2 ) 电压空间矢量脉宽调制技术( s ，w m ) 物理概念清晰、算法简单、对 直流电压利用率高，易于实现数字化，是交流电机控制中最常用的方法之一。本 文对s v p w m 做了详细的理论阐述和推导，并与s p w m 相比较，给出了s v p w m 的 算法实现及其在m a t l a b s i m u l i n k 中的模块化设计，并给出了其仿真结果。 ( 3 ) 在p m s m 矢量控制系统中，电机调速范围很宽时，电阻、电抗等参数 变化对d 、q 轴电流控制产生较大误差，从而影响控制精度和动态响应速度，为 此，采用内模控制原理设计了电流内模调节器。仿真结果表明，与传统的基于p i 控制的矢量控制方法相比，采用电流内模控制的矢量控制系统具有快速的动态响 应和抗干扰性能，且在模型失配的情况下也具有较好的动态和静态性能，提高了 系统的鲁棒性。 ( 4 ) 深入分析了滑模变结构控制的基本原理与滑模变结构控制器设计方法， 根据p m s m 在两相静止坐标系筇下的数学模型构建滑模观测器。在滑模观测器 n 矢量脉宽调制技 s a b s t r a c t 耽ep 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 ( p m s m ) i sas u p e r i o r i t yp e r f o r m a n c e a n dw i d e l yu s e dm o t o r t h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fp m s mh a sd e v e l o p e dr a p i d l yw i t h t h ef a s td e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n d m o d e mc o n t r o lt h e o r y h o wt og e tt h er o t o ra n g l ea n ds p e e di sv e r yi m p o r t a n tt ot h e v e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fp m s m a tp r e s e n t ，t h ec o m m o nm e t h o di nm o s to fd r i v e s y s t e m si st oi n s t a l lt h ep o s i t i o ns e n s o ri nt h er o t o rs h a f t h o w e v e r , t h e s es e n s o r s i n c r e a s et h ec o s to ft h es y s t e ma n dd e c r e a s et h er e l i a b i l i t ya n d d u r a b i l i t y i nt h e s eb a c k g r o u n d s ，t h e r eh a sb e e na ni n c r e a s e di n t e r e s ti n d e v e l o p i n g t e c h n i q u e st oo b t a i nt h ep o s i t i o na n ds p e e di n f o r m a t i o nf o rt h ep m s mw i t h o u t e x t e r n a lp o s i t i o ns e n s o r s s e n s o r l e s sc o n t r o ls t r a t e g yi st o g e tt h er o t o rp o s i t i o na n d v e l o c i t yi n f o r m a t i o no fp m s m t oc o m p l e t et h ed o s e d l o o pc o n t r o lb ym e a s u r i n gt h e m o t o rc u r r e n t ，v o l t a g ea n do t h e rm e a s u r a b l eq u a n t i t i e su s i n gf o rs p e c i f i co b s e r v e r s t r a t e g yf o re s t i m a t i n gt h er o t o rp o s i t i o n t h es p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mo fp m s m w i t h o u ts e n s o rn o to n l yh a sas i m p l es t r u c t u r e ，h i g he f f i c i e n c y , e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e a n de a s ym a i n t e n a n c e ，b u ta l s oh a sas m a l lv o l u m e ，l o wc o s t ，h i g hr e l i a b i l i t ya n ds o m e s p e c i a la p p l i c a t i o n t h i sp a p e r , o nt h eb a c k g r o u n do fa p p l i c a t i o no fs i n u s o i d a lp m s m ， a p p l y i n gt h em e t h o db a s e do ns m o ( s l i d i n gm o d eo b s e r v e r ) ，h a sr e s e a r c h e da n d a c c o m p l i s h e dt h es e n s o f l e s sv e c t o rc o n t r o lo fd r i v ea n dc o n t r o ls y s t e m t h ef o l l o w i n gi sm a i nc o n t e n t so fr e s e a r c hi nt h i sp a p e r ： ( 1 ) f i r s t l y , m a t h e m a t i cm o d e lo fp 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 si s d i s c u s s e d ，b a s i cc o o r d i n a t ec o n v e r s i o nt h e o r yi se x p o u n d e da n dm o d u l ed e s i g no f c o o r d i n a t ec o n v e r s i o ni nm a t l a b s i m u l i n ki sm a d e t h e nm a t h e m a t i cm o d e lo f 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 si nt w o - p h a s es t a t i o n a r yc o o r d i n a t ea n di n t w o - r o t a t i n gc o o r d i n a t ea r ea n a l y z e d b a s i n go nt h i st h et h e o r i e so ft h ev e c t o rc o n t r o l s y s t e m sa r ei n t r o d u c e d ( 2 ) t h es p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) h a sc l e a rp h y s i c a l c o n c e p t i o n , s i m p l ea r i t h m e t i ca n dh i g hu t i l i z a t i o no fd cv o l t a g e ；f u r t h e r m o r e , i ti s i l i i t se f f e c t i v e n e s sa n dr a t i o n a l i t y k e yw o r d s ：p m s m ：s e n s o d e s sc o n t r o l ；v e c t o rc o n t r o l ；s v p w m ；i m c ；s l i d i n g m o d eo b s e r v e r i v 第1 1 1 课题研究的目的与意义l 1 2 永磁同步电机的特点及分类2 1 2 1 永磁同步电机的特点2 1 2 2 永磁同步电机的分类3 1 3 永磁同步电机控制策略4 1 4 无传感器控制技术国内外研究现状及研究水平6 1 5 本文主要研究内容9 第2 章永磁同步电机基本结构及其数学模型1 l 2 1 永磁同步电机的基本结构1 l 2 2 永磁同步电机的数学模型及坐标变换1 2 2 2 1 永磁同步电机在三相静止坐标系中的数学模型1 2 2 2 2 永磁同步电机在两相旋转坐标系中的数学模型1 4 2 2 3 永磁同步电机在两相静止坐标系中的数学模型1 5 2 2 4 三种坐标系下数学模型的变换关系一1 5 2 2 5 三种坐标系下数学模型的变换关系仿真研究1 7 2 3 本章小结2 0 第3 章基于s v p w m 的永磁同步电机矢量控制系统2 l 3 1 永磁同步电机矢量控制系统2 1 3 1 1p m s m 矢量控制原理2 1 3 1 2p m s m 控制策略2 2 3 1 3 矢量控制常用三种电流控制策略的比较。2 4 3 2 电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 调制技术2 5 3 2 1s v p w m 的基本原理2 5 3 2 2s v p w m 和s p w m 的比较2 7 3 2 3s v p w m 算法实现与s i m u l i n k 仿真2 8 3 3 本章小结3 4 第4 章基于电流环内模控制的永磁同步电机矢量控制系统研究3 5 4 1 内模控制3 5 4 1 1 内模控制的基本原理及控制特性3 5 4 1 2 稳定内模控制器设计3 6 4 1 3 滤波器设计3 7 v 4 1 4 鲁棒性问题3 8 电流内模控制器设计3 9 基于电流环内模控制的p m s m 矢量控制系统仿真建模与结果分析4 1 4 3 1 基于电流环内模控制的p m s m 矢量控制系统建模4 1 4 3 2 仿真结果与分析4 3 本章小结4 5 章基于s m o 的永磁同步电机无传感器矢量控制系统研究4 6 滑模变结构控制：4 6 5 1 1 滑模变结构控制基本原理一4 6 5 1 2 滑模变结构控制器设计一4 7 p m s m 无传感器矢量控制系统中滑模观测器的设计及仿真4 8 5 2 1 滑模观测器设计4 8 5 2 2 稳定性分析5 l 5 2 3 自适应等效控制反馈增益选择5 2 5 2 4 基于滑模观测器的p m s m 矢量控制建模与仿真5 3 5 2 5 仿真结果与分析5 6 5 3 本章小结6 l 结论与展望6 3 参考文献6 5 致谢7 l 攻读学位期间发表的学术论文目录7 2 独创性声明7 3 1 1 课题研 永磁同步电动机( 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 缩写为p m s m ) 出现 于2 0 世纪5 0 年代。2 0 世纪7 0 年代，随着电力电子技术和微型计算机的发展， 永磁同步电机开始应用于交流变频调速系统。2 0 世纪8 0 年代，稀土永磁材料的 研制取得了突破性的进展，特别是剩磁高、矫顽力大而价格低廉的第三代新型永 磁材料钕铁硼( n d f e b ) 的出现，极大的促进了调速永磁同步电机的发展。新型 永磁材料在电机上的应用，不仅促进了电机结构、设计方法、制造工艺等方面的 改革，而且使永磁同步电机的性能有了质的飞跃，如效率高、可靠性好以及对环 境的适应性强等特点，使得永磁同步电机驱动逐渐取代了传统的直流驱动方式， 在各种高性能的驱动系统中得到广泛的应用，从而成为交流调速领域中的一个重 要分支【1 1 。 永磁同步电机控制系统中，一般需要在转子轴上安装机械式传感器，测量 电机的速度和位置。这些机械传感器经常是编码器( 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 ) 。机械传感器提供了电机所需的转子信号，但也给 调速系统带来了一些问题1 2 3 j ： ( 1 ) 机械传感器增加了电机转子轴上的转动惯量，加大了电机空间尺寸和 体积，机械传感器的使用增加了电机与控制系统之间的连接线和接口电路，使系 统易受干扰，降低了可靠性。 ( 2 ) 受机械传感器使用条件如温度、湿度和振动的限制，调速系统不能广 泛适应于各种场合。 ( 3 ) 机械传感器及其辅助电路增加了调速系统的成本，某些高精度传感器 的价格甚至可与电机本身价格相比。 ( 4 ) 所有的机械传感器对电机的驱动轴都会产生一定程度的静态和动态摩 擦，同时增加了电机转子轴上的转动惯量，加大了电机的轴向空间尺寸和体积。 尽管机械传感器在实际应用中，存在着以上问题，但在实际系统中，电机的 速度和转子的磁极位置信息又是必需的，这就需要在摒弃机械传感器的同时另辟 蹊径解决。以上这些由于安装机械传感器所产生的问题，可以通过无位置传感器 控制得以消除或削弱。 无传感器控制技术是指在交流电机控制系统中，去掉位置和速度传感器，通 永磁同步电机无传感器矢量控制系统研究 各种不同的估计方法而得到速度和位置信息的技术。具体地说，就是利用电机 组中的相关变量如定子电流、定子电压等，来估算出转子的位置和速度，从而 现电机控制。 无传感器控制技术的研究在高速电机、微型电机、航空航天、水下机器人、 用电器等一些特殊场合具有重要的意义。例如，无传感器技术可应用在机器人 究领域中，由于每台机器人中都包括多台电机，如果每台电机都去除位置传感 ，那么，节约的成本将是十分可观的。成本降低，自然会使机器人能够更多地 用于一般的场合。 同时，无传感器控制技术也可以提高机器人的可靠性。采用机械传感器永磁 同步电动机无位置传感器控制的系统在一些特殊的场合里不能可靠的工作，比 如，在航天、水下以及在过热、振动等恶劣环境中，无传感器控制技术在这些场 合将会比传统的具有机械传感器的系统具有更大的优势。 无传感器控制因为去除了系统的位置和速度传感器，降低了系统成本并减少 了因传感器的安装、维护等带来的不便，因此研究无速度传感器永磁同步电机交 流调速系统，对提高系统的可靠性、环境的适应性、进一步扩大交流调速系统的 应用范围具有重要意义，为国内外学术界和工程界高度重视，称为近二十年来的 研究热点i j 。 无速度传感器的矢量控制技术是在常规带速度传感器的矢量控制基础上发 展起来的，除电机转速信息的获取途径、方法不同之外，仍沿用磁场定向的矢量 控制技术。因此，无速度传感器矢量控制技术的核心是如何准确的获取电机的转 子位置和转速信息。 本课题所研究的问题是永磁同步电动机无位置传感器矢量控制的理论及其 实现方法，对提高永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统的性能具有重要的理 论意义和应用价值。 1 2 永磁同步电机的特点及分类 1 2 1 永磁同步电机的特点 永磁式同步电动机由于采用了永磁材料磁极，因此容量相同时电机的体积 小、重量轻；转子没有铜损和铁损，并且没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率 高，散热条件好；转动惯量小，允许的脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态 性能好；结构紧凑，运行可靠性高。和直流电机相比，它没有直流电机的换向器 和电刷等部件，可靠性提高。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流， 2 青岛科技大学研究生学位论文 因此效率和功率因数较高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转 子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。 和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了电机结构，提高了效率。永 磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控 制，因此交流永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。 最近几年，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是在上世纪8 0 年代 问世的钕铁硼永磁，它的热稳定性、耐高温性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降 低，以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟， 经过大力推广和应用已有的研究成果，使永磁电机在国防军工、工农业生产和日 常生活等方面获得了越来越广泛的应用。正向大功率化( 高转速、高转矩) 、高 功能化和微型化方向发展。目前，稀土永磁同步电机的单机容量已超过1 0 0 0 k w ， 最高转速已超过3 0 0 0 0 0 r p m ，最低转速低于0 o l r p m ，最小电机的外径只有 0 8 m m ，长1 2 m m 。 由于我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非 常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4 倍左右，号称“稀土王国”。稀 土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水准。因此，对我国来 说，永磁同步电动机有着很好的应用前景。充分发挥我国稀土资源丰富的优势， 大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主 义现代化具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 2 永磁同步电机的分类 由于永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分 布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势 波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成了两种同步电动机 在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交 流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁 同步电动机( p m s m ) 调速系统；而由梯形波( 方波) 永磁同步电动机组成的调 速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流 电动机( b l d c m ) 调速系统。 因为永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等 也不同。根据永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式 和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并且位于转子铁 心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同 3 永磁同步电机无传感器矢量控制系统研究 转子的内部，其磁路气隙比较小，适用于弱磁控制，永磁体 圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以对永磁体进行保护。这 特点是直、交轴的主电感不相等。因此这两种电机的性能有 控制策略 交流永磁同步电动机是一类非线性、多变量、强耦合并附加干扰的系统，它 可作为非线性控制的典型范例，对其理论和应用的研究近年来广受关注。由于未 知负载的干扰和电动机参数的高度不确定性，使得控制的实现往往比较复杂( 9 1 。 1 开环电压频率控制 开环电压频率控制，即u 厂= c ，其控制结构相对简单，能够满足一般传动 的平滑调速要求，它在并联同步磁阻或永磁同步电机传动中应用很普遍，尤其是 要求多台同步电机进行紧密速度跟踪协调的场合，例如纺纱机。但系统性能不高： 控制曲线随负载变化而变化，转矩响应速度慢且利用率不高，稳定性较差。尤其 在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最 大转矩减小，并且由于逆变器死区效应，性能下降明显。其动态转矩能力和静态 调速性能都还不尽如人意，因此人们致力于研究新的控制技术来满足性能要求。 2 自控方式 自控式同步电机和直流电机非常相似。但有以下几点不同：1 ) 与直流电机 不同的是，磁场旋转而电枢静止不动。2 ) 不像直流电机那样有一个机械式的位 置敏感逆变器，取而代之的是一个由绝对位置编码器控制的电气式逆变器。3 ) 磁链不是静止的，磁链和向量图均以同步速度旋转。自控式同步电机的特点有以 下几点：1 ) 电子换向器取代了机械换向器和电刷，因此避免了直流电机的缺点。 2 ) 由于是自控的，没有了传统同步电机的稳定性和振荡问题。3 ) 瞬态响应与直 流电机相类似。4 ) 电流和磁链间的相角按需要可以通过延迟控制环节进行调节。 5 ) 采用高能磁体，可以使转子惯量更小，对于要求快速响应的伺服传动系统而 言是个很大的优点。 从变频调速技术本身来划分，永磁同步电动机的控制方案可分为：矢量控制和 直接转矩控制。这是当前交流伺服领域中，较成熟的两种控制方法。在控制结构 上，矢量控制和直接转矩控制都采用转矩、磁链分别控制。转矩控制环( 或电流的 转矩分量环) 都处于转速环的内环，可抑制磁链变化对转速子系统的影响，使转速 和磁链子系统近似解耦。从表面上看，两种系统的控制方法虽然不同，在控制性 能上各有特色。但两种系统在本质上是一样的，都能获得较高的静、动态性能。 4 青岛科技大学研究生学位论文 1 矢量控制【m 1 2 】 1 9 7 1 年，德国西门子公司e b l a s c h k e 等提出的“感应电机磁场定向的控制原理” 和美国r c c u s t l n a n 与a a c l a r k 申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制 奠定了矢量控制的基础【l3 1 。在这之后的实践中，经过许多学者和工程技术人员的 不断完善改进，形成现已普遍应用的矢量控制变频调速系统。其主要特点是：通 过矢量变换的方法重构电机数学模型为一台他励直流电动机，在同步旋转的参考 轴系内，将交变的定子电流变换为两个直流量，一个为励磁( 直轴) 分量，一个为 转矩( 交轴) 分量，两者在空间上相互垂直，对两者进行解耦控制，以实现对电机 励磁磁场和电磁转矩的分别控制。 矢量控制从开始至今已有3 0 多年的时间，技术趋于完善，电力电子技术和微 处理器技术的发展也为矢量控制方法的实现奠定了基础。矢量控制的永磁同步电 动机调速系统以其动、静态性能好和调速范围宽的特点，成为高性能交流伺服系 统的首选方案。本文的研究也是采用矢量控制方案。 2 直接转矩控制【l 5 j 直接转矩控制( d t c ) 的基本思想是磁链、转矩直接调节。1 9 7 7 年由a b p i u n k e t t 首先提出了类似于直接转矩控制的结构和思想的直接磁链和转矩调节方法【1 6 1 。8 0 年代瞬时空间理论的发展使之获得新生。1 9 8 5 年德国学者和日本学者相继在理论 和实验研究中提出了直接转矩控制技术，最初也称“直接自控制( d s c ) ”，它是交 流电动机理论继矢量控制之后又一新突破。 永磁同步电动机直接转矩控制的基本原理与异步电动机直接转矩控制原理 相同，即根据电机电磁转矩和负载角之间的关系，在保持定子磁链幅值相对恒定 的基础上，通过控制定子磁链的旋转方向和旋转速度来控制定子磁链和转子磁链 之间的负载角，达到控制电机输出转矩的目的，实现对转矩的直接控制【l 。 直接转矩控制技术是借助于开关表控制逆变器输出的8 组电压矢量来实现 的，适当地选择加至电机的电压矢量，可以使定子磁链运动轨迹近似为圆。为保 持电机定子磁链幅值恒定，可以借助于永磁同步电动机数学模型方程，计算出给 定磁链与实际磁链的偏差及磁链的具体方向，选取合适的电压矢量，使定子磁链 幅值恒定【l 引。由于永磁磁场的存在，永磁同步电动机的直接转矩控制与异步电动 机的直接转矩控制在实施上存在差别，尤其表现在零电压矢量的使用上。在异步 电机直接转矩控制中，零电压矢量能有效控制定子磁链的运动进而控制转矩的瞬 时变化，获得快速的动态响应。但在永磁同步电动机中由于永磁磁场的存在，使 用零电压矢量虽能控制定子磁链走走停停，但无法控制转矩瞬间减小，此时须采 用反电压矢量来实现，反电压矢量的使用使永磁同步电动机响应加快的同时也带 来了磁链、转矩的剧烈变化，影响了直接转矩控制的稳态性能【1 9 】。 5 永磁同步电机无传感器矢量控制系统研究 同步电动机直接转矩控制方法受到了人们的广泛重视：文献 2 0 】首次较 出了永磁同步电动机直接转矩控制理论，对永磁同步电动机直接转矩控 行了较详细的研究：文献 2 1 】阐述了永磁同步电动机直接转矩控制系统 区的最大转矩磁链比控制和在恒功率区的弱磁控制；文献 2 2 】提出了一 定开关频率空间矢量调制的永磁同步电动机直接转矩控制系统，在保持 响应特性不变的条件下，有效提高了控制系统的稳态运行性能，同时系 率近似恒定；文献【2 3 】则详细分析了永磁同步电动机直接转矩控制的弱 理，以便拓宽永磁同步电动机的调速范围。 感器控制技术国内外研究现状及研究水平 国外在2 0 世纪7 0 年代就开始了无传感器控制技术的研究工作l 2 4 - - - 2 5 。1 9 7 5 年，a a b b o n d n a t i 等人推导出了基于稳态方程的转差频率估计方法，在感应电机 的无速度传感器控制领域做出了首次尝试，调速比可达1 0 ：1 ，但其调速范围比较 小，动态性能和调速精度难以保证。在此之后，1 9 7 9 年，m i s h d i a 等学者利用转 子齿谐波来检测转速，限于检测技术和控制芯片的实时处理能力，仅在大于 3 0 0 r m i n 的转速范围内取得了较为满意的效果，但这种思想令人耳目一新。首次 将无速度传感器应用于感应电机矢量控制是在1 9 8 3 年由r o j o e t t e n 完成的，这使 得交流传动技术的发展又上了一个新的台阶弘o | 。 在其后的二十多年里，国内外学者对交流电机的无传感器控制进行了广泛的 研究，提出了很多方法。尽管取得了重要的进展，使得无传感器控制的电机驱动 系统能够应用于更多的工业领域中。但是，它存在的局限性仍阻碍了它的进一步 应用。现在，大家己接受这样一个事实，即没有哪一种单一的无传感器控制技术 能够在各种运行条件下有效地控制各种类型的电机。国内的一些高校和研究机构 也对电机的无传感器控制技术进行了研究。国内对于感应电机和无刷直流电机的 无传感器控制研究相对永磁同步电动机来说相对多一些，也取得了一定的研究成 果【2 ”盈。但是国内的无传感器控制技术研究与国外的研究现状相比，尚有一定的 差距。多停留在理论研究阶段，还没有达到实际应用的阶段。 目前，适用于p m s m 的转子速度和位置估算方法有：( 1 ) 利用定子端电压和 电流直接计算转子速度和位置；( 2 ) 通过计算电感值估算转速和位置；( 3 ) 模型 参考自适应( m o d e lr e f e r e n c i n ga d p a t i v es y s e 咖- m ra s ) 方法；( 4 ) 观测器基础 上的估算方法；( 5 ) 高频注入法；( 6 ) 人工智能理论基础上的估算方法。 ( 1 ) 利用定子端电压和电流直接计算转子速度和位置p ，| 永磁同步电机可直接检测的量是定子的三相端电压和电流，利用他们计算出 6 青岛科技大学研究生学位论文 转子位置和转速是最简单、最直接的方法。主要有直接计算方法和利用磁通的代 数计算方法两种典型的算法。后者通过计算筇坐标系下的电机方程，以三角函 数的形式得到转子的为直角。磁通由反电动势积分求的，但是由于积分器的零漂 问题，得到的磁链值会有积分误差。当电机转速较低时，问题将更为严重。为了 克服这个问题，需要引入误差补偿环节，使得估算的磁通和实际值相等。转速的 估计值通过对转子角求一阶导数得到。 以上这两种方法的共同特点是计算简单，动态响应快，几乎没有什么延迟。 但它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( 如温度的升高) ， 电机参数r 、帆等都会发生变化，从而导致转速和位置的估算偏离真实值。 而这种方法没有补偿或校正环节。因此，应用这种方法时最好结合电机参数的在 线辨识。在实现系统中，加上参数辨识和误差校正环节来提高系统抗参数变化和 干扰的鲁棒性，是这种方法获得良好效果的努力方向之一。 ( 2 ) 通过计算电感值估算转速和位置1 3 剐 对于具有凸极的交流电机，以内埋式永磁同步电机为例，其每相绕组的自感 是随着转予位置的变化而变化的，因此根据每相绕组的自感可以得到转子的位置 信息。利用估计的电感值，通过查表可以方便地得到转子位置角只。这种方法的 问题在于它只适用于磁场形状为正弦的内埋式永磁同步电机，而且很难获得准确 的转子位置角度。在低速时，也和直接计算法一样存在相同的问题。 ( 3 ) 模型参考自适应位置估算方法 模型参考自适应方法( m r a s ) 也是一种较常用的估算电机转子位置和速度的 方法。其主要思想是将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，两个模型具有相同物理意义的输出量，利用两个模型输出 量的误差加上合适的自适应律来实时调节可调模型的参数，以达到参数辨识的目 的【3 蚴l 。根据稳定性原理得到速度估计自适应公式，系统和速度的渐进收敛性有 p o p o v 的超稳定性来保证。 模型参考自适应方法在异步电机及永磁同步电机的无速度传感器控制中已 有很多应用。这种方法是基于电机的基波模型的，电机参数发生变化，则转速的 估计精度将下降，在低速时此问题更严重。 ( 4 ) 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，利用原系统中可以 直接测量的变量作为它的输入信号，使其输出信号量工( f ) 在一定的条件下等价于 原系统的状态x ( f ) 。通常，称x ( f ) 为x ( f ) 的重构状态，而称这个用来实现状态重 构的系统为观测器。这种方法具有稳定性好、鲁棒性强、适用面广的特点。但是 7 永磁同步电机无传感器矢量控制系统研究 它算法比较复杂，计算量较大，受到计算机或微处理器计算速度的限制。近 ，随着计算机技术的迅速发展，出现了一批高性能的微处理芯片和数字信号 器( d s p ) ，大大地推动了这一方法在无速度传感器矢量控制系统中的应用。 主要存在的观测器有全阶状态观测器、降阶状态观测器、扩展卡尔曼滤波观 ( e k f ) 、滑模观测器q w 。 1 9 8 9 年，c s c h a u d e r ) 发表了采用自适应观测器来估计异步电机的速度和转子 的文章，奠定了自适应观测器方法在异步电机的无速度矢量控制系统中的应 础。1 9 9 2 年；美国麻省理工学院电机工程系的学者发表了采用全阶状态观测 无机械式传感器永磁同步电机传动系统的论文。为了满足系统的全局稳定条 全阶状态观测器需要在电机高速和低速时采用不同的增益矩阵，而且由于状 测器受电机参数变化的影响较大，因此需要另外一个状态观测器来估计电机 数，这就使无机械式传感器传动系统的估计算法变得复杂。 卡尔曼滤波是对电机速度和转子位置进行在线估算的行之有效的方法f 5 5 1 。 行性是因为描述永磁同步电动机动态特性的数学模型是公认的转子位置可 由测量的电压和电流所决定。测量的电压和电流可以转换成静止坐标系的分 用状态方程和卡尔曼滤波器，转子位置和速度可以估算出来。同其它观测器 一样，扩展卡尔曼滤波器的输出也能够跟踪系统的状态，但与般观测器不同的 是，它是非线性和随机的，不仅具有优化和自适应能力，还可以更好地抑制测量 和扰动噪声。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。 由于e k f 不需要准确的初始条件即可实现观测器的稳定收敛，因此可以较好实现 无传感器的直接转矩控制。卡尔曼滤波的关键是选择系数值以获得可能的最好的 位置估计性能。但是，卡尔曼滤波方法计算强度大，依赖于模型和电机参数的精 确性，一方面需要高速、高精度的数字信号处理器来完成计算，这使无传感器交 流调速系统的硬件成本提高；另一方面由于模型复杂、涉及因素较多，使得分析 这些参数的工作比较困难，需要通过大量调试才能确定合适的随机参数。 在1 9 8 6 年召开的第2 5 籍决策和控制会议上，麻省理工学院的j j s l o t i n e 提出了 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。滑模观测器是 利用滑模变结构控制系统对参数扰动鲁棒性强的特点，把一般状态观测器中的控 制回路改成滑模变结构的形式。滑模变结构控制的本质是通过结构变换开关，以 很高的频率来回在滑模面上切换，使状态点以很小的幅度在相平面上运动，最终 运动到稳定点。由于具有对参数变化不敏感、对外部扰动的鲁棒性以及快速的动 态响应，滑模控制已在电机控制中得到了很好的应用。滑模观测器同样具有滑模 控制器的鲁棒性，可以用于估计控制系统的状态。但它存在一个比较严重的问题 斟动，即由非线性引起的自振。抖动的原因是由系统惯性引起的切换滞后以 8 青岛科技大学研究生学位论文 及离散化采样的影响，抖动的存在使得控制系统的稳态精度较差，尤其在过载下 更为突出。虽然目前有积分补偿等去抖方法，但如何去抖的同时仍然保证足够的 参数鲁棒性和状态收敛的速度仍是一个具有实际意义的课题。 ( 5 ) 高频信号注入法 为了解决低速时转子位置和速度估算不准的问题，美国威斯康星大学的 l o r e n z 等学者另辟蹊径，提出了高频信号注入法。其基本思想是，通过在电机出 线端注入一个三相平衡的高频电压( 或电流) 信号，利用电机内部固有的或人为 的( 如对电机进行改造) 不对称性，使电机产生一个可检测的磁凸极，通过检测对 应的高频电流( 或电压) 响应来获取转子位置和速度信息，因此这种方法也称之 为凸极追踪法。根据注入信号的类型，高频信号注入法又可分为旋转高频电压注 入法、旋转高频电流注入法、脉振高频电压注入法。由于是依赖外加持续高频激 励来显示凸极性，与转速无关，使得这种凸极跟踪方法能够解决低速甚至零速下 转子位置的估计，而且由于追踪的是转子的空间凸极效应，因此对电机参数的变 化不敏感，鲁棒性好。但这种方法需要快速和准确的数字信号处理技术作为支持。 高频信号注入法具有三个基本特征：利用电机的凸极效应、注入高频激励信 号和需要高带宽的噪声过滤器。每个特征都可以利用多种方法来实现，因此高频 注入法的实现也有多种方式【5 5 1 。 高频信号注入法能够实现电机全速范围的转子位置和速度检测。但是，由于 其信号处理过程较复杂，影响其动态性能，因此在突加、突卸负载或者转速指令 变化较大时会出现跟踪失败。 ( 6 ) 人工智能理论基础上的估算方法 进入2 0 世纪9 0 年代，凫机传动的控制方案逐步走向多元化。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。这方面的文章虽也屡有发表，只是产业化的道路仍很漫 长，相信在不远的将来，随着智能控制理论与应用的日益成熟，会给交流传动领 域带来革命性的变化。 1 5 本文主要研究内容 本文以永磁同步电机无传感器矢量控制系统为研究对象，查阅大量的国内外 有关文献。结合前人所作的工作，把滑模观测器理论应用于对电机转速和转角的 估计，达到了预期的效果。论文的主要研究工作如下： 1 、第一章是绪论，主要阐述了课题的选题背景和意义，对永磁同步电机无 传感器矢量控制系统的研究水平和研究现状做了大致的综述，并介绍了本文主要 9 能，且由于等效控制的幅值为常值( 等于转子磁链野) ，s m o 中不连续控制的开 关增益也更易于选取。传统的s m o 在低速时由于高开关增益所产生的抖振现象 也可以抑制甚至消除。最后，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件对提出的基于滑模观测器 的p m s m 转子位置估计算法进行仿真，证明本文提出控制方法的可行性。 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 第2 章永磁同步电机基本结构及其数学模型 本章将简要介绍永磁同步电动机的主要类型，并以正弦交流电流驱动的永磁 同步电机( p m s m ) 为主要研究对象，从永磁同步电动机在三相静止坐标系下的 模型出发，讨论永磁同步电动机的基本电磁关系，分别建立其在两相静止坐标系 ( a p ) 和两相旋转坐标系( 由) 中的电压回路方程、磁链方程及其转矩方程。这些电 磁约束对了解永磁同步电动机的原理、分析其运动规律和研究高性能控制决策提 供了理论基础。其次对坐标变换理论进行研究，利用m a t l a b s i m u l i n k 软件构造出 坐标变换模块，为组成永磁同步电机仿真模型及矢量调速系统仿真平台奠定基 础。 2 1 永磁同步电机的基本结构 p m s m 由定子和转子两大部分组成【删。 永磁同步电机的定子指的是电动机在运行时的不动部分，与普通同步电机在 定予结构上是一致的，由三相绕组及铁心构成，主要是由硅钢冲片、三相对称分 布在它们槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成，且电枢绕组通常 为星型连接。其定子和异步电动机的定子结构基本相同。空间上三相对称绕组通 入时间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场，旋转磁场的同步转速与 定子电流频率f 存在如下关系： n o = 6 0 f ( 以。为电动机极对数) ( 2 - 1 ) i p f 永磁同步电机的转子是指电动机在运行时可以转动的部分，在转子结构上， 普通同步电机通常由磁极铁心、励磁绕组、永磁磁刚及磁扼等部分组成。磁极铁 心由钢板冲片叠压而成，磁极上套有励磁绕组，励磁绕组两出线端接到两个集电 环上，再通过与集电环相接触的静止电刷向j , b ；j i 出。励磁绕组由直流励磁电源供 电，其正确连接应使相邻磁极的极性呈n 与s 交替排列。p m s m 是用永磁体取代 普通同步电机的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，真正实现了无刷 化。转子的主要作用是在电动机的气隙内产生足够的磁感应强度，并同通电后的 定子绕组相互作用产生转矩用来驱动自身