无位置传感器伺服系统控制策略研究.ppt

无位置传感器伺服系统控制策略的研究 黄飞控制理论与控制工程 1 1研究意义 永磁同步电动机交流伺服系统是机电一体化产品 是多学科技术相结合的产物 它的驱动 控制更是和电子技术息息相关 因此 进行永磁同步电动机控制系统的研究对于我国工业现代化建设有着重要的意义 永磁同步电动机控制虽然已经发展到相当成熟的阶段 但是对其无位置传感器控制系统的研究还有待进一步深入 存在着比较大的发展空间 本系统实现后能大大减少系统成本 提高系统可靠性 减少系统维护的工作量 同步电机传动系统需要对其速度和位置进行控制 高精度的电机系统对速度控制和位置控制提出很高的要求 相应地对传感器的要求提高 目前 传感器向小型化 低成本和高分辨率 多功能两个方向发展 电机系统中传感器的存在阻碍了电机向高速化 小型化发展 因此 无传感器技术的研究在高速电机 微型电机的控制和一些特殊场合具有重要的意义 1 降低成本 2 减小电机的体积 3 提高系统可靠性 4 减少维护量 1 2国内外研究现状 由于使用传感器给永磁同步电动机系统带来很多问题 所以无传感器的控制系统越来越引起人们的重视 无传感器控制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转速 取代传感器 实现电机的闭环控制 同步电机无位置传感器技术是在数字信号处理器 dsp 出现后得以发展的 dsp的高速信息处理能力使无位置传感器控制技术的复杂算法能得以实现 在无位置传感器技术方面 许多学者作出了研究 提出了切实可行的方法 主要方法有 1 基于pmsm基本电磁关系估算位置和转速的方法 2 基于对电机特殊特性分析基础上的估计方法 3 基于各种观测器技术的位置辨识方法 4 人工智能理论基础上的估算方法 2 1研究目标 本课题研究的主要目标是实现永磁同步电机无位置传感器控制 使得在实际的电机控制中能够脱离位置传感器 降低成本 并且能够达到采用位置传感器控制时一样的控制效果 2 2永磁同步电动机无位置传感器控制中需解决的问题 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 电机才能正常运行于无位置传感器状态下 因此 电机初始转子位置检测和起动问题是同步电机实现无位置传感器运行的一大问题 2 3研究安排 理论分析 算法选择 进行matlab仿真试验 设计硬件电路 编写dsp程序 在硬件上进行调试 2 4当前工作 当前的工作便是如何建立无位置传感器的永磁同步电机伺服系统的数学模型 并确定最佳的算法 实现对转速的准确预估和电机的矢量控制 3 1无位置传感器控制系统结构图 3 2拟采取的研究方法及技术路线 具体研究过程中将建立永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型 在此基础上深入分析永磁同步电机的内部电磁约束关系 这些电磁约束关系对了解永磁同步电机的原理和研究高性能的控制决策提供了理论依据 建立适合闭环控制svpwm逆变器仿真模型 使用该模型可以大大提高仿真速度 对闭环控制系统进行的仿真研究 验证模型的正确性 通过仿真 可以深入理解空间电压矢量的控制原理以及控制效果 同时也可加快实际系统的设计和调试过程 3 2 1卡尔曼最优估计原理 采用卡尔曼最优估计原理 将其应用到交流永磁同步电动机伺服系统中 并能够提出一种基于扩展卡尔曼滤波器的永磁同步电机 pmsm 无速度传感器调速系统的方法 结合卡尔曼滤波原理 通过在静止坐标系下对电机非线性方程进行线性化 给出一种对永磁电机的转子位置角和转速进行实时在线最优估计的方法 该方法具有优良的转角跟踪特性和较好的转速跟踪特性 同时系统要具有较强的抗负载扰动性能和较佳的控制性能 无位置传感器控制实质上就是调速系统中由软件算法递推得到转子位置和转速来代替由外加传感器实现的转角和转速测量部分 其他部分与常规的调速系统相同 电机端电压和相电流经过坐标变换转化为静止坐标系下的电压和电流量 输入到ekf 非线性系统的扩展卡尔曼滤波算法 中得到转速和转子位置 经过转速修正环节 把它送入pi控制器 输出电机控制电压 经过逆变器后加到电机上 难点 模型复杂设计参数较多参数不易得到 3 2 2基于估计坐标系 基于估计坐标系提出pmsm无位置传感器矢量控制的一种新的状态估计方法 能够将电气稳态操作概念引入电机的状态估计中 解决暂态过程中转子速度 位置估计不精确的问题 在讨论状态估计算法对电机参数依赖性的基础上 给出估计误差补偿算法 3 3启动问题 针对无位置传感器控制方法检测电机转子初始位置问题 提出一种利用恒定的定子磁场将永磁转子进行初始定位 然后利用旋转磁场锁定转子位置的新起动方法 因此 启动时通过适当控制逆变器三桥臂的通断状态 可以将转子初始位置锁定在0度位置 转子与定子a相重合 初始定位后为了实现电机顺利启动 启动过程程序只处理电流环 给定恒定的转矩电流 并产生一个低频的旋转磁场 由该磁场带动转子旋转一周 再切换双闭环控制 转速估算 进行正常的加速过程 旋转磁场的频率不能太高 具体值由实验决定 3 4硬件实现 在理论分析的基础上 设计永磁同步电动机全数字控制硬件平台 采用dsp2812专用语言编制