电梯用永磁同步电机无速度传感器矢量控制研究.pdf

电梯用永磁同步电机无速度传感器矢量控制研究 于志强 李志雄 1武汉市特种设备监督检验所武汉4 3 0 0 6 3 2武汉理工大学能源与动力工程 学院武汉4 3 0 0 6 3 摘要 研究了一种基于模糊观测器的P MS M无速度传感器矢量控制系统 阐述了其控制原理 介绍了模 型观测器设计 数字仿真试验验证了其控制系统性能良好 在 0 4 0 0 0 r m i n转速范围内能够得到较高的转子位 置和速度估算精度 关键词 电梯 永磁同步电机 无速度传感器 模糊控制 观测器 中图分类号 T M 3 0 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 0 7 8 5 2 0 1 2 0 2 0 0 2 7 0 3 Ab s t r a c t Th i s p a p e r s t u d i e s t h e P MS M s e n s o r l e s s v e c t o r c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n t h e f u z z y o b s e r v e r a n d p r e s e n t s t h e c o n t rol p ri n c i p l e a n d t h e mo d e l o b s e r v e r d e s i g n T h e d i g i t a l s i mu l a t i o n t e s t v e rifi e s t h a t i t s c o n t r o l s y s t e m i s i n g o o d p e r f o r ma n c e a n d C an r e a c h h i g h r o t o r p o s i t i o n a n d s p e e d e s t i ma t i n g p r e c i s i o n i n t h e 0 4 0 o o r mi n r a n g e o f s p e e d Ke y wo r d s l i ft p e r ma n e n t ma g n e t s y n c h r o n o u s mo t o r s e n s o r l e s s f u z z y c o n t r o l o b s e rve r 0 引言 1 P MS M 数学模型 永磁同步 电动机作 为电梯曳引 电机具有效率 高 机械 噪声小 转 矩脉动低 动态 响应 快 质 量轻 体积小 等优点 因此得 到广泛应 用 但 是 多数电梯控 制系统采用机械式 传感器测量转 子的速度和位置 这不仅加大 了系统控 制 的复杂 度 增加了成本 而且传感器的安装精度以及检 测精度都会影响系统性能 4 1 因此 将无速度传 感器控制引入到电梯控制系统 中 对优化其结构 简化控制电路 降低制造成本等十分有利 目前 提 出了多种无速度传感 器 P MS M 矢量 控制方法 包括 模型参考 自适应 自适应 观测 器 3 J 高频信号注入法和智能控制等 I 4 J 其 中 模糊控制作 为一种 成熟 的智能控制 技术 已经投入 了实际应用 并对 存在不确定 非线性 的控制对 象表现出优异的控制性能 因此 利用模糊理 论来估算 P MS M转子位置会得到 良好 的逼近效果 所 以 本文研究 了一种基 于模 糊观测器 的无 齿轮 电梯用 P MS M无 速度传感器控制 系统 该控 制系 统采用 i 0的 S V P WM控制策略 利用模糊观测 器估算 P MS M 的速度 位置信号 以实 现无 速度 传感器控制 数字 测试 结果表 明 该控制 系统具 有良好的稳态和动态控 制性能 转 子位置 转速 辨识准确 表面式永 磁同步电机在旋转 d q 坐标 系 下的定子 电流数学模型为 2 f R i q p q r 1 u d R i d d 一 0 9 磁链方程为 f 2 d Li d f 电机转矩为 T o 3 p f i 2 3 电机运动方程为 p B w p 一T L 4 式 中 i d i 为定子 电流 d g轴分量 d 为定子 电压 d q轴分量 R 为定子绕组 电阻和 电感 为转子永磁体磁通 为转子角速度 为转子转动惯量 为负载 力矩 为摩擦粘性 系数 P 为电机极对数 P为微分算子 将式 1 转换到静止 O t 一 B 坐标系中可得 n P 一 r f i n r 5 B R i p p L i B f c o s O 式中 i 和 i 为定子 电流 O 卢轴分 量 和 为定子 电压 O t 卢轴分量 0 为转 子位 置 f s in O 项和 f c o s O 项为电机反电动势o 卢轴 国家自 然科学基金资助项 目 5 1 1 7 5 2 9 7 高等学校学科创新引智计划 I I I 计划 项 目 B 0 8 0 3 1 起重运输机械 2 0 1 2 2 一2 7 分量 反电动势 轴分量表达式包含 了 P M S M转子位置信息 可以利用反电动势来求取转 子位置 2 P MS M 无速度传感器矢量控制 2 1 总体控制原理 由式 3 可见 电机产生 的驱动转矩只与 i 成正比关系 为了使 i 最大 以得到最大电机转矩 一 般采用 i 0的控制策略 2 J 另外 对于逆变器 的 P WM 调制技术 目前 应 用较为广泛 的有 S P W S V P WM及 C V S D调制等 然而 试验研究 表明S V P WM是性能较好的技术 所以 本文采用 S V P WM调制技术 而对于转子位置 速度反馈信 号则利用模糊观测器来进行估算 整个控制系统 的原理框图如 图 1所示 其 中 速度反馈值和 P a r k 变换的角度值均取于模糊观测器估计值 速 度控制器和电流控制器均为P I 调节器 图 1 P MS M无速度传感器矢量控制原理图 2 2 模糊观测器设计 由式 5 电机反 电动势 轴分量有 ta n 一 一 t O要 f c o s0 1 ta n 一 一 e 1 6 r r 8 式中 e e B表 示 电机 的反 电动势 o t 卢轴 值 这样 只要得到e 和 e 就可以反推出转子位 置 继而计算出速度信号 由此 本文采用 2个 结构相同的模糊观测器来分别估算 e 和 e 基于 模糊观测器的转子位置 速度估算结构如图 2所 示 其中 模糊观测器为2输入 1 输出结构 2 个观测器输入信号分别为电机定子实际电流 卢轴分量 和 i 以及它们与电机定子估算电 流之差 i i 和i p i B 输出信号则是估算的e 和 e 电机定子估算电流由下式得到 r M n一 n e I p B M B R i B e p 图 2 P M S M转子位置 速度估算模型 在利用模糊逻辑来估算 e 和e 时 模糊观测 器输入与输出的隶属度函数的设计 以及模糊推 理规则的确定是保证估算精度的关键 本文设计 的模糊观测器采用相同的结构参数 2 个输入变量 的论域分别为 一 5 5 和 一1 O 1 0 模糊输 出初始论域为 0 1 5 输入输 出隶属度函数 见图3 均取7 个语言变量值 N B N M N S Z E P S P M P B 控制规则 见表 1 采用 Ma n d a n i 规则 即 t i f I n i s A a n d i n 2 i s 台 t h e n O u t i s C 反模糊化采用重心法 O 嚣 o 0 0 论域 a a 输入 i 或 i p b 输人 i 一 或i B 一 c 输出e 和e B 图 3 模糊观测器输入 输出变量隶属度函数分布图 起重运输机械 2 0 1 2 2 表 1 模糊控制规则表 I n 1 0u t NB NM s z E P s p M pB NB P B P B PM PM p s zE zE NM P B P B P M Ps p s zE zE Ns P M P M P M P S zE Ns Ns I n 2 z E P M P M Ps z E Ns N M NM P S P S P S z E Ns Ns NM NM p M z E z E NS NM NM NM NB P B z E z E N M NM NM NB NB 妄 基 辩 母 3 仿真测试 为了验证设计方案的有效性和可行性 本文 利用 M a t l a b S im u l i n k建立了图 1 所示的 P M S M控 制模型进行仿真研究 仿真中所用电机参数为定子电阻 R 2 5 Q 定子电感 L 0 0 0 0 5 2 H 永 磁体磁通 0 2 5 Wb 转动惯量 J 0 0 0 0 0 5 5 k g m 阻尼系数 B 0 极对数 P 2 图4给出了当转速参考指令在 0 4 0 0 0 r m i n 范围内波动 时 P MS M 的输出转速波形 从 图中可 知 模糊观测器估计的转速十分接近电机实际转 速 并且能够很好地跟踪转速参考指令 图4 无速度传感器矢量控制仿真输出转速波形 由此可见 所设计的 P M S M无速度传感器矢 量控制系统输出的转速动态响应快 稳态转速比 较平滑且跟踪性能较好 并对 P M S M速度和位置 估计精度较高 鲁棒性较强 4结论 无齿轮电梯在电梯的发展中占有越来越重要 的地位 其对曳引电机控制系统结构和性能都有 很高的要求 曳引永磁同步电机无速度传感器矢 量控制系统的创新在于 利用模糊观测器估计转 子速度 位置信号 实现了曳引 P M S M高性能无 速度传感器控制 数字仿真试验表明 在较大调 速范围内 所设计的模糊观测器工作稳定 能够 对转子速度 位置进行较精确估计 从而证明了 该控制系统的有效性 参考文献 1 何罡 黄大为 黎坚 等 无齿轮电梯专用永磁同步 起重运输机械 2 0 1 2 I 2 电机调速系统的实现 J 电力电子技术 2 0 0 3 3 7 2 1 3 2 李志雄 汤双清 杨家军 等 飞轮电池充电过程无 速度传感器矢量控制 J 微特电机 2 0 1 0 4 5 8 61 3 蒋宇 汤双清 杨家军 基于 自适应观测器的感应电 动机矢量控制研究 J 微特电机 2 0 0 9 1 1 4 1 45 4 李鸿儒 顾树生 基于神经网络的 P MS M 速度和位置 自适应观测器的设计 J 中国电机工程学报 2 0 0 2 2 2 1 2 3 2 3 5 5 G B i l a l 0 M e h m e t S e n s o r l e s s v e c t o r c o n t r o l o f a P e r ma n e n t ma g n e