交流永磁同步电机的速度观测器的研究及实现

1、硕士学位论文交流永磁同步电机的速度观测器研究及实现research and realization on speed observer of ac pmsm宋 成哈尔滨工业大学2011年 6月国内图书分类号：tp242国际图书分类号：620学校代码：10213密级：公开工学硕士学位论文交流永磁同步电机的速度观测器研究及实现硕士研究生：宋 成导师：楼云江博士副导师：黃瑞宁博士申请学位：工学硕士学科：控制科学与控制工程所在单位：深圳研究生院答辩日期： 2011 年 6 月授予学位单位：哈尔滨工业大学classified index: tp242u.d.c: 620dissertation for

2、the master degree in engineeringresearch and realization on speed observerof ac pmsmcandidate：supervisor：co-supervisor:academic degree applied for：speciality：affiliation：date of defence：song chengdr. lou yunjiangdr. huan ruiningmaster of engineeringcontrol science and engineeringshenzhen graduate sc

3、hooljune, 2011degree-conferring-institution： harbin institute of technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要目前，随着交流永磁同步电动机的广泛应用以及对其驱动器研究的深入，人们对速度反馈精确度要求越来越高。传统光电码盘由于线数的限制已经不能满足高精度下的要求，如果提高光电电码盘的线数又会相应地提高成本。鉴于此，国内外许多学者提出了速度观测器来观测速度。速度观测器具有精度高，可靠性高，实时性强等优点，能满足对真实速度的精确跟踪。但是因其算法比较复杂，曾一度限制了它在工程上的应用。近年来由于计算机技术的讯速发展和数学信号处

4、理器（dsp）技术处理数据能力的增强，为观测器的应用提供了可能。目前，观测器已在许多领域获得了良好的应用。本文首先根据永磁同步电动机的数学模型，对永磁同步电动机进行数学建模，在坐标变换的基础下完成电流环和速度环的设计。根据控制原理建立全阶状态观测器，kalman 滤波观测器。通过 matlab 里的工具箱 simulink 对上述模型进行仿真，并和码盘微分时测得的速度相对比，发现 kalman 滤波观测器能很好地改善系统的动态性能和提高系统速度的精度。在仿真的基础上，我们在驱动系统的硬件平台上对 kalman 滤波观测器进行验证，用上位机显示速度反馈值，证实 kalman 滤波观测器确实有改善

5、系统动态性和提高精度的作用。关键词： 永磁同步电动机；速度观测器；kalman 滤波-i-哈尔滨工业大学硕士学位论文abstractwith the wide use and indepth research of the ac permanent magnetsynchronous motor (pmsm), people want to get more quickly feedback speed.usually people use optical coder to detect the speed of the motor, but it often cantobtain the p

6、recise speed because of the limit of line number of optical coder. and itwill add cost if utilizing optical coder with higher line number. so many scholarsput forward the method which uses speed observer to detect speed, speed observerhas a highly reliability and instantaneity, so it can gain a good

7、 trace result to the realspeed. but this method had been not widely used in practise in the past because ofits complex arithmetic.now, with the development of computer and dsp technology, the speedobserver was applied widely. so far, the observer has been used in many fields.this thesis builds the m

8、athematical model of pmsm firstly, and then designsthe current loop and the speed loop, full order state observer and the kalman filterobserver based on the coordinate transformation, finally part is simulation usingmatlab/simulink, and compared the result that uses optical coder. the simulationshow

9、s that the kalman filter observer improves the dynamic characteristics ofsystem and obtains a precise speed.at the end, this thesis has done the simulation on the hardware platform tocheck the kalman filter observer, and observed the result by the pc. it finds that thekalama filter observer plays re

10、ally the role that improves the dynamiccharacteristics of system and precision of the speed.keywords: pmsm, speed observer, kalman filter- ii -哈尔滨工业大学硕士学位论文目录摘要 .iabstract . ii第 1章绪论 . 11.1 课题背景 . 11.2 课题的研究目的及意义 . 11.3 国内外研究现状 . 11.3.1 交流永磁同步伺服系统在国内外研究现状. 11.3.2 永磁同步电机检测速度的方法及现状 . 41.4 课题主要研究内容 . 5

11、1.5 本章小结 . 6第 2章永磁同步电机数学模型及其空间矢量控制 . 72.1 永磁同步电动机数学模型 . 72.2 双闭环调速系统 . 92.2.1 电流环调节器的设计 . 92.2.2 速度环调节器的设计 . 102.3 svpwm系统. 122.4 本章小结 . 17第 3章速度观测器 . 183.1 全阶状态观测器 . 183.1.1 基本原理 . 183.1.2 速度观测器的设计 . 203.2 kalman滤波原理 . 223.2.1 kalman 滤波观测器建模 . 233.2.2 带有全阶观测器的kalman滤波观测器建模 . 243.3 本章小结 . 25第 4章系统的建

12、模和仿真 . 264.1 svpwm的建模 . 264.2 速度观测器建模与仿真 . 274.2.1 全阶速度观测器建模与仿真 . 274.2.2 kalman 滤波观测器建模与仿真 . 31- iii -哈尔滨工业大学硕士学位论文4.2.3 带有全阶观测器的kalman滤波观测器建模与仿真 . 344.3 本章小结 . 36第 5章永磁同步电机驱动的实现 . 375.1 永磁同步电机驱动硬件系统 . 375.2 软件实现 . 395.3 实验与分析 . 415.4 本章小结 . 42结论 . 43参考文献 . 44攻读硕士期间发表的学位论文 . 48哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权

13、说明 . 49致谢 . 50- iv -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 1章绪论1.1课题背景本课题是学校和深圳雷赛科技有限公司合作的课题，通过对伺服系统的研究以期获得更精确的速度反馈值来提高伺服控制的精度。通过雷赛公司和学校导师研究讨论最后提出用观测器观测速度。1.2课题的研究目的及意义永磁同步电动机因具有高转矩惯性比、高能量密度、高效率等优点，而被航天航空、电动汽车、数控机床，等工业控制领域广泛的应用1,2。为使永磁同步电机获得高精度，高动态性能闭环控制，则需要获得永磁同步电动机转子的速度与位置信息。大多数驱动的速度和位置信息是通过光电码盘获得的，这种方法的缺点是测的速度是平均速度，而不

14、是某一时刻的瞬时速度，并且由于噪声的影响，必须再引入一个一阶滤波环节来滤掉高频噪声，这就使系统的相位发生偏移3,4。除此之外由于码盘线数的限制，使由码盘得到的速度信息也不是十分理想，尤其在低速度条件下。如果增加码盘的线数又会相应的增加成本，而观测器恰恰能很好地避免以上码盘的缺点。鉴于此国内外许多学者提出了使用观测器的方法来观测速度，观测器的提出对于降低成本，提高速度精度具有较大的实际应用意义。1.3国内外研究现状1.3.1交流永磁同步伺服系统在国内外研究现状近年来，随着微电子技术、微型计算机技术、电力电子技术、传感器技术以及稀土材料和电机控制的发展，交流伺服控制技术有了长足的发展，交流伺-1-

15、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文服系统逐步取代直流伺服系统已成必然5,6。其控制系统图如图 1-1 所示，由永磁同步动机，控制器，功率驱动器等五部分组成。传感器将永磁同步电机电流等信息传送给控制器，控制器再通过一系列的计算输出一系列弱信号，这些弱信号再通过功率驱动器转化成相应的强信号，驱动电力电子器件，形成一系列pwm 波形，进而对 pmsm 达到控制的作用。控制信号电力电子变流装置功率驱动器控制器永磁同步电动机位置传感器图 1-1 永磁同步电动机控制系统图fig.1-1 the control system for pmsm对永磁同步电机的控制经历了开环控制和闭环控制两种阶段。电动机采用开环控

16、制调速相对闭环来说简单，只需改变供电电源的频率就可实现对电机的调速，不需要安装位置传感器和速度传感器。但此种方法的缺点是不能使永磁同步电机的电源频率改变的太快。因为在频率调节过程中，如果电源频率增加的太快，相应的也会使定子磁场的频率快速增加，进而使定子磁场转速增加就很快，而转子由于带有负载受转动惯量的影响，使转子转速的变化的太快，而不能跟上定子磁场的变化，这就使定转磁场之间出现相位差并且相位差迅速增大7-9。当永磁同步电机的定转子磁场之间的相位差达到一定的值后永磁同步电机就不能稳定运行，会使电磁转矩减小，当电磁转矩小于负载转矩时，电机的转子减速，而不是加速，这将进一步加大定转子之间的相位差，从

17、而使永磁同步电机失步，最终导致永磁同步电机停转，调速失败7-9。随着控制理论的发展，现在大都采用闭环控制，通过电流和位置等反馈信息实现对电机的精确控制。为得到 pmsm 高性能高精度的转拒，目前通常采用矢量控制，即磁场定向控制。对于他励直流电机来说，定子电流产生的励磁磁势和转子电流产生的转-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文子磁势正交，因而电磁转矩 te = cr i a （ cr 为转矩常数， 为励磁磁通， i a 为电枢电流）。从电磁转矩公式我们可以看出，主磁通和电枢电流是相互独立的，可以通过调节励磁电流来控制主磁通，进而可以通过分别调节电枢电流和励磁电流来控制电磁转矩，十分方便。但交流电

18、机的励磁磁场和电枢磁场是随电动机负载的变化而变化的，因此不能向控制直流电机那样对交流电机的控制。而矢量控制的提出有效地解决了这个问题，其主要思想是将定子电流通过坐标变换转化成与转子磁场方向相同 d 轴电流（反映对转子的去磁或助磁）和与之相垂直的 q 轴电流（反映电磁转矩），从而达到了模拟直流电机的伺服控制效果3。为了避免上述开环时的失步现象的发生，需要采集定子电流，电压等信号使之构成闭环系统，特别是需要转子位置信息对控制系统的影响很大。工程上转子位置信息的获取通常采用光电码盘或旋转变压器等位置传感器获取。当永磁同步电机的数学模型建立在转子 d-q 坐标系统基础上时，永磁同步电机矢量控制和感应电

19、动机基本相同。永磁同步电机矢量控制策略根据不同的速度调节范围、性能要求等还可以分为如下形式10：（1） id = 0 控制。当 id = 0 时，此时定子的电流中只有交轴分量，永磁同步电机相当于一台他励直流电动机，定子的磁动势空间矢量和永磁体磁场空间矢量正交，此时电磁转矩 t = t= p f iq 。这种方法的优点是控制简单，定子电流与电磁转矩输出成正比，无弱磁电流分量。缺点是电动机端电压和功率角随电动机负载的增大而增大，导致功率因数偏低，对逆变的输出电压要求比较高。另外，该使用此方法时输出转矩中的磁阻反应转矩为 0，没有使 pmsm 的力矩输出得到充分利用11,12。（2） cos = 1

20、控制。该方法的核心思想是使电机的功率因数恒为 1，以便充分利用逆变器的容量。缺点是当负载发生变化时，不能保证转矩绕组的总磁链恒定不变，也就是不能使电枢电流和转矩保持线性关系。另外，该方法退磁系数比较大，最大输出力矩比较小，而且永磁材料会去磁，从而影响电机效率、功率因数。（3）最大电流比控制。最大电流比控制即最大电磁转矩控制，通常运行恒-3-em m哈尔滨工业大学工学硕士学位论文转矩区域内，电机输出在特定电磁转矩条件下，使定子电流最小的控制。（4）弱磁控制。为了拓宽电机的调速范围，使电机运行于高速区，在电动机的端电压不变的情况下，通过减小励磁磁场，使电机速度升高，即弱磁控制。1.3.2永磁同步电

21、机检测速度的方法及现状（1）根据 pmsm 电磁公式估算转速与位置。 该方法通过传感器检测定子的三相电压和电流，因为永磁同步电机的电压和电流中包含了转子的转速和位置信息。然后可通过 pmsm 随转子位置变化的相电感来估计转子的位置，可通过定子磁链空间矢量来估计电动机转子的空间位置，可利用电枢绕组反电势过零点的位置的检测值估算转子的位置13-15。本方法的优点是计算简单，动态响应快，几乎没有延迟，但对 pmsm 的参数要求较高，当电机运行时，由于铜损等使电机发热，电机的参数相应的发生变化，这就导致位置和速度的估计值与真实值之间有一定的偏差。此外，此种方法因没有补偿环节和校正环节，因此常和电机参数

22、的在线辨识相结合使用16。（2）模型参考自适应方法 自 hsiao kubota 提出了转速自适应磁链观测器之后，引起了许多学者的兴趣并对其做了深入的研究。模型参考自适应辨识的主要思想是通过两个模型的比较来调节可调模型里的参数。首先，先建立两个模型，一个模型有待估计的参数，我们称作可调模型，另一个模型不含有未知参数，我们称作为参考模型。两个模型具有相同物理意义的输出量，利用其输出量的差值采用合适的自适应率对可调模型的参数进行实时调节，来达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的17,18。（3）基于观测器的估算方法 目前为止，国内外利用观测器大体可分为三种：滑模变结构观测器，全阶状态观测器，降阶状态

23、观测器和 kalman 滤波观测器等。利用观测器的优点是稳定性高，动态特性好，系统参数鲁棒性好，缺点是算法相对比较复杂，计算量大，但是随着 dsp 的迅速发展使观测器的实现成为可能19,20。上世纪 50 年代，前苏联学者 emelyanov、utkin 和 itkin 等提出的一种非线-4-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文性控制-滑模变结构，随后麻省理工的 j.j.slotine 在 1986 年决策和控制会议上，探讨了滑模观测器的估计问题，从此人们便对滑模估计做了大量的研究。 所谓的滑模变结构就是使系统的结构随着时间的变化而变化的开关特性。通过切换开关状态，使系统在一定的幅度的相平面上运动，

24、直至到达稳定状态。滑模变桔构具有很好的鲁棒性，并且算法简单，易于实现，因此在工程上得到了一定的应用。缺点是容易产生抖振21-24。目前滑模观测器大多都用于对没传感器的永磁同步电机的测速。状态观测器的实质是状态重构。根据系统的输入变量和输出变量的值估计出状态变量，通过重构系统来估计状态中不能测量的状态25,26。全阶状态观测器具有高的稳定性，鲁棒性等特点而被广大学者关注，早期由于算法计算量大，工程上实现起来比较困难，而限制了全阶状态观测器的应用。近年来由于计算机的发展特别是数字信号处理器（dsp）的迅速发展，使处理器对数据的处理能力大大提高，从而为状态观测器的应用提供了可能。目前，全阶观测器在各

25、个领域几乎都有应用。匈牙利数学家 rudolf emil kalman 在 1960 年的论文中提出了 kalman 滤波观测器算法27,28。kalman 滤波因引入了模型的系统误差和测量误差而具有很高的精度，它能实时调整预测值的状态、具有很强的动态性能和抗干扰能力20。工程上为了得到永磁同步电机的位置，速度的精确信息，通常通过一定精度的光电码盘借助于 kalman 滤波观测器算法对系统观测来实现。但是 kalman 滤波观测器由于需要对矩阵求逆等，而需要高水平运算能力的处理器，所以实现起来一般成本比较高。1.4课题主要研究内容本课题主要任务是在有光电码盘的情况下得到高精度的速度反馈值，因只

26、用码盘测速时速度在低速时效果不好，并且码盘测得的速度是平均速度而不是在某一时刻的瞬时速度。为此，本文考虑用速度观测器的方法观测出比较精确-5-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的瞬时速度，从而实现对电机的精确控制。第一章绪论部分，主要完成对对永磁电机的介绍，然后对 pmsm 驱动系统做一定的介绍，最后介绍对 pmsm 测速常规的方法以及速度观测器在国内外的发展状况。第二章主要介绍永磁同步电机的数学模型，以及双闭环调速系统的电流环和速度环的设计，最后完成对空间矢量控制算法的介绍。第三章主要完成对全阶观测器的原理以及 kalman 滤波观测器原理的介绍，并结合电机的数学模型建立观测器的表达式。第四章主

27、要是对永磁同步电机进行建模和仿真，在这一章将完成对全阶状态观测器，kalman 滤波观测器，以及全阶观测器加 kalman 滤波观测器的建模与仿真。并将每一种方法和码盘的结果进行比较，最后找出最合适的方法。第五章主要完成将上述选定的方法通过 dsp 实现，并在硬件平台上用示波器观察实际的效果。1.5本章小结本课题是和企业合作的课题主要是为测得比较精确的反馈速度。在本章里主要介绍了永磁同步电机及其驱动系统，以及速度观测器的研究的意义及国内外发展的现状。最后在第四节里安排本课题的研究内容。-6-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第 2章永磁同步电机数学模型及其空间矢量控制2.1永磁同步电动机数学模型永

28、磁同步电动机（pmsm）是近年来应用比较广的电机之一。它因体积小、效率高、结构简单、容易生产等特点而被各个领域广泛应用。永磁同步电动机采用铁氧体，钦铁硼，稀土钴等作为永磁体的主要材料，以前以铁氧体居多，而新一代伺服电动机大多采用钦铁硼，由于该材料具有较好的剩余磁密，矫顽力，最大磁能等优点，而被广泛的应用。永磁同步电机同其它电机相比具有体积小，重量轻，可长时间使用等特点。按照隐极和凸极的不同，可将永磁同步电机分为表贴式永磁同步电机（以下简称表贴式）和内埋式永磁同步电动机(以下简称内埋式)。如图 2-1 为两类同步电动机转子的切面图。sn（a）表贴式snnsns(b)内埋式图 2-1 两类同步电动

29、机转子的切面图fig.2-1 the slices for two type of pmsm表贴式永磁同步电动机是指将永磁体安装在永磁同步电动机转子的表面。它的特点是交轴和直轴的电感基本相同，这就使得电动机定子和转子之间的磁路分布均匀矢量控制容易，因此大部分伺服系统采用表贴式。内埋式永磁同步电机是指将永磁体埋入转子轴里面，特点是交轴电感大于直轴电感，定子与转子之间的磁路分布不均，与表贴式相比矢量控制困难，但有较高的机械强度，因此通常在高速场合应用。-7-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文永磁同步电动机与直流电动机相比其数学模型复杂的多，是一个非线性，多变量，强耦合的控制对象。因此对其探制也较直流电

30、机复杂，通常对其数学模型进行坐标变换将其数学模型变成和直流电机相等价的数学模型。为了方便分析，常假设转子铁心不会发生饱和，没有涡流和磁滞的损耗，当温度和频率发生变化时不会影响 pmsm 参数（参数不变）29。永磁同步电机在三相静止坐标系下的模型如图 2-2 所示。线圈 a、b、c 代表三相定子绕阻，分别通以三相电流 ia 、ib 、ic ;转子上无线圈，电机以 r/min旋转。图中 f 转子永磁体的磁链， f 与 a 相绕组之间的夹角。i a fi cib图 2-2 三相静止坐标系fig.2-2 three-phase static coordinate system此时电机电压方程为： d

31、ddt d其中， a 、 b 、 c 在各相绕组中的永磁体磁链的投影。经过 clark 和 park 变换后得到 d-q 坐标系下的数学模型为：-8-（2 -1）u a = rsia + dt aub = rsib + b uc = rsic + dt c哈尔滨工业大学工学硕士学位论文q a q d= ld id + f dd（2 -2）（2-3）=1.5 pn ( f iq + (ld lq = 1.5 pn f iq（2 -4）其中，ud ，uq ，id 和 iq ， ld 和 lq 分别为 d 轴和 q 轴电压、电流和电感； d 和 q为 d 轴定子磁链和 q 轴定子磁链；te 和 tl

32、 为电磁转矩与负载转矩； ra 为定子电阻； f 为永磁体磁链； pn 为极对数。2.2双闭环调速系统在对电机的调速时，为了实现电流和转速两种负反馈的分别作用，一般在系统中设置两个 pi 调节器（acr 为电流调节器，asr 为速度调节器），分别调节电流和转速，引入电流和转速负反馈。二者实现嵌套联接如图 2-3 所示。电流检测n asracr全控桥电机n速度检测图 2-3 双闭环调速系统fig.2-3 the flow chart for double loop velocity control system2.2.1电流环调节器的设计经过 park 变换后，永磁同步电机电流环控制框图如图 2

33、-4 所示。电流调节器采用 pi 调节其传递函数为：gi 0 (s) =k pi ( i s + 1) i s（2-5）其中 k pi 为比例常数， i 为积分常数。-9-ud = raid + dt qdqu = r i + + dtq q qi= ldte)id iq )哈尔滨工业大学工学硕士学位论文iq*-pi1ls + riq图 2-4 电流环框图fig.2-4 the flow chart for current loop系统开环传函为：g(s) =k pi ( i s + 1) i s1ls + r（2-6）令 i =lr，则可将 ls+r 项消去；得此时的传递函数为：g(s) =

34、k pils（2-7）令 k=k pil，则此时的闭环传递函数为 (s) =ks + k（2-8）由上面的传递函数，可以知道经过 pi 调节后的系统的传递函数是一个典型的一阶系统，这对我们控制电流有很大的帮助。可以通过系统传函的上升时间，来确定 k 值，进而确定 k pi ，即确定了电流调节器的两个参数，完成对电流调节器的设计。2.2.2速度环调节器的设计为了简化，我们把带有调节器的电流环内环传函式（2-8）写成：gi (s) =1c s + 1（2-9）速度环仍然采用 pi 调节器，其方框图如图 2-5 所示，其中 pi 的传递函数为：gv 0 (s) =k pv ( v s + 1) v

35、s（2-10）其中 k pv 为比例常数， v 为积分时间常数。-10-g哈尔滨工业大学工学硕士学位论文*-pi1 c s + 1ktte-tl1j ms图 2-5 速度环框图fig.2-5 the flow chart for speed loop系统的开环传函为：gv (s) =k pv ( v s + 1) v s1 k i s + 1 j m s=kt k pv ( v s + 1)2= =2k s ( v s + 1)（2-11）其中 kt 为电磁转矩系数， j m 为转动惯量， k s =kt k pvj m v。由（2-11）式我们可以看出系统是二型系统，为了便于控制，通过选取合

36、适的 k pv ， v 可以将系统设计成典型的二型系统。典型二型系统的对数幅频特性如图 2-6 所示。-40db/dech-20db/dec1cn2 / s 1-40db/dec图 2-6 二型系统幅频特性区fig.2-6 the amplitude-frequency character for type ii system为了叙述方便，引入一个新的变量 h:h =21(2-12)-11-l / dbgg tj m v s ( i s + 1)s ( i s + 1)哈尔滨工业大学工学硕士学位论文其中，h 代表斜率为-20 在 db/dec 的中频带的宽度。由于 2 是一定的。所以，改变 1 就相当于将中频段上下平移，进而改变 h,所以工程上在设计调节器时，选择了 h 和 cn 就相当于确定了 k 和 1 进而可以算出 k pv 与 v 。下表给出了不同 h 下 m r min 值和对应的最佳频比。表 2-1 不同 h 值时的 m r min 值和对应的最佳频比table 2-1 the value of m r min and the optimum frequency ratio in the state of different hh345678910m r