交流电机调速技术

1、指导老师： 主讲人： 学号： 目录目录 永磁同步电机（PMSM） PMSM 的控制 无位置传感器控制技术 低速和零速 中速和高速 全速度 永磁同步电机 永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM) 是一种采用强抗退磁永磁材料替代励磁绕组的同步电机，由于省去了励磁绕组、 集电环和电刷装置，具有功率密度大、能量转换效率高、转动惯量小、运行可靠等 一系列优点。 分 类 磁场空间分布 永磁体的安装 方式 梯形波PMSM(无刷 直流) 正弦波PMSM 内置式PMSM 表面插入式PMSM 分 类 磁场空间分布 永磁体的安装 方式 梯形波PMSM(无刷

2、直流) 正弦波PMSM 表贴式PMSM 分 类 磁场空间分布 永磁体的安装 方式 磁场空间分布 梯形波PMSM(无刷 直流) 正弦波PMSM 分 类 永磁体的安装 方式 磁场空间分布 PMSM 控制方法的介绍 永磁同步电机(PMSM)控制系统： 控制其速度、位置 高精度的电机系统对转子速度控制和位置控制的提出很高的要求，对传感 器的要求也相应地提高。 不需要安装传感器，检测相关参数， 利用电气特性来反映机械运动特性。 PMSM无位置传感器控制技术 优点： 不改造电机；省去昂贵的机械传感 器、降低维护费用；不受工作环境 影响； 传统的方法： 缺点： 在电机转子和机座的位置上安装电 磁或光电传感器

3、来测量转子位置，如 光电编码器(Encoder)和旋转变压器 (Resolver)。 由于加装机械传感器引起的电机轴 抖动、机械惯量增加； 系统成本增 加、体积增大、受工作环境影响、 耐用性和可靠性降低 PMSM无位置传感器控制技术 文本 电机调速的本质是控制其转矩，包括：开环控制、闭环控制方式 开环v/f控制 在转子上加异步环，使电机异步启动，然后牵入同步，控制简单，动态 响应性能较差,只控制了电机气隙磁通，不能进行实时的动态调节转矩 文本 闭环控制：直接转矩控制、矢量控制 矢量控制： 利用同步旋转坐标变换将电机三相电流变 换为转矩电流，励磁电流分量，实现电机 的解耦，与直流电动机一样有着优

4、良的调 节性能； 文本 直接转矩控制： 基于电机定子磁场定向，无需旋转 坐标变换，在定子坐标系下即可实现对 电机磁链、转矩的直接观测和控制，控 制相对简单，但计算量大、控制实时性 要求高 PMSM 无位置传感器控制的基本思想 通过检测定子电流、电压基波或者高频分量，利用直接计算、状态观测、 参数辨识等不同解算方法求取电机转子位置，并估算出电机转速，最终运 用到系统的矢量变换和速度反馈当中，使控制系统能够闭环运行。 通过检测定子电流、电压基波或者高频分量，利用直接计算、状态观测、 参数辨识等不同解算方法求取电机转子位置，并估算出电机转速，最终运 用到系统的矢量变换和速度反馈当中，使控制系统能够闭

5、环运行。 零速和低速时无位置传感器控制技术 电机低速时反电势信号较小不易检测，难以从反电势中获得转子位置 电感测量法 1 电压脉冲法 2 载波频率法 3 低频信号注入法 4 方法方法 高频信号注人法 5 PMSM零速和低速无位置传感器控制技术： PMSM的凸极性主要有结构性凸极、饱和凸极，PMSM的凸极性是由 电机本身或外部激励产生，与电机运行状态无关，故基于转子凸极性 产生的定子电感变化来提取位置信息的方法被广泛应用于低速(零速) 运行下的永磁同步电机无位置传感器矢量控制技术。 原理： 零速和低速时无位置传感器控制技术 2 原理：在正常运行电压信号上叠加特定的测试电压脉冲，如在假定的估算转子

6、坐标系 的估算直轴上施加正、负电压脉冲，通过检测该脉冲产生的估算交直轴电流变化情况 来估算转子位置。如果估算转子坐标系与实际转子坐标系重合，由于是在估算直轴叠 加电压脉冲，不会在估算交轴产生影响；反之，则会引起估算交轴电流的变化，该变 化量与误差角大小有关，通过提取该变化量，即可得到转子位置角。 缺点：精度不高，注入的测试脉冲是离散的，只能实现离散位置的检测。 1 1.离线测量得到三相电感和转子位置的对应关系表 2.直接测量电机定子绕组的电压、电流，由估算转速计算电机的感应电动势， 3.代入电机定子各相绕组电压方程计算绕组电感值，查表得到相应的转子位置角 优缺点：方法实施简单，但估算精度有限。

7、 零速和低速时无位置传感器控制技术 4 通过在直轴注入低频电流信号，利用交轴产生的电压响应结合给定电流来 估计电机转速。该方法不依赖永磁同步电机的凸极特性，仅利用基波模型 就可实现转速估计，因此适用于内埋式和表面式永磁同步电机。 1.信号频率可选取的范围较小；2.负载突变时转速波动较大 ； 3. 系统的动态响应速度较慢 缺点： 原理： 3 利用定子电流或电压的载波频率提取转子位置信息，将逆变器本身的载波 频率信号作为高频激励信号，通过载波频率成分电流的包络线或电流积分实 现转子位置估算。 无需信号注人，不改变控制结构，利用电机电信号的固有高频开关信号来 估计转子位置。但对硬件检测电路的要求较高

8、，易受电机凸极比、信噪比 的影响 优缺点： 原理： 5 激励信号：电压、电流信号 注入形式：旋转、脉振形式 旋转高频电压信号注入法和脉振高频电压 信号注入法高频信号注入法实现方式简单 灵活，无需预先估计转子位置信息。 通过不同的激励方式和信号检测分离技术来获取含有位置信息的电机凸 极信号，以此估算转子位置。 原理： 优点： 不依赖电机参数、可以结合矢量控制技术实 现高性能调速 缺 点： 分类： 需要滤波器进行信号辨识， 注入的高 频信号会引入振动和噪声 中速和高速时无位置传感器控制 通过直接或间接地从电机反电动势中提取位置信息。低速下电机 反电动势较小，系统中的信号干扰等因素使得反电动势的获取

9、更加困 难，无法实现零速和低速时的无位置运行。同时适用于凸极式和隐极 式永磁同步电机。 人工智能算法 4 方法方法 观测器法 3 模型参考自适应法 2 电压电流检测法 1 中速和高速时无位置传感器控制： 中速和高速时无位置传感器控制 电压电流检测法1 通过检测电机三相定子绕组的电压和 电流，根据永磁同步电机两相同步旋 转坐标系中的电压、磁链方程直接解 算得到电机转子位置；或者根据两相 静止坐标系中的反电动势积分得到两 相坐标系上的磁链分量，再由三角函 数关系式得到转子位置角。 计算简单，动态响应快，但位置估算 误差对电机参数依赖性高，需要结合 电机参数在线辨识使用 原理： 优缺点： 模型参考自

10、适应法 2 选择永磁同步电机本身为参考模型，而 将含有待估计参数(转子位置、速度)的数 学模型作为可调模型。初始假设电机转 子位置计算出电机的电气参数，与实际 测量得到的相应参数进行比较，采用自 适应算法实时调节可调模型的参数至两 个模型对应量误差为零，从而获得转子 位置。 控制系统结构简单，稳定性高， 但其估算精度与参考模型及其参 数的选取有关，且计算强度大， 运算速度要求高 原理： 优缺点： 中速和高速时无位置传感器控制 观测器法3 人工智能算法 4 实质是状态重构，即重新构造一个系统，该系统的输入信号是实际系统的输入信号和可测 量得到的其它信号，如电压、电流等，该系统可使输出信号在一定条

11、件下与实际系统的输 出信号等价，其原则就是使两者的误差在动态变化过程中渐近稳定地趋于零。 人工智能算法在永磁同步电机无位置传感器控制中的应用处于起步阶段， 它通过模仿、跟随或学习等手段，对非线性系统动静态特征进行辨识， 具有较高的自适应能力，但也存在着控制算法复杂、计算量大等问题， 离实用化尚有一段距离。 原理： 优缺点： 该方法具有动态性能好、稳定性高、应用范围广等优点， 但其算法复杂，计算量较大，在低速运行时控制效果不理想 常见的观测器： 有全阶、降阶状态观测器，滑模观测器和卡尔曼滤波器 或扩展的卡尔曼滤波器等。 全速度范围内无位置传感器控制 u 在于如何实现两类方法的平滑切换 u 确保切换区间内不出现估计转子位置和转速跳变的现象 u 维持控制系统稳定 从国内外学者对 PMSM 无位置传感器控制技术的研究结果来看，没有一种 单一的方法能使电机在很宽的调速范