第五章无速度传感器技术ppt课件

1、 王 军 在高性能的交流传动系统中，高精度的位置和速度传感器是必不可少的.Data 为了实现高精度、高动态性能的速度和位置控制，为了实现高精度、高动态性能的速度和位置控制，交流传动系统一般采用以下两种控制策略交流传动系统一般采用以下两种控制策略 : : 磁场定向矢量控制：通过坐标变换，将定子电流矢量分解为励磁电流分量与转矩电流分量标量），实现电机磁通和转矩的解耦控制。 直接转矩控制：通过检测电机定子电压和电流，借助电压空间矢量计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得的差值，采用bang-bang两位控制，实现磁链和转矩的直接调节。r rUsbUsaC Co oo or rd di i- -

2、n na at te eT Tr ra an ns s- -f fo or rmma a- -t ti io on nF Fi ie el ld dS St ta at to or rP PWWMMCurrentiSaCurrent iSbUsqUsdi - controlsdi - controlsqw w - controlrefw wsdiisqw wPMSMPMSMCoordinateCoordinateTransformatioTransformation nPosition电压和电流传电压和电流传感器感器转子位置和速度转子位置和速度传感器传感器磁链和转矩观磁链和转矩观测器测器交流传

3、动系统中的传感器交流传动系统中的传感器关键技术：全速度范围下的转子位置检测关键技术：全速度范围下的转子位置检测本钱本钱分辨率分辨率传统的霍尔传感器传统的霍尔传感器光电编码器光电编码器无传感器技术无传感器技术解算器解算器 机械传感器的安装给系统带来以下一些缺陷： 系统的成本大大增加。系统的成本大大增加。 码盘在电机轴上的安装，存在同心度问题，安装不当将影响测速码盘在电机轴上的安装，存在同心度问题，安装不当将影响测速精度。精度。 增加了电机轴上的转动惯量，加大了电机空间尺寸和体积，增加了电增加了电机轴上的转动惯量，加大了电机空间尺寸和体积，增加了电机与控制系统之间的连线和接口电路，使系统易受干扰，

4、降低了可靠性机与控制系统之间的连线和接口电路，使系统易受干扰，降低了可靠性。 在高温、高湿的恶劣环境下无法工作，而且码盘工作精度易受环境条件在高温、高湿的恶劣环境下无法工作，而且码盘工作精度易受环境条件的影响。的影响。 因此，无传感器交流调速系统成为近年来的一个因此，无传感器交流调速系统成为近年来的一个研究热点。研究热点。不 适 应 零 速 或 速 度 非 常 低 的 方 法无 传 感 器 控 制 技 术适 应 任 何 速 度 的 方 法第一类：取决于电机基波励磁和与转速有关的现象所产生第一类：取决于电机基波励磁和与转速有关的现象所产生的反电动势）。这类方法实施虽然简单，但在零速或低速时的反电

5、动势）。这类方法实施虽然简单，但在零速或低速时因反电势过小或根本无法检测，因此只适用于高转速运行。因反电势过小或根本无法检测，因此只适用于高转速运行。 第二类：具有三个基本特征第二类：具有三个基本特征起决定作用的空间凸起、持起决定作用的空间凸起、持续励磁和高带宽、噪声过滤的估算，可以实现电机全速度范续励磁和高带宽、噪声过滤的估算，可以实现电机全速度范围内转子位置的检测。围内转子位置的检测。 异步电机中的无异步电机中的无传感器控制技术传感器控制技术动态速度估计器方法动态速度估计器方法模型参考自适应方法模型参考自适应方法MRAS)自适应速度观测器自适应速度观测器转子齿谐波法转子齿谐波法 高频注入法

6、高频注入法基于基于PI调节器方法调节器方法人工智能理论基础上的估算方法如神经网人工智能理论基础上的估算方法如神经网络、模糊控制等）络、模糊控制等）动态速度估计器方法动态速度估计器方法两种典型的算法：两种典型的算法：直接计算方法直接计算方法利用的数学模型推算利用的数学模型推算利用磁通的代数计算方法利用磁通的代数计算方法通过计算两相静止坐标系下通过计算两相静止坐标系下的电机方程，以三角函数的形式得到转子的位置角的电机方程，以三角函数的形式得到转子的位置角优点：计算简单，动态响应快，几乎没有什么延迟缺陷：需要准确测量定子端量，对电机参数的准确性要求也比较高，因此鲁棒性较差。 这种方法的出发点是基于动

7、态关系的电机派克方程,从电机电磁关系式及转速的饿定义中得到关于转差或转速关系的表达式.多数情况下,角速度计算表达式是由同步角速度 与转差角速度 相减得到的. (4-109) 同步角速度的计算公式可由静止坐标系下的定子电压方程式推得,重写该方程式为:slswww动态转速估计器动态转速估计器slwsw 由定子磁通矢量关系可知 (4-112) sssssasassapiRupiRu(4-110)(4-111)wssassasassssspparctgdtddtd22将式(4-110)与式(4-111)代入式(4-112)得 在转子磁场定向控制中,重写式(4-14)为在定子磁场定向控制中重写式(4-2

8、8)为 (4-115) wssassassasassssiRuiRu22)()(4-113)rdsqrmsliLw.(4-114)()1 (sdssdrsqsrsliLiLpw 由式(4-113)(4-115)可得转子角速度 .除了上述从推导转差角速度入手的思想之外,还可以根据电机方程式直接推导角速度,下面给出推导过程. 静止参考坐标下,由转子电压方程式 消去转子电压电阻 得wrarrrrrararpiRpiRww00rR (4-116)再由定子磁链方程式得 (4-117) wrrrarararrraiipipirmsssramsassaiLiLiLiLmssssmsassasaLiLiLiL

9、i(4-118)把式(4-117)和式(4-118)代入式(4-116),整理得 (4-119)再联解转子磁链方程式与定子磁链方程式,并消去转子电流 , 可得wrsssrasassarasssrsassaiLiLpiLpiL)()()()(rrsmrrarsamraiLiLiLiLrairi (4-120) (4-121) 再将式(4-120)和式(4-121)代入式(4-119)得 (4-122)这种方法的优点是直观性强,从理论上讲速度计算没有延时。但缺点也很突出： )()(sssmrrsassamrraiLLLiLLL)()()()(wspisLspsisLssapisLsasaisLsa

10、sapisLsapsisLsspisLspsaisLsa1.速度的计算需要知道磁通，因而磁通观测与控制的好坏直接影响转速辩识的精度。2.计算过程中用到大量电机参数，如果缺少任何参数辩识环节，当电机参数变化时，计算精度受到严重影响。3.由于缺少任何误差校正环节，难以保证系统的抗干扰性能，甚至有可能出现不稳定的情况。 这种适用于转子磁场定向的矢量 控制系统，其基本思想失 利用某些量的误差项，使其通过PI自适应控制器而得到转速信息。具体原理可由转子磁场定向下电机派克方程推得。同步 旋转坐标系下，转子电压方程式与 转子磁链方程式为 （4123） 基于基于PIPI自适应控制器方法自适应控制器方法rqrs

11、qmrqrdslrqrqriLiLpiRw0（4124）将式4124代入4123消去 可得 （4125） （4126）式中， 由转子磁场定向转差角速度方程式4127来决定。 （4127）rqi*)1(0wwwwwslslrqrrdslsqrmpiLsl*wsqrdrmsliL*w将式4126代入式4125可得 （4128）由式4127与 式4128可知，稳态时，假设 0，则有 此时，辨识角速度 应该等于实际角速度。 可采用 一个 PI调节器对 进行为为零得调节控制，并令该调节器得输出即为 ，可得角速度估计表达式为rqrrdslsqrmpiLwww)1()(0*rqslsl*wwwrqw （41

12、29）转子磁链的q轴分量可由静止坐标系下 的 转子磁链观测器得到，即 （4130） （4131）这样控制的结果，即使得 达零的同时，电机转速的估计值达到实际值。)0)(rqipsKKwdtsrrarqwsincosrq另一种基于PI调节器方法时利用机电运动方程式4132推得的。 （4132）转子磁场定向控制中 （4133） 认为控制过程中 保持恒定，那么 完全由 决议。因而给定转矩电流分量 与其实际响应 之间的差值就反映了转速的变化特性，对它进行处理就可得到转速信息。误差信号送入PI调节器，其输出为角速度估计： LemTTdtdwnpJrdsqrmemiLLpTrdemTsqisqisqi*

13、（4134） 这种基于PI调节器方法的最大优点是算法 结构简单，有一定的自适应能力，但由于涉及转子磁链的估计及控制问题 ，辨识精度很大程度上受磁链控制性能的 影响，而且线性PI调节器的有限调节能力也限制了 辨识范围的进一步扩大。但总的来说，它仍是一种简单易行，效果良好的速度估算方法。)(*sqsqipiisKKw 基本思想：将含有待估计参数的方程作为可调模 型，将不含未知参数的方程作为参考模型，两个模型具有相同物理意义的输出量。两个模型同时工作，并利用其输出量的差值，根据合适的自适应率来实施调节可调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。 由于电机参数的变化，低速时估计精度较差。电

14、流-电压模型法 电压模型是参考模型，当给定定子 和 轴的电压电流，可以直接计算出 ，这是希望的磁链；而电流模型是可调模型，它不但需要定子轴的电流在 轴的分量，而且需要 ，这是需要辨识的角速度，得到实际的 ，把两个模型得到的偏差调到0，通过一个PI调节器，就可以得到一个 ，因此构成反馈，这是一个自适应的原理。 基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 由于神经网络具有自适应和自学习性，故它与线性系统的自适应控制有许多相似之处，基于神经网络的自适应转速辩识方法便由此而产生，利用神经网络进行辩识，一般都是预先规定网络结构，然后通过学习系统的输入和输出，使要求的误差函数达最小，

15、进而归纳出隐含在系统输入和输出的关系. 实际电机神经网络模型BP算法期望状态变量估计状态变量基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 感应电动机的速度估计使用BP算法两层神经网络技术，神经网络的输出期望的值进行比较。期望值和估计值之间的误差用作回馈来调节权位，以使得估计转速跟踪实际电动机转速。 采用人工神经网络ANN)的方法辨识转速，是将可调模型用ADALINE模型替代，其中PI自适应律则利用ADALINE在学习过程中自动调节权值(即采用LMS学习算法)，是一个自适应可调的线性神经元网络。基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 1 自适应线性神

16、经元结构自适应线性神经元结构(ADALINE) 其中 基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 图中，x xl , x2,xn为输入信号； Wjwlj ,w2j, wnj为权值； 分别为输出结点j的实际、期望及其误差值。 ADALINE模型的特点是：根据外界的输入和期望的响应，模型可随时学习；自适应算法可用于权值的学习。 2 ADALINE的学习算法的学习算法 学习算法是人工神经网络的主要特征，其学习算法是人工神经网络的主要特征，其学习过程就是修改权值的过程，最终使期学习过程就是修改权值的过程，最终使期望输出与实际输出之差最小，应用的学习望输出与实际输出之差最小，应用的

17、学习算法很多，其中大多数均由早期的算法很多，其中大多数均由早期的Hebb算算法演变而来。法演变而来。 首先，定义一个输出误差函数首先，定义一个输出误差函数 基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 显然，EW只取决于网络的权值和期望输出。 根据梯度下降法，有 基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 为学习速率；wij为节点i与节点j之间的权值。 3 电流模型的离散化电流模型的离散化 对对MRAS速度辨识系统的可调模型进行离速度辨识系统的可调模型进行离散化，可得到散化，可得到 基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 式中

18、 T采样周期，且 令基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 可简记为 ADALINE等效模型 基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 速度给定157rad/s，空载启动0.2秒时加入TL=10时的磁链波形 速度给定157rad/s，空载启动0.2秒时加入TL=10时的速度波形 全阶状态观测器方法：需要在电机高速和低速时采全阶状态观测器方法：需要在电机高速和低速时采用不同的增益矩阵，因此估计算法比较复杂，而且系用不同的增益矩阵，因此估计算法比较复杂，而且系统对负载变化比较敏感。统对负载变化比较敏感。 扩展卡尔曼滤波法：算法复杂，计算量大，需采扩

19、展卡尔曼滤波法：算法复杂，计算量大，需采用高速、高精度的数字信号处理器，提高了系统成本用高速、高精度的数字信号处理器，提高了系统成本，而且需要大量的调试工作。低速时精度差。，而且需要大量的调试工作。低速时精度差。 滑模观测器法：具有较好的鲁棒性，但由于其本质上是不连续的开关控制，因此会引起系统发生抖动，低速运行时会引起比较大的转矩脉动。 转子凸极追踪法转子凸极追踪法 电机必须具有一个可检测的磁凸极对电机进行改造或内部寄生的不对称性） 需要有持续高频励磁信号 利用凸极跟踪观测器获得转子位置信号 在包括零速在内的任何速度下都能够获得精确的转子位置信息电机中的凸极效应产生的原因：电机中的凸极效应产生

20、的原因：. 电机结构的不对称电机结构的不对称 . 定子或转子铁心饱和定子或转子铁心饱和对于内埋式永磁同步电机对于内埋式永磁同步电机(IPM)、同步磁阻和开关磁阻电机、同步磁阻和开关磁阻电机: 转子转子d轴和轴和q轴电感存在较大的差值，具有较明显的凸极效应轴电感存在较大的差值，具有较明显的凸极效应对于面贴式永磁同步电机对于面贴式永磁同步电机(SPM):转子转子d轴和轴和q轴电感几乎相同，凸极效应不明显轴电感几乎相同，凸极效应不明显 对于凸极效应不明显的电机，可以采取以下两种方对于凸极效应不明显的电机，可以采取以下两种方法获得较明显的凸极特性法获得较明显的凸极特性: 设计改进设计改进 适用于斜槽转

21、子结构的感应电机或表面永磁同步电机适用于斜槽转子结构的感应电机或表面永磁同步电机 感应电机的改进：改变转子漏感感应电机的改进：改变转子漏感 表面永磁电机的改进：在永磁材料间增加一些铁素表面永磁电机的改进：在永磁材料间增加一些铁素 饱和感应饱和感应 适用于斜槽转子的感应电机适用于斜槽转子的感应电机结论结论: : 在某些电机中具有固有的凸极特性，而在其他电机中，在某些电机中具有固有的凸极特性，而在其他电机中，必须通过改变设计结构才会得到较明显的凸极特性。必须通过改变设计结构才会得到较明显的凸极特性。在以转子速度同步旋转的在以转子速度同步旋转的d-q坐标系中，坐标系中，永磁同步电机的电压方程为永磁同

22、步电机的电压方程为:00rrrseqsqsqsrrrsedsdsdsrsvirsviww000rrqqsqsrrdmdsdsLiLi磁链方程为磁链方程为:在静止在静止d-q坐标系中坐标系中电压方程为：电压方程为：0000ssssqsqsqsssssdsdsdsrsvirsvisincos(2)sin(2)cossin(2)cos(2)ssmrrrqsqsssmrrrdsdsLLLiLLLi其中，定子平均电感其中，定子平均电感 定子微分电感定子微分电感 2dqLLL2qdLLL 磁链方程为：磁链方程为： 高频载波电压信号可以用一个以载波信号频率旋高频载波电压信号可以用一个以载波信号频率旋转的载波

23、电压矢量来表示转的载波电压矢量来表示 :cos()sin()isijtsqsiqdsisisisidsitvvvv etvwwwcos()cos()sin()sin()eieijtj tsqdssesisesieittvvvv ev ettwwwwww只考虑高频信号时电机的有效模型可以简化为只考虑高频信号时电机的有效模型可以简化为:,cos(2 )sin(2 )sin(2 )cos(2 )sqdsisqdsiqdsrrqdsrrdivLdtLLLLLLL 载波电压矢量作用在有凸极效应的电机中，产载波电压矢量作用在有凸极效应的电机中，产生出的载波电流矢量为：生出的载波电流矢量为：( )/2)(2

24、( )/2)iirinjtjtqdiipii eei其中，正相序分量和负相序分量的幅值分别为：其中，正相序分量和负相序分量的幅值分别为：2222,iniiipiiivvLLiLLLLww很明显，只有载波电流的负相序分量包含转子位置信息很明显，只有载波电流的负相序分量包含转子位置信息. 在在SPWMSPWM电压源型逆变器供电的拖动系统中，可以通过逆电压源型逆变器供电的拖动系统中，可以通过逆变器将高频载波信号直接加在电机的基波励磁上：变器将高频载波信号直接加在电机的基波励磁上： ( )/2)(2( )/2)irijtjtsqdiipinii ei e(22( )/2)(/2)rijtcjqdiip

25、inii ei e(22( )/ 2)_rijtcqdihpinii eS-CHPC-S( 2( )/ 2 )_rijtsqdihpinii e 同步高通滤波器的设计功能功能: 滤掉反馈信号中的载波电流正相序分量滤掉反馈信号中的载波电流正相序分量同步高通滤波器的原理图为同步高通滤波器的原理图为: 转子位置跟踪观测器的设计 . 锁相环(PLL) 具有滞后特性, 动态跟踪性能不理想。 . 零滞后滤波器 采用外差法 如果电机在每一个极距范围内只呈现出一个空间凸如果电机在每一个极距范围内只呈现出一个空间凸极，此时转子位置跟踪观测器为极，此时转子位置跟踪观测器为_siqs cncos(2)ritwsin

26、(2)ritw+ +- -KiSKpKdJ+ + + + +LTdT1J1S+ +rw1Sr外 差 法控 制 器机 电 运 动 系 统 模 型_sids cn+ +外差法外差法 通过单位幅值载波电流负相序分量与实际载波电流负通过单位幅值载波电流负相序分量与实际载波电流负相序分量的矢量叉乘获得转子位置误差信号，即跟踪误差相序分量的矢量叉乘获得转子位置误差信号，即跟踪误差可以表示为可以表示为_cos(2)sin(2) cos(2( )/2)cos(2) sin(2( )/2)sin(2) cos(22/2) sin(22 )ssqs inrids inriririririrrrrititttttw

27、www0rr静止坐标系中载波电流图静止坐标系中载波电流图 ( fi=500Hz, Vi=1Volt)仿真结果仿真结果q轴0e 45e135e225e90e315e180e270ed轴静止坐标系中转子不同位置静止坐标系中转子不同位置上载波电流矢量轨迹上载波电流矢量轨迹 载波电流矢量轨迹载波电流矢量轨迹静止坐标系中转子连续转动静止坐标系中转子连续转动时载波电流矢量轨迹时载波电流矢量轨迹 仿真结果仿真结果 当电机由测量位置控制时，在不同的转速下，转子的估算当电机由测量位置控制时，在不同的转速下，转子的估算位置与实际位置以及两者的差值位置与实际位置以及两者的差值 60r/min 6000r/min 仿真结果仿真结果 当电机由估算位置控制时，在额定负载当电机由估算位置控制时，在额定负载0.64Nm和额和额定转速定转速6000r/min下，电机的电流和转矩特性分别为下，电机的电流和转矩特性分别为仿真结果仿真结果 当电机由估算位置控制时，在额定负载当电机由估算位置控制时，在额定负载0.64Nm和额定转速和额定转速6000r/min下，电机的转速特性和估算转子电角度误差分别为下，电机的转速特性和估算转子电角度误差分别为仿真结果仿真结果 当电机由估算位置控制时，在空载和额定转速下，电机的电当电机由估算位置控制时，在空载和额定转速下，电机的电流、转矩、转速特性和估算转子电角度误差分别为流