电压误差补偿的有效性和参数识别基于模型IPMSM的无传感器控制

1、电压误差补偿的有效性和参数识别基于模型IPMSM的无传感器控制幸井上，学生会员，IEEE，山田浩二，森本茂雄，会员，IEEE和真田雅之，会员，IEEE为了提高每formance内部永磁同步电动机CON-控制的诸如操作速度范围和位置估计精度抽象-A无传感器控制技术本文中建议。提出的方法是根据一个扩展电动势在旋转参考帧中的估计上。基准电压和逆变器的实际电压之间的差进行建模和用于以提高的准确性和仙sorless驱动系统的稳定性补偿。此外，一个在线参数识别技术，以提高位置估计的精度施加。该方案的作用是通过对实验结果进行评价。 关键词：室内永磁同步电机（IPMSMs），在线参数识别，传感器控制，电压误差

2、补偿。导言电流矢量的适当的控制是必要的内部永磁同步电动机（IPMSMs）的高性能的控制。控制算法是-10导出基于电机的模型。这需要知道电机的参数。此外，位置传感器也是必要的。这种方法有一些缺点，包括成本，机器尺寸，可靠性和噪音sensitiv-性。因此，各种无传感器控制策略已经研究1 - 6。基于模型的传感器的方法不需要额外的测试信号;然而，电机参数是必要的。这些参数取决于操作条件，而这反过来又降低了控制性能，并会导致估计位置误差。在基于模型的传感器的策略，位置和速度纸IPCSD 08-039，由工业提出了在2007年行业应用索契，ETY年会，新奥尔良，洛杉矶，九月23日至27日，并在IEEE

3、交易于行业应用批准发布驱动IEEE工业应用协会委员会。稿件送审2007年10月31日，并发布出版5月21日，已发布2009年1月21日2008年最新版本。用电压和电流信息来估计。的参考电压通常用于电压的信息，但是所述参考和实际电压由于脉冲宽度调制（PWM）逆变器，并在开关元件上的电压降的死区时间会有所不同。一些补偿办法逆变器电压误差进行了研究7 - 13。从视图的死区补偿的点，电压误差和电流之间的关系进行了研究。电压误差的相电流的正负号函数来模拟示于7 - 10和13。稳态电压误差和电流之间的特征报道在7。向变根据当前哪个电压误差被认为是总电阻的一部分8，9。电阻的识别方法，提出在9。电压误差

4、建模为非线性函数示于6，11和12。在11，电压误差的瞬态特性进行了研究。在6，由实验结果得到的电压误差，并补偿电压推导约。据证实，估计速度误差的波动减小。但从参数适配为永磁同步电机的角度来看，所识别的参数是用于高性能驱动。为了获得在高速和大电流区的参数，感应电压由于磁体的磁通与d和q轴电抗在14被识别，并且定子磁链是在15确定。所述RESIS-tance和电感是基于解耦控制在16鉴定。这些方法利用的电压方程式的稳态项。为了改善无传感器驱动器的性能，用于位置埃斯蒂马-化的参数被确定在6，10，17 - 20。在6中，参数如电阻和磁铁的磁通通过使用估计的位置误差进行补偿。在17，为了提高基于背面

5、电动势（EMF）的估计上的无传感器控制方法的性能，已经提出了与定子电阻的在线估计的结合。在18，已报道两个定子电阻和反电动势系数的识别方法。这种方法是基于喷射的小交流分量的到当前的下传感器运转。在10和19，递归最小二乘（RLS）方法用于根据dq轴IPMSM模型的识别。参数识别和传感器驱动在静止状态下被报道10，其改进基于所述传感器驱动器和参数识别的组合估计精度已经报道。在20的基础上，IPMSM模型中估计出的基准帧的识别方法被报道，并且电阻和电感被确定，但参数矩阵是非常复杂的，并且因此，处理时间为参数识别似乎长。在500转/分的性能作为低速示于19和20。在较低速度区域中，然而，基于模型的传

6、感器驱动器和参数识别的结合尚未审查尚未。在本文中，为提高性能，如运行速度范围和ACCU-活泼的位置估计的传感器，控制技术，提出并讨论。这是基于一个扩展电动势在一旋转参考系5的估计上。基准和逆变器的实际电压之间的差被建模并被用于以提高的精度和稳定性补偿。此外，在线参数识别技术10，19为了提高位置估计精度被应用。在本文中，所述参数是根据传感器运转估计，然后在位置和速度估计器使用。本文探讨了在传感器控制的性能，电压误差补偿的影响。估计位置误差的波动变小，基于所述电压误差补偿，这是接近实际逆变器的特性，而且是简单的方法对无传感器驱动器。通过零速度传感器驱动的特征还表现在本文中。另外，本文给出了传感器

7、驱动，在很宽的转速范围内的在线参数，ETER识别（100-2000分钟-1）的特点。该方案的效果的实验结果进行了评价。AI.SENSORLESS IPMSM驱动系统IPMSM驱动系统A.模式所述IPMSM中的d q参考坐标系的电模型是由其中是电气角速度，Id和Iq是d-和q轴电枢电流，分别给予，Vd和Vq是d-和q-基轴端子电压，分别Ra为ARMA-TURE电阻，Ld和的Lq是d和q轴电感，分别a是磁体磁链，和p= D/ dt的。F（|为包括逆变器，逆变器似曾相识的输出电压之间的关系，节，以及v w和参考电压vu_ref，vv_ref，和驱动系统vw_ref由其中f（i）是相电流（的函数产生）

8、|1）和V是电压错误，由于逆变器和开关器件的导通电压的死区时间。的计算值是由以下的13给出：V =牛逼COMV直流（3）  牛逼 小号 牛逼 COM = TР+ t启动 - T O服务FF +V于（4） 牛逼 小号V直流其中 T s是 开关周期，V DC 是直流母线电压，T d为 死区时间 ，T on和TØFF 是导

9、通时间和关断开关设备的时间，分别。的平均通态电压 V于 在（4）可以通过计算 牛逼小号s的+牛逼小号Vð（ 我 一个   <0）V于 =T于s的 +关闭Vð（ 我 一个   > 0）牛逼小号 牛逼小号 （5）关闭 T于  其中 Vd和 S分别 导通电压的续流二极管和开关装置，分别和 T on和TÔ

10、FF 是导通周期和关断周期逆变器臂的上臂的，分别，我 一个 是逆变器的输出相电流。假设占空因数为0.5， 即 T 就 等于 T O服务 FF，（6）从（5）V于 =s的 + Vð。（6）2    在本文中，可以按如下由开关装置的规格时，占空因数为0.5而获得的计算电压误差：V =T d设定 + t启动 - T O服务FFV直流+s的 +&

11、#160;Vð。（7）   牛逼 小号2  计算出的电压误差V为 6.7 V在的情况下 实验系统在本文中。 但是，实际的电压误差，根据操作条件而变化。 因此，电压误差补偿的几种方法是不变拟-tigated 6 - 13，19。当新的状态变量 D D 和 D q的 引入和参考电压 vð_ 裁判 和 Vq _ REF 用作输入电压， 一个&#

12、160;d- -获得包括逆变器IPMSM传动系统q的模型如下：vq=LðR A + PL qIQ+一个v q_ 裁判LðR + PL qI Q 一个的 D q，vðR A + PL d的- LqID0（1）vð_裁判= R + PL d的- LqID+0+VD D      &#

13、160;   （8）                 其中 是电气角速度 ，Id和 q是 对 d - 和 q轴电枢电流，分别，Vð 和 Vq 是对 d - 和 q a轴端子电压，分别中 ，R a 是电枢电阻，L D 和L

14、 q是 对 d - 和 q轴电感，分别  一个 是磁体磁链， 和对 = D / DT。对于包括逆变器，逆变器 v U，V的 v的 输出电压之间的关系，以及驱动系统 ，V，W 和参考电压 v U _ REF，V v _ REF 以及 v w _ 文献 所产生电流控制器在本文中使用建模 v&#

15、160;v= V v _ 裁判 V F（I V ）（2）vüv U _ 裁判 F（I U） ，V，W，V，W _ 裁判     -F（I W ） 其中 f （i）是 相电流的函数 （| F （）|  1）和V是电压错误，由于逆变器和开关装置 的接通-state

16、电压 的死区时间。                   ð     COS -3 - 罪 -3 F（I V） = 3  D D2  COSCOS2  - 罪 2 

17、;F（I U）q    +2  罪+2 F（I W）         3 -  3                    （9）     &

18、#160;         其中 D D和D q是 转子位置 的 和功能的相电流 I U，I V， 以及 i w和 R是 电阻组成的电枢电阻 R a中， 布线电阻和的导通电阻开关装置。总电阻 R可以识别在静止状态。 总电阻是本文一个常数，但电阻的识别方法示于10。 图。 图1示出的传感器IPMSM驱动的方块图

19、系统。 这里，假定估计的位置 （这里 ，  表示的估计变量）等于实际转子位置，下标 和 所示。 1成为相当于。图1。IPMSM 1.传感器速度控制系统。图2。 .定义估计轴。下标 d和q， 分别为。 例如，所述  轴基准电压 v_ REF 变成对 d a轴基准电压vð_ 裁判B.位置速度推测 图。 图2示出在本文中使用的三个参考帧之间的关系。 对 d -&#

20、160;q 帧对应于所述同步旋转参考系，以及对 d轴硬币cides与N极的转子磁体。 所述  -  帧是一个估计的旋转架，其滞后对 d - 用ëq参考坐标系 ，如图所示。 2. 对 D -通常被用于高性能驱动的IPMSM q的模型。 但是，在不带位置传感器驱动系统，这样的模式不能被使用是因为转子位置不可用。 因此，所估计的旋转 的  -  帧被使用，并且该数学模型导出的估计旋转 的  -

21、 使用扩展的EMF（例如 以及e）帧如下5：v LqR + PL d的我  Ë伏 =R + PL d的- Lq我 +Ë（10）所估计的位置和速度是由补偿对               一个比例和积分补偿器，诸如，电子 变 零。 如果只按比例补偿时，在旋转的情况

22、下出现的估计位置误差。 因此，积分补偿器也是必要的5。 实验系统C.配置 实验在为了检查每个formance速度和位置估计的执行。 表I示出在实验系统中使用的参数。 所有控制都在一个数字信号处理器（TMS320VC33）处理。 因此，由于分割的数值误差都在传感器控制和参数识别足够小。 速度控制的采样周期是5ms，而该其他控制为100秒。 对 d的截止角频率- 和 q轴电流控制回路是约2000弧度/秒。 绝缘栅双极型晶体管被用于在逆变器中。 在PWM电路所产生的死区时

23、间为5秒。Ë前COSê- ð我 Ë= E - 罪 ê+（ ）长 -我 图3. 两种补偿方式。 （a）方法A。（b）方法B.其中 v U _ REF，V v _ REF 以及 v w _ REF 代表由 伏  变换原始三相电压基准 _ REF 和 v_ 

24、;参考 ，如图所示。 1， 和 v U *，V V * 以及 v w * 表示的补偿三相电压参考和用作输入到PWM电路，而不是 v U _ 裁判 ， v v _ 裁判 和 ，V，W _ 裁判 在本文中，2补偿方式表示。 方法A由（15）给出的与方法B由下式给出方法A：F（）= SGN（）i）中，对于 | |我

25、| | （15）方法 B：F（）=SGN（·（16）  1 对于 i <K   K I，  其中 ，k为常数，SGN（i） 的 符号函数 （SGN（）= I / | I |）。方法A和B的示意图。 3所示。 3（a）示出方法A，它利用相电流的唯一的符号。 图。 3（b）示出方法B也使用在低电流区域的相电流的幅度。 类似于方法B中的补偿方法报道

26、于11和12。 由符号FUNC-化电压误差补偿没有问题时电流足够大。 在没有和轻负载时，即的情况下，小电流区域，然而，只有符号函数是不足的误差补偿。 这是因为，如文献6，7和11，将电压误差作为电流减小而减小。 在本文中，方法B在此研究中作为类似逆变器的特  图4. 比较的估计位置误差。性的电压补偿方法施加，也需要不许多参数，但只有一个参数 k。 电压误差补偿的作用进行了检查的实验结果。 图。 图4示出了估计的位置误差的各种操作条件下的实验结果。 虚线表明与输出电压误差补偿估计位置误差

27、。 与负载转矩估计位置误差增大。 因此，一个传感器驱动以500转/分和100负载（额定扭矩）变得不可能。 但是，使用方法A中的传感器驱动用电压误差补偿工作在所有工作条件下，而ACCU-活泼位置估计的大大提高。 根据增加的负载转矩，虽然参考电压被补偿估计位置误差增大。 这是根据增加的负载转矩和电枢电流，因为第 q轴电感而变化。 图。 图5示出了实验结果所提出的无传感器驱动系统中的低速区域的电压误差补偿。 注意，图 图5显示不为零的速度，而是通过零速度运行特性。 即使基于模型的传感器方案被

28、应用，如果未注射的高频电压和电流，无传感器驱动器可以通过零速度运行。 这一结果显示了用于在低速区域的模型为基础的传感器控制的电压误差补偿的有效性。 此外，作为简化的无传感器驱动器，通过零速度传感器驱动可以实现。 当然，在本文中的无传感器驱动系统中，转子的速度不能保持静止在零速度，因为它是无法估计接近零速度的准确位置和速度。图5  通过零速度工作特性（200 - 200转/分，负载转矩：50）。 （一）转子速度和估计速度误差。 （二）估计位置误差和相位电流。图。 图6示出当方法B用于电压误差补偿估计位置误差

29、。 方法B在图的值 k。 图3是0.5，这是由实验确定。 估计位置误差的波动增加了负载和速度降低。 这些数据证实使用方法B会导致比实现了与方法A的估计位置误差较小波动的电压误差补偿图6. 对比的估计位置误差。 （一）1000转/分，无负荷，（二）500转/分，无负荷。通过给定 < 1，该参数可根据通过表达电机模型中的（17）的形式的操作条件来鉴定。 在本文中， 在 Q轴电感 L q和 电压误差 V的 识别，因为它们施加的位置估计精

30、度相当的影响力。 为 l问 的识别模型从（8）如下所述第二排而得： Y（K）= I Q （K） - I Q （K - 1）（20）Z（K）= V q _ 裁判 （K - 1） - ·R·I Q （K -1） - l D同时  ·（K - 1）I

31、60;D（K - 1） -  一  ·（K - 1） - V· 的 D q， （K - 1）（21）（K）= 牛逼小号 （22）l问其中 T s是 采样周期的参数识别。 这种模式需要附加信号以利用differen- 在TiAl基术语（20）。为识别模型V由 给定Y（K）= V q _ 裁判（K

32、60;- 1）- ·R·I Q （K - 1） - lD同时·（K - 1）I D（K - 1） - A·（K - 1）      （23）Z（K）= 的 D q， （K- 1）（24）（K）= V.（25） 这个模型也来自（8），但并不需要额外的信号以识别 

33、V中的 第二行。 因此，微分项可以忽略不计。 B.参数识别估计坐标 在所估计的坐标 （ - ），该识别模型使用  - 和轴电压 V_ 裁判 和 v_ REF 代替对 d - 和 q轴电压 Vð_ 参考 和 Vq _ 参考 。 它还采用了  -和a轴电流 i 我 

34、0;代替对 d - 和 q轴电流 I D 和 I Q 。 忽视的电压误差，输入信号 Z的识别-荷兰国际集团第 q轴电感衍生自如下（21）：                   = V_ 裁判 - ·R·I - 

35、l D同时 ·i的  - 一 ·。（26）                   在的操作条件，在1000 分钟 的情况下 - 1 无Y（K）=T（K）Z（K）          （

36、17）一个负载，每个术语的（26）中的值示于表。          从结果在表II中，该a轴的分量            P（ - 1）Z（K） （K）=（K-1）+       电压和电流作出的性能的影响      +

37、 Z T（K）p （K-1）Z（K）  参数识别相比于  轴分量。                 假设5，表三显示的估计位置误差  Y（K）      1）  （18）       

38、60;和 q轴组件-  之间的误差。 那里-  -  （k）的（K-  ×              脱颖而出， 在 Q的小错误小的位置误差的结果轴P（K）= 1P（ 1）  P（ - 1）Z（K）Z（K），T P上（K - 1） 

39、;组件。 误差变小，因为估计    -   -  位置误差为约 - 2 如图。 4。      + Z T（K）p （K - 1）Z（K）                 

40、0; （19）从先前的结果，该参数辨识在里面                  估计坐标能够来完成。 该q 轴其中 ，Y是输出，是未知参数向量（轴）的输入和输出信息的组件                 （20

41、），（21），（23），和（24）主要影响的性能该模型，是所识别的参数矢量，Z是输入矢量 ，P是 协方差矩阵，并且 是 遗忘因子参数识别，并且实际 q之 误差轴图。 7.传感器IPMSM驱动系统的参数辨识。表二V ALUES 上 E ACH 牛逼ERM（26）（1000 转 /分， 不使用L OAD）表三ËRRORS乙 切口白内障手术挽  - 和 q -A XIS&#

42、199;OMPONENTS图8. 电流作为用于识别（1000转/分，无负载）的信号。图。 9.a轴参考电压和  轴电流注入（1000转/分，无负载）时的电流。 （一）轴参考电压。 （二）轴电流分量和估计的  轴分量足够小，只要估计位置误差小。 在所提出的驱动系统中，所述参数识别工作在所有工作条件下，虽然在这部分中所示的解释是只在没有负荷的情况下。 在线参数辨识C.影响该电流识别 l问 及V的 图。 8。一个方波信号被注入到电流参考我 _ 裁判&#

43、160;识别 l问 ，但输入周期为只有100在每毫秒 第二，如图。 8.用于识别 V中的 信息是稳定状态的变量。 图。 9示出了用于识别-荷兰国际集团第 q轴电感的信号。 在过渡状态下，其被示为图2中的阴影区域第 q轴电感被确定。9。因此，在微分项（20）足够大，噪声的该识别值的影响是小。 此外， 第 q轴电感所用的无负载状态下，其中第 q轴（轴）电流小的情况下被识别。 电流注入导致脉动转矩，但电流注入在转子速度的影响很小，因为电流注入

44、的周期短。 基质增益的初始值（18）和（19）被设置为 P（0）= 10 I（I：单位矩阵）。 遗忘增益设定成 = 0。9995， 这是通过实验确定。 图。 图10示出的识别性能在1000转/分，无负荷，其中的参数是根据无传感器操作估计。 图。 10（a）表示 的 识别性能。 收敛时间大约是10毫秒，identifica-化误差很小。 图。 10（b）表示使 L q的值 是在确定每一步上升或下降的

45、轴电流和 q 1 收敛到一个值约等于所测量的值的信号注入的标识的期间内。图。 图11表示所识别的 q 轴电感，的特征时有目的地给出的估计位置误差。 在图 11，如果估计位置误差在10，所识别的 q 轴电感近似等于测量值。 的识别值可以只要位置误差小的测量值收敛。图。 图12示出估计位置误差  电子商务以100的负荷的性能，在1000和2000转/分。 大号 q的 离线测量的模型，由（27）给出，用于在所述位置和 q前

46、的速度估计L用来 l问   = 0。0243 - 0 0007 |。我 |。（27） 在这两种情况下，同时使用（27），为q个轴电感的值存在约9的估计位置误差。 误差 ë立即减小后 q被 用于位置估计。结果是，只有第 q轴电感被确定，而其他参数不等于实际值。 因此，当操作速度改变，不同的估计的位置误差似乎是由于模型误差如变化电枢电阻，在逆变器的电压降的影响，等等。 图。 图13示出了估计的位置误差 E上 的负载转矩时，无论是测量值 V和大号 q或 所述的函数鉴定值和 q被使用。 该误差 e变V