永磁同步电机无位置传感器矢量控制

1、会计学1永磁同步电机无位置传感器矢量控制永磁同步电机无位置传感器矢量控制 PART 01 PART 02 PART 03 PART 04 PART 05 背景与意义背景与意义 永磁同步电机矢量控制系统控永磁同步电机矢量控制系统控制器设计制器设计 基于自适应二阶滑模观测器的基于自适应二阶滑模观测器的中高速段无传感器矢量控制中高速段无传感器矢量控制 基于脉振高频方波信号注入法基于脉振高频方波信号注入法的低速段无传感器矢量控制的低速段无传感器矢量控制 结论及展望结论及展望目录CONTENTS 电机类型电机类型比较项目比较项目直流电机直流电机异步电机异步电机开关磁阻开关磁阻 电机电机永磁同步永磁同步电

2、机电机功率密度（功率密度（kW/kg）差差好好好好很好很好转矩稳转矩稳定性能定性能低速低速好好好好一般一般很好很好高速高速好好很好很好一般一般很好很好可靠性可靠性差差很好很好很好很好好好NVH（振动噪声舒适（振动噪声舒适性）性）一般一般很好很好一般一般很好很好运行效率运行效率差差好好好好很好很好高效率（高效率（85%）运行区）运行区所占比例所占比例 高高高高很高很高不同类型电机特点比较不同类型电机特点比较部分新能源汽车驱动电机类型列表部分新能源汽车驱动电机类型列表国家国家车型车型类型类型电机类型电机类型日本日本丰田丰田Pruis混合动力汽车混合动力汽车永磁同步电机永磁同步电机本田本田Insig

3、ht混合动力汽车混合动力汽车永磁同步电机永磁同步电机本田思域本田思域混合动力汽车混合动力汽车永磁同步电机永磁同步电机日产聆风日产聆风纯电动纯电动永磁同步电机永磁同步电机美国美国特斯拉特斯拉models纯电动纯电动异步感应电机异步感应电机雪佛兰雪佛兰Volt纯电动纯电动永磁同步电机永磁同步电机德国德国宝马宝马i3混合动力汽车混合动力汽车永磁同步电机永磁同步电机大众大众e-up纯电动纯电动永磁同步电机永磁同步电机性能不稳性能不稳定定机械位置传感机械位置传感器在实际应用器在实际应用中存在的问题中存在的问题同心度问同心度问题题成本较高成本较高降低可靠降低可靠性性无位置传感无位置传感器器控制技术控制技术

4、 位置位置传感器传感器 定子绕组定子绕组转子磁铁转子磁铁无位置传感器控制无位置传感器控制中高速中高速段段基波基波数学模型法数学模型法低速（零速）段低速（零速）段高频信号高频信号注入法注入法在两相静止坐标轴在两相静止坐标轴下下，SPMSM的电流的电流状态方程：状态方程：00+cos2sin2=sin2cos2sinsin2cos2+2coscos2sin2rrrrfrrrsrrfrrrdiuLLLdtudiLLLdtiiLLRiiLL在两相静止坐标轴在两相静止坐标轴下下，PMSM的电压的电压方程：方程：方法方法特点特点旋转高频旋转高频注入法注入法适用于凸极率较大的适用于凸极率较大的PMSMPMS

5、M（结构性凸极）（结构性凸极）对电机参数对电机参数摄动不敏感、摄动不敏感、抗扰动能力抗扰动能力强强脉振高频脉振高频注入法注入法适用于凸极率较小适用于凸极率较小PMSMPMSM（饱和性凸极）（饱和性凸极）注入的高频信号为正弦注入的高频信号为正弦信号，信号，需要使用需要使用多个多个滤滤波器来实现波器来实现信号分离。信号分离。1111ssssssssdiRiuedtLLLdiRiuedtLLL =sin=cos rfrrfree方法方法特点特点滑模观测器法滑模观测器法优点：算法简单、鲁棒性好；优点：算法简单、鲁棒性好；缺点：存在滑模抖振。缺点：存在滑模抖振。模型参考自适模型参考自适应法应法优点：优点

6、：抗扰能力强；抗扰能力强；缺点：对模型参数的准确度缺点：对模型参数的准确度依赖较大。依赖较大。扩展卡尔曼滤扩展卡尔曼滤波法波法优点：优点：能够抑制测量噪声和能够抑制测量噪声和系统噪声系统噪声；缺点：计缺点：计算量大、复杂度高。算量大、复杂度高。估计的参数中存估计的参数中存在高频噪声，必在高频噪声，必须使用滤波器。须使用滤波器。PMSM矢量控制框图矢量控制框图电流电流环环控制器控制器转速环转速环控制器控制器主要工作 改进了转速环控制器改进了转速环控制器和电流环和电流环控制器控制器，提提高了系统抗扰动能力高了系统抗扰动能力。无位置传无位置传感器控制感器控制在低速段，在低速段，研究研究了了两种基于两

7、种基于无滤波器无滤波器信号分离策略的脉信号分离策略的脉振高频方波电压注振高频方波电压注入法入法。创新点：采用方波信号创新点：采用方波信号注入，实现了无滤波器注入，实现了无滤波器信号信号分离，分离，提高了转子提高了转子位置估计精度。位置估计精度。在中高速段，在中高速段，研究研究了一种具有电机参了一种具有电机参数在线估计的基于数在线估计的基于自适应二阶滑模观自适应二阶滑模观测器的转子位置检测器的转子位置检测方法测方法。创新点：有效抑制了滑创新点：有效抑制了滑模抖振，避免了滤波器模抖振，避免了滤波器的使用，提高了转子位的使用，提高了转子位置估计精度。置估计精度。针对全速针对全速范围内范围内的无位置传

8、感器的无位置传感器控制，研究了一控制，研究了一种复合控制算法种复合控制算法。PMSM矢量控制框图矢量控制框图电流电流环环控制器控制器转速环转速环控制器控制器没有摆脱对没有摆脱对电机模型和电机模型和参数的依赖参数的依赖，当扰动，当扰动过过大时，其无大时，其无法法满足调速满足调速要求。要求。仅实现了静仅实现了静态解耦，并态解耦，并没有消除动没有消除动态耦合关系态耦合关系。耦合项为了观察电机为了观察电机d-qd-q轴电流的轴电流的耦合耦合影响，影响，进行了仿真分析进行了仿真分析。图所。图所示示的工况为初始转速为零，的工况为初始转速为零，在在0.2s 时刻转速阶跃给定为时刻转速阶跃给定为0-300ra

9、d/s，在在0.4s时刻时刻给定给定 300-600 rad/s 的转速阶跃，在的转速阶跃，在0.6s时刻给定时刻给定600-900 rad/s转速阶转速阶跃。跃。转速转速阶跃给定时阶跃给定时dq 轴电流瞬态波形轴电流瞬态波形随着随着转速的升高，交直轴电流的转速的升高，交直轴电流的动态过渡过程越来越动态过渡过程越来越长。长。内模内模控制框图控制框图内模等效控制框内模等效控制框图图其中：其中： 为为内模控制器，内模控制器， 为为控制系统的输入给定控制系统的输入给定， 为为控制系统的输出，控制系统的输出， 为被控对为被控对象，象， sC *sY sY sG sG其等效控制器为：其等效控制器为： 1

10、s =-sssFI CGC为内模模型。为内模模型。内模控制器可以设计内模控制器可以设计为：为： 11s =ss =s s+ICGLG PIdec+ 00 sss =s +s =+ 0+0sssrsssrssRLLRLLFFF电流环电流环等效等效控制器为控制器为：反对角线积分反对角线积分项对交叉耦合项起到项对交叉耦合项起到了补偿作用。了补偿作用。未解耦的未解耦的dq 轴电流波形轴电流波形解耦后的解耦后的dq 轴电流波形轴电流波形结论：表明结论：表明q轴上的电流波动对轴上的电流波动对d轴轴电流无影响，实现了电流无影响，实现了dq轴电流的轴电流的 解耦。解耦。a)电机电机恒转矩恒转矩运行，运行，转速

11、突变转速突变。基于传统基于传统PI调节器调节器的仿真结果的仿真结果本文所设计的复合控制器的仿真结果本文所设计的复合控制器的仿真结果波动幅度高达波动幅度高达+23N+23Nm m波动幅度为波动幅度为+19N+19Nm m结论：表明本文结论：表明本文所设计所设计的复合控制的复合控制器在转速器在转速突变时能够实现高性能突变时能够实现高性能的矢量控制。的矢量控制。b)电机电机恒转速运行，恒转速运行，负载突变负载突变。 基于传统基于传统PI调节器调节器的仿真结果的仿真结果本文所设计的复合控制器的仿真结果本文所设计的复合控制器的仿真结果波动幅度高波动幅度高达达-80rad/s-80rad/s给定电气角速度

12、给定电气角速度400rad/s，初始负载转矩，初始负载转矩5 Nm，t=0.2s时提高到时提高到15 Nm，t=0.4s时降低到时降低到10 Nm。波动幅度只有波动幅度只有-10rad/s-10rad/s结论：表明结论：表明本文所设计本文所设计的复合控制的复合控制器抗扰动能力强器抗扰动能力强，稳速效果好，稳速效果好。观测器结构框图观测器结构框图自适应二阶滑模观测器自适应二阶滑模观测器位置跟踪观测位置跟踪观测器器建立定子电流状态估计方程：建立定子电流状态估计方程：1111ssssssssdiRiuedtLLLdiRiuedtLLL 其中：符号其中：符号“ ”代表估计值，代表估计值，“ ”代表误差

13、值代表误差值 。11ssssssssdiReiudtLLLdieRiudtLLL 电机电机的电流的电流状态方程状态方程：1+1+ssssssssssdiRRiidtLLLdiRRiidetLLLe 根据电流误差状态方程建立根据电流误差状态方程建立二阶滑模观测器方程：二阶滑模观测器方程：1/12/21221sgn()sgn(sgn()11s)+gn()ssssssssssdRRiidtLLLdRRiidkkkdtLLktLdt T( )0S x选择选择 滑模超平面。滑模超平面。=ii用等效控制法来获得用等效控制法来获得 ：,ee1/2121/212=sgn()+sgn()=sgn()+sgn()

14、ekkdtekkdt收敛时收敛时ii其中：其中：其中： ， ， 。采用模型参考自适应法估计反电动势：采用模型参考自适应法估计反电动势：参考模型参考模型rr0-=0se sededtAee1=+se ssssdidtLAeeerr0-=0eArr0-=0eATseee采用李亚普诺夫方程进行稳采用李亚普诺夫方程进行稳定性分析：定性分析：选取李亚普诺夫函数如下选取李亚普诺夫函数如下:2T21111=+2222TcssrssVR seeii若若 ，则系统稳定。，则系统稳定。0cdVdtrde ee edt11=sssdRi ii idtLL 修正修正ip )rKKe ee es（+）(ip11=()s

15、ssKRKi ii isLL （+）0a)电机电机恒转矩恒转矩运行，运行，转速突变转速突变。传统传统SMO仿真仿真波形图波形图ASMO仿真仿真波形图波形图转速估计到的转速中不含高频噪估计到的转速中不含高频噪声声0a)电机电机恒转矩恒转矩运行，运行，转速突变转速突变。传统传统SMO仿真仿真波形图波形图ASMO仿真仿真波形图波形图反电动势估计到的反电动势中不含高频噪估计到的反电动势中不含高频噪声声0a)电机电机恒转矩恒转矩运行，运行，转速突变转速突变。传统传统SMO仿真仿真波形图波形图ASMO仿真仿真波形图波形图转子位置估计到的转子位置角中不含高频噪声估计到的转子位置角中不含高频噪声结论：本文结论

16、：本文提出提出的转子位置检测方法的转子位置检测方法有效地抑制了滑有效地抑制了滑膜抖振，估计到的所有参数中均不含高频膜抖振，估计到的所有参数中均不含高频噪声。噪声。b)电机电机恒转速运行，恒转速运行，负载突变负载突变。 实际转子角速度与估计转子角速实际转子角速度与估计转子角速度度 实际转子位置角与估计转子位置实际转子位置角与估计转子位置角角负载转矩突变时的负载转矩突变时的STA-ASMO仿真波形图仿真波形图结论：在结论：在负载突变时，本文提出的观测器也负载突变时，本文提出的观测器也能准确地能准确地估计出电机估计出电机的转速和的转速和位置。位置。实际同步旋转坐标系与估实际同步旋转坐标系与估计同步计

17、同步旋转坐标系旋转坐标系示意图示意图传统脉振高频信号注入法原理框图传统脉振高频信号注入法原理框图U cos=0hhdhqhutud-q向向 轴注入轴注入如下电压如下电压信号：信号：会限制电流控制器会限制电流控制器的带宽，降低双闭的带宽，降低双闭环矢量控制系统的环矢量控制系统的动态响应性能。动态响应性能。对位置跟踪观测器对位置跟踪观测器造成造成时间延迟时间延迟，使得估计出，使得估计出的转子位置存在的转子位置存在滞后现滞后现象。象。0220cos2U sin=sin2dhrhhqhrhiLLtiLLL信号信号分离过程分离过程框图框图 fhfh1 = + = kkiiiiii幅值相等、符号相幅值相等

18、、符号相反反fh= + iii基波分基波分量量高频分高频分量量保持不保持不变变 f1 +=2kkkiii h1=2kkkiii改进后的信号处理过程框图改进后的信号处理过程框图传统脉振高频正弦电传统脉振高频正弦电压注入法仿真结果压注入法仿真结果方波电压注入估计同步方波电压注入估计同步旋转坐标系的脉振高频旋转坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果信号注入法仿真结果方波电压注入静止坐方波电压注入静止坐标系的脉振高频信号标系的脉振高频信号注入法仿真结果注入法仿真结果稳态时，估计出的转速较为平滑稳态时，估计出的转速较为平滑传统脉振高频正弦电传统脉振高频正弦电压注入法仿真结果压注入法仿真结果方波电压注入估计同

19、步方波电压注入估计同步旋转坐标系的脉振高频旋转坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果信号注入法仿真结果方波电压注入静止坐方波电压注入静止坐标系的脉振高频信号标系的脉振高频信号注入法仿真结果注入法仿真结果估计到的转子估计到的转子位置存在明显位置存在明显滞滞后后结论：所提出的基于无滤波器信号分离策略的方波信号注入法所结论：所提出的基于无滤波器信号分离策略的方波信号注入法所估计出估计出的转子位置基本不存在的转子位置基本不存在滞后现象，转子位置估计精度较高滞后现象，转子位置估计精度较高。复合观测器结构框复合观测器结构框图图加权控制函数加权控制函数转子角速度转子角速度转子位置角转子位置角所所设计的复合观测器

20、实现了脉振高频方波电压信号注入法与自适设计的复合观测器实现了脉振高频方波电压信号注入法与自适应二阶滑模观测器法之间的平滑切换切换，估计的转速输出平滑应二阶滑模观测器法之间的平滑切换切换，估计的转速输出平滑。改进改进了转速控制器了转速控制器和和电流电流控制控制器，提高器，提高了系统了系统的抗的抗扰动能力，改善了系统的扰动能力，改善了系统的动态响应性能，为无位置动态响应性能，为无位置传感器控制奠定了坚实的传感器控制奠定了坚实的基础。基础。在无位置传感器运行的中在无位置传感器运行的中高速阶段高速阶段，提出了一种具，提出了一种具有电机参数在线估计的基有电机参数在线估计的基于自适应二阶滑模观测器于自适应

21、二阶滑模观测器的转子位置检测方法，避的转子位置检测方法，避免了低通滤波环节的使用免了低通滤波环节的使用，有效地抑制了滑模抖振，有效地抑制了滑模抖振，提高了转子位置观测精，提高了转子位置观测精度。度。在无在无位置传感器运行的低位置传感器运行的低速阶段，提出了基于无滤速阶段，提出了基于无滤波器信号分离策略的脉振波器信号分离策略的脉振高频方波电压注入法，简高频方波电压注入法，简化了信号处理过程，避免化了信号处理过程，避免了滤波环节的使用，提高了滤波环节的使用，提高了转子位置的估计精度。了转子位置的估计精度。研究了一研究了一种复合控种复合控制算法，实现制算法，实现了脉了脉振高频方波电压注振高频方波电压

22、注入法与自适应二阶入法与自适应二阶滑模观测器法的有滑模观测器法的有效效融合。融合。应加入参数辨识理论应加入参数辨识理论对电机永磁磁链进行对电机永磁磁链进行实时估计，为控制器实时估计，为控制器的设计提供较为准确的设计提供较为准确的被控对象参数。的被控对象参数。需对方波电压信号的频率需对方波电压信号的频率和幅值进行量化分析，以和幅值进行量化分析，以确定出方波电压信号的最确定出方波电压信号的最佳幅值和频率佳幅值和频率。针对脉振高频方波电压注针对脉振高频方波电压注入法应加入转子磁极极性入法应加入转子磁极极性辨识技术，以保证电机能辨识技术，以保证电机能顺利起动顺利起动。同时应加入。同时应加入逆逆变器死区效应补偿方案，变器死区效应补偿方案，以进一步提高转子位置估以进一步提高转子位置估计计精度。精度。THANKSPMSM矢量控制框图矢量控制框图电流电流环环控制器控制器转速环转速环控制器控制器没有摆脱对没有摆脱对电机模型和电机模型和参数的依赖参数的依赖，当扰动，当扰动过过大时，其无大时，其无法法满足调速满足调速要求。