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第1页/共33页PART01PART

02PART03PART04PART05背景与意义永磁同步电机矢量控制系统控制器设计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结论及展望目录CONTENTS第2页/共33页01PARTONE背景与意义第3页/共33页01研究背景第4页/共33页01研究背景

电机类型比较项目直流电机异步电机开关磁阻

电机永磁同步电机功率密度（kW/kg）差好好很好转矩稳定性能低速好好一般很好高速好很好一般很好可靠性差很好很好好NVH（振动噪声舒适性）一般很好一般很好运行效率差好好很好高效率（85%）运行区所占比例

——高高很高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国家车型类型电机类型日本丰田Pruis混合动力汽车永磁同步电机本田Insight混合动力汽车永磁同步电机本田思域混合动力汽车永磁同步电机日产聆风纯电动永磁同步电机美国特斯拉models纯电动异步感应电机雪佛兰Volt纯电动永磁同步电机德国宝马i3混合动力汽车永磁同步电机大众e-up纯电动永磁同步电机第5页/共33页01研究意义性能不稳定机械位置传感器在实际应用中存在的问题同心度问题成本较高降低可靠性无位置传感器控制技术×

位置传感器

定子绕组转子磁铁第6页/共33页01研究现状无位置传感器控制中高速段——基波数学模型法低速（零速）段——高频信号注入法在两相静止坐标轴下，SPMSM的电流状态方程：在两相静止坐标轴下，PMSM的电压方程：方法特点旋转高频注入法适用于凸极率较大的PMSM（结构性凸极）对电机参数摄动不敏感、抗扰动能力强脉振高频注入法适用于凸极率较小PMSM（饱和性凸极）注入的高频信号为正弦信号，需要使用多个滤波器来实现信号分离。方法特点滑模观测器法优点：算法简单、鲁棒性好；缺点：存在滑模抖振。模型参考自适应法优点：抗扰能力强；缺点：对模型参数的准确度依赖较大。扩展卡尔曼滤波法优点：能够抑制测量噪声和系统噪声；缺点：计算量大、复杂度高。估计的参数中存在高频噪声，必须使用滤波器。第7页/共33页PMSM矢量控制框图电流环控制器转速环控制器主要工作改进了转速环控制器和电流环控制器，提高了系统抗扰动能力。无位置传感器控制01在低速段，研究了两种基于无滤波器信号分离策略的脉振高频方波电压注入法。创新点：采用方波信号注入，实现了无滤波器信号分离，提高了转子位置估计精度。在中高速段，研究了一种具有电机参数在线估计的基于自适应二阶滑模观测器的转子位置检测方法。创新点：有效抑制了滑模抖振，避免了滤波器的使用，提高了转子位置估计精度。针对全速范围内的无位置传感器控制，研究了一种复合控制算法。第8页/共33页02PARTTWO永磁同步电机矢量控制系统控制器设计第9页/共33页02PMSM基于PI调节器的矢量控制系统PMSM矢量控制框图电流环控制器转速环控制器没有摆脱对电机模型和参数的依赖，当扰动过大时，其无法满足调速要求。仅实现了静态解耦，并没有消除动态耦合关系。耦合项第10页/共33页02电流环控制器设计为了观察电机d-q轴电流的耦合影响，进行了仿真分析。图所示的工况为初始转速为零，在0.2s时刻转速阶跃给定为0-300rad/s，在0.4s时刻给定300-600rad/s的转速阶跃，在0.6s时刻给定600-900rad/s转速阶跃。转速阶跃给定时dq轴电流瞬态波形随着转速的升高，交直轴电流的动态过渡过程越来越长。第11页/共33页02电流环控制器设计内模控制框图内模等效控制框图其中：为内模控制器，为控制系统的输入给定，为控制系统的输出，为被控对象，其等效控制器为：为内模模型。内模控制器可以设计为：电流环等效控制器为：反对角线积分项对交叉耦合项起到了补偿作用。未解耦的dq

轴电流波形解耦后的dq

轴电流波形结论：表明q轴上的电流波动对d轴电流无影响，实现了dq轴电流的解耦。第12页/共33页02仿真对比研究电机恒转矩运行，转速突变。基于传统PI调节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+23N•m波动幅度为+19N•m结论：表明本文所设计的复合控制器在转速突变时能够实现高性能的矢量控制。第13页/共33页02仿真对比研究b)电机恒转速运行，负载突变。基于传统PI调节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-80rad/s给定电气角速度400rad/s，初始负载转矩5N•m，t=0.2s时提高到15N•m，t=0.4s时降低到10N•m。波动幅度只有-10rad/s结论：表明本文所设计的复合控制器抗扰动能力强，稳速效果好。第14页/共33页03PARTTHREE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第15页/共33页观测器结构框图自适应二阶滑模观测器位置跟踪观测器03自适应二阶滑模观测器设计建立定子电流状态估计方程：其中：符号“”代表估计值，“”代表误差值。电机的电流状态方程：第16页/共33页03自适应二阶滑模观测器设计根据电流误差状态方程建立二阶滑模观测器方程：选择

滑模超平面。用等效控制法来获得

：收敛时其中：第17页/共33页其中：，，。03自适应二阶滑模观测器设计采用模型参考自适应法估计反电动势：参考模型可调模型采用李亚普诺夫方程进行稳定性分析：选取李亚普诺夫函数如下:若，则系统稳定。修正第18页/共33页03仿真对比研究0电机恒转矩运行，转速突变。传统SMO仿真波形图ASMO仿真波形图转速估计到的转速中不含高频噪声第19页/共33页03仿真对比研究0电机恒转矩运行，转速突变。传统SMO仿真波形图ASMO仿真波形图反电动势估计到的反电动势中不含高频噪声第20页/共33页03仿真对比研究0电机恒转矩运行，转速突变。传统SMO仿真波形图ASMO仿真波形图转子位置估计到的转子位置角中不含高频噪声结论：本文提出的转子位置检测方法有效地抑制了滑膜抖振，估计到的所有参数中均不含高频噪声。第21页/共33页03仿真对比研究b)电机恒转速运行，负载突变。实际转子角速度与估计转子角速度实际转子位置角与估计转子位置角负载转矩突变时的STA-ASMO仿真波形图结论：在负载突变时，本文提出的观测器也能准确地估计出电机的转速和位置。第22页/共33页04PARTFOUR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第23页/共33页04传统脉振高频正弦电压信号注入法实际同步旋转坐标系与估计同步旋转坐标系示意图传统脉振高频信号注入法原理框图向轴注入如下电压信号：会限制电流控制器的带宽，降低双闭环矢量控制系统的动态响应性能。对位置跟踪观测器造成时间延迟，使得估计出的转子位置存在滞后现象。第24页/共33页04无滤波器信号分离策略信号分离过程框图幅值相等、符号相反基波分量高频分量保持不变改进后的信号处理过程框图第25页/共33页04仿真对比研究传统脉振高频正弦电压注入法仿真结果方波电压注入估计同步旋转坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果方波电压注入静止坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果稳态时，估计出的转速较为平滑第26页/共33页04仿真对比研究传统脉振高频正弦电压注入法仿真结果方波电压注入估计同步旋转坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果方波电压注入静止坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果估计到的转子位置存在明显滞后结论：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估计出的转子位置基本不存在滞后现象，转子位置估计精度较高。第27页/共33页04电机无位置传感器全速范围运行复合观测器结构框图加权控制函数转子角速度转子位置角所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。第28页/共33页05PARTFIVE结论及展望第29页/共33页05结论改进了转速控制器和电流控制器，提高了系统的抗扰动能力，改善了系统的动态响应性能，为无位置传感器控制奠定了坚实的基础。在无位置传感器运行的中高速阶段，提出了一种具有电机参数在线估计的基于自适应二阶滑模观测器的转子位置检测方法，避免了低通滤波环节的使用，有效地抑制了滑模抖振，提高了转子位置观测精度。在无位置传感器运行的低速阶段，提出了基于无滤波器信号分离策略的脉振高频方波电压注入法，简化了信号处理过程，避免了滤波环节的使用，提高了转子位置的估计精度。研究了一种复合控制算法，实现了脉振高频方波电压注入法与自适应二阶滑模观测器法的有效融合。第30页/共