【《永磁同步电机零速和低速段无传感器控制分析案例》2500字】

永磁同步电机零速和低速段无传感器控制分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u12863永磁同步电机零速和低速段无传感器控制分析案例 1317941.1引言 1125821.2低速高频信号的方法 1179361.3高频激励下SPMSM数学模型 2264741.4转子位置估计方法 5124861.5改良设计后的低速高频脉冲信号的方法 790651.6仿真实验分析 91.1引言滑模观测器的工作取决于电机的反电动势。方程（3-27）描述了与反电动势大小相关的因素，包括速度，永磁磁链以及电角度。当电机刚启动转速较低时，反电动势信号相对较小，信噪比很低，观测误差结果比较大。因此，基于电机基本数学模型的滑模观测方法往往不能满足低速时的检测控制要求。高频信号注入法运用该电机的固有凸极特点来观测电机的位置，从高频响应信号中分析出与转子有关的信息，不再依赖于电机的基波模型。高频信号（PHFSI）注入法能在低速下进行估计，又能在静止状态下进行辨识，从而解决对永磁同步电动机起动的控制。本章主要分析了SPMSM低速脉冲高频信号的方法，推导了转子磁极位置信息的分析，在Matlab/Simulink中建立了能够实现电机直接运行的SPMSM低速段仿真模块。1.2低速高频信号的方法低速高频信号的方法基本思想是:在永磁同步电动机的基波信号上叠加一定形式的高频激励信号。由于电机固有的凸极特性，响应信号将包含电机转子位置信息。使用特定的方法，估算转子位置。根据信号的形式，低速高频信号方法可分为旋转高频电信号和脉冲振动高频电信号。其中脉振高频方法主要用于凸机特性较弱的隐级型的表贴式PMSM，其优势在于鲁棒性好并且结构简单；而旋转高频方法可要于凸极率较大的内置式PMSM,其缺点是提取电流信息需要较多滤波器，信号处理繁琐，但是不依赖电机参数，鲁棒性较强。这里本章的研究对象是表贴式PMSM，故下面主要介绍低速脉振高频方法来控制。1.3高频激励下SPMSM数学模型创建三相PMSM的数学模型去得到更准确的电机转子位置信息，在如图1.1的坐标系中注入高频电压。图1.1估计与实际两相同步旋转坐标系之间的关系是电机转子的实际角度，是电机估测的转子角度，两者作差即可得估计误差:(4-1)在图1.1参考坐标系下，表贴式PMSM的电压方程为:(4-2)如果从外部向式(4-2)施加高频信号，信号值的频率会比电动机基波频率高很多，可将电动机视为单纯的R-L电路，则此时的定子电压方程式将简化如下：(4-3)式中、——实际转子轴系上的高频电压分量；、——实际转子轴系上的高频电流分量；、——高频信号电机直轴和交轴电感；、——高频信号电机直轴和交轴电阻。用复数形式写成如下(4-4)

(4-5)式中、——高频信号电机直轴和交轴阻抗。由式(4-4)可知，(4-6)由图1.1可以求得估计电流方程：(4-7)式中、——估算转子两相同步旋转坐标系-中和上电流分量；、——估算转子两相同步旋转坐标系-中和上电压分量。式(4-7)中Q的表达式为:(4-8)其中，、分别为、轴高频阻抗的平均值和阻抗差值，其表达式为:(4-9)根据脉冲高频电压注入法的原理，将高频电压信号注入到估计的参考轴系中。根据上面式子，当仅从轴注入电压时，要想趋近与零，则要和轴重合，可得电流表达式：(4-10)从方程（4-10）此时，与成比例，会出现较大的旋转脉冲。当仅从轴注入电压时，当和轴重合，趋近于零，可得电流表达式：(4-11)从方程（4-11）此时，与成正比，电流为零，不出现电磁转矩。综述所述，这里仅向轴注入。设注入轴电压信号为：(4-12)式中——注射高频电压幅值；——注射高频电压信号的频率。从而，估算的参考轴系中的电流响应方程可以得到如下:(4-13)1.4转子位置估计方法为了提取中包含的，传统方法可以将信号进行如图1.2处理:图1.2电流信号处理信号处理将得到包含转子角位置信号的相关量。首先，使用带通滤波器（BPF），除去基频的电流分量和比注入电压频率高得多的逆变器开关频率。取三角函数乘以当前响应的电流，导出。(4-14)在脉振高频电压信号的实现过程中，可以忽略高频电阻，并且高频电阻的差远小于高频电感之差，因此可以简化方程（4-14）:（4-15）式(4-15)中，为高频电感之差；不妨令，通过低通滤波器LPF提取包含转子位置偏差的低频信号可得:（4-16）为误差增益，与永磁同步电机的参数和注入的高频电压有关。当位置估计偏差很小时，，即:。从上面式子可以看出，主要调节为零，也为零，则转子位置观测值讲等于实际值。在初步取得转子信息后，选用PI调度器和积分器当作估算器。这样如图1.3，检测，经适当数学处理，得到，输入到PI中，再由PI处理后得到。图1.3高频注入转子位置和速度估算控制框图1.5改良设计后的低速高频脉冲信号的方法从前几节可以知道，电机运行时，会产生高频电流、基频电流和PWM开关高频谐波的电流，电机首先需要对基本频率和PWM开关的谐波的电流成分进行过滤，以获得高频电流。下面分别为其所对应得表达式：(4-17)式中——基频电流；——高频电流；——PWM开关高频谐波的电流；——对应电流分量的频率；取三角函数乘上式（3-15）得，(4-18)(4-19)(4-20)由上面式子可以知道，注射到的高频信号频率和PWM的开关谐波的电流分量的频率远高于电机的基波频率，当上面三个式子的高频部分被滤除后，则只剩下（4-19）的后半低频部分。带有转子位置信息的电流信号表示为：(4-21)通过上述处理获得的轴电流分量不会有信号幅值和相位的改变，保证了转子位置的估计精度。改良设计后的低速高频脉冲信号的处理方法如图1.4所示，简化数学模型，让电机输出的电流信号直接与三角函数相乘，中间省略传统的带通滤波器（BPF）。图1.4改良设计后的电流信号图优化后的转子位置跟踪观测器的仿真模型如图1.5所示。从图中可以看出，优化设计后的仿真模型复杂度降低，设定参数较少。图1.5改良设计后的位置跟踪仿真观测器1.6仿真实验分析为了验证设计可行性，在Matlab/Simulink环境下建立了系统仿真模型，如图所示。采用与3.4节相同的参数，高频电压信号幅值为20V，频率为1kHz，逆变器频率为10kHz，LPF通带边频率设置为150Hz。为了验证仿真模型的准确性，将参考转速设定为100r/min，空载运行，图1.6和图1.7分别采用传统的高频脉冲电压注入法和改进的高频脉冲电压注入法来模拟转速变化曲线。图1.6传统脉振高频电压注入法的转子速度估计值与实际值图1.7改进后的高频脉振电压注入法的转子速度估计值与实际值从图1.6和图1.7可以看到改进的高频脉冲电压注入方法的转子速度估计变化曲线，模拟波形相对稳定，振动现象减弱，并且