（电机与电器专业论文）永磁同步电动机的无传感器位置检测研究.pdf

a b s t r a e t a b s t r a c t 1 1 1 ep e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) i sas u p e r i o r i t y - p e r f o r m a n c ea n dw i d e l y u s e dm o t o r 办ep m s ms p e e dr e g u l a t o rs y s t e m i ti sw i d e l y u s e di nm a n yr e g i o n s a tp r e s e n t , i nm o s t l yr e g u l a t i o nd r i v es y s t e m s ，t h em o s t l y m e t h o di st o i n s t a l lap o s i t i o ns e n s o ri nt h er o t o rs h a f t b u tt h es e n s o r si n c r e a s et h e c o s ta n dd e c r e a s et h er e l i a b i l i t y i nt h e s eb a c k g r o u n d s ，t h e r eh a sb e e na l li n c r e a s e d i n t e r e s ti nd e v e l o p i n gt e c h n i q u e st oo b t a i nt h ep o s i t i o na n ds p e e di n f o r m a t i o nf o rt h e p m s mw i t h o u te x t e r n a lp o s r i o ns e n s o r s p o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o lf o rp m s mw i l l b ew i d e l yu s e di ns o m es p e c i a lo rl o w - p r e c i s i o ns i t u a t i o n w ec a nm e a s u r et h e m e a s u r a b l ep h y s i c a lq u a n t i t ys u c ha st h r e e p h a s ec u r r e n t , v o l t a g ee t et oe s t i m a t et h e p o s i t i o na n ds p e e dt h r o u g hs p e c i a lo b s e r v e rs t r a t e g y f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h em a t h e m a t i cm o d e lo fp m s m ，a n dt h ev e c t o r c o n t r o lt h e o r y , e x p o u n d e dt h es p a c ev e c t o rp w m ( s v p w m ) t e c h n o l o g ya n dt h e t h e o r e t i c a lb a s i so ft h ew a v e f o i t ng e n e r a t i o nm e c h a n i s m ，t h e ne s t a b l i s h e dt h es e n s o r p o s i t i o nv e c t o rc o n t r o ls i m u l a t i o np l a t f o r mo f ap m s m t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h es l i d i n gm o d eo b s e r v a t i o n ( s m o ) a n dt h em o d e l r e f e r e n c ea d a p t i v es y s t e m ( m r a s ) ，e s t a b l i s h e dac o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nm o d e l s t h r o u g ha n a l y s i s ，f o u n dt h a tt h et w om e t h o d s a l ea d o p t e d b yt h em a t h e m a t i c a lm o d e l t 0e x t r a c tp e r m a n e n te m f t h e nc a l c u l a t e dt h er o t o rp o s i t i o na n ds p e e d t h e r e f o r e t h i sp a p e rp u tf o r w a r dap e r m a n e n te m fo b s e r v a t i o n d i r e c t l yt a k et h ep e r m a n e n t e m ff r o mt h em o d e lo fp m s mt oc a l c u l a t et h er o t o rp o s i t i o na n ds p e e ds oi ti s s i m p l ea n dt r a n s p i c u o u s b yt h et e s t 谢t l lm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n , w ea n a l y s et h ea c c u r a c yo f e s t i m a t e dr o t o rp o s i t i o n , t h ei m p a c to ft h ep a r a m e t e r s a n a l y s et h es e n s i t i v i t yb y p a r a m e t e r so f t h ep e r m a n e n te m fo b s e r v e r k e yw o r d s ：p m s m ，p o s i t i o ns e n s o f l e s s ，s m o ，m r a s ，p e r m a n e n tm a g n e te m f o b s e r v e r i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得壶星太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：呼由吩签字日期：砷年1 1 月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者张：飞、嵋明 签字日期：m 叼年碉2 ；日 导师签名：迄2 力卧j 签字日期：叩年1 2 月哆日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 在现代电机控制系统中，无论是直流电机控制还是交流调速系统，都需要 可控的电源，在2 0 世纪5 0 年代，可控电源都是旋转变流机组，控制器件都是 电磁器件，整个控制设备庞大而笨重。5 0 年代末出现了静止的电力电子变流装 置以后，逐步解决了交流装置的减少设备、缩小体积、降低成本、提高效率、 消除噪声等问题，使电机控制系统获得了飞跃发展，从此“电子”进入了强电领域， 电力电子器件成为弱电控制强电的纽带，电力电子变流器成为电机控制系统的 核心。矢量控制技术的提出，提高了交流调速系统的静、动态性能，但是要实 现矢量控制，如用复杂的模拟电子电路来实现，其设计、制造和调试都很麻烦， 有些计算功能根本无法实现。采用微处理器控制以后，用软件实现矢量控制算 法，使硬件电路规范化，既降低成本，又提高了可靠性。由此可见，电力电子 器件和微处理器的应用是现代交流调速系统发展的两项必备的物质基础，电力 电子器件和微处理器的迅速发展是推动交流调速系统不断更新的动力l l j 。 与此同时，交流电机的控制技术取得了突破性进展。7 0 年代初期提出的矢 量控制理论解决了交流电机的转矩控制问题。应用坐标转换将三相系统转换为 两相系统，再通过按转子磁场定向的同步旋转变换实现定子电流励磁分量与转 矩分量之间的解耦，达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的，这样可等 效于利用直流电动机来控制。 8 0 年代以来，永磁同步电动机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e - 简 称p m s m ) 以其高转矩惯量比、高能量密度和高效率等优异性能，在中小容量 范围内获得广泛应用。 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高。和直流电 机相比，它没有机械换向器和电刷；与异步电动机相比，它不需要无功励磁电 流，因而功率因数高，定子电流和定子电阻损耗小，且转子参数可测、定转子 气隙大、控制性能好。并且随着永磁材料性能的不断提高和完善，以及永磁电 机研究开发经验的逐步成熟，永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面 获得越来越广泛的应用，正向大功率化( 高转速、高转矩) 、高功能化和微型化方 第1 章绪论 面发展 2 1 巾j 。 然而，转子无阻尼绕组的p m s m 的采用变频技术开环运行时，系统不太稳 定，电机效率有所下降，转子温升高，易造成铁硼永磁体退磁，危及电机安全 运行，有时甚至还会出现失步现象，系统无法运行。p m s m 控制系统稳定运行 控制都是建立在闭环控制基础之上的，因此如何获取转子位置和速度信号是整 个系统中相当重要的一个环节。 在大多数永磁同步电机变速驱动系统中，需要一些轴传感器，如编码器、旋 转变压器等安装于电机轴上提供转子位置信息，确保定转子磁场间的空间角度， 使坐标变换成为可能( 矢量控制) 。在实际系统中，传感器的存在降低了系统的可 靠性，提高了系统成本。随着控制理论、数字信号处理和计算机技术的飞速发 展，无传感器控制得到了普遍的重视。永磁同步电机是一个多变量，强耦合的 非线性系统，人们将现代控制理论、非线性理论和一些其它领域的研究成果应 用于永磁同步电机无速度传感器调速系统中。 基于无传感器的永磁电机调速系统，所要解决的问题是采用何种方法获取 转速和转角，当然对于同步方式的调速系统没有此项必要。在考虑无传感器调 速之前，需要认识到电机的模型参数和电机的转速是不能同时辨识出来。目前 已经提出了很多转速和转角在线估计算法，如模型参考自适应系统估计算法、 人工神经网络估计算法、卡尔曼滤波估计算法、各种观测器估计算法、电流谐 波的估算方法、通过获取旋转反电势的估算方法以及在某一时刻，利用理想d q 坐标轴方程和有估计偏差的d - q 坐标轴方程对比，推算出电机转角等。电机模型 的非线性化和电机模型参数( 主要为电阻和磁链) 的慢时变以及电机的控制方法 是当前研究电机无传感器调速的焦点问题。 1 2 永磁同步电机有位置传感器控制概述 高性能永磁同步电机调速系统的应用日益广泛，为了满足永磁同步电机传 动系统工作稳定性的需要，一般来说必须实时的知道永磁电机转子的位置并实 现速度闭环控制。位置和速度信息的获取，传统的做法是在电机上安装机械位 置传感器。在永磁同步电机控制系统中，可用的位置传感器有很多种，有磁敏 式、电磁式、光电式等。位置霍尔器、旋转变压器和光电编码器是它们的代表。 位置霍尔传感器利用定子上的传感器和一圈加工在转子圆周上的齿进行位 2 第l 章绪论 置测量，当转子下的齿转过传感器时就会产生一个脉冲，从而得到位置信息。 旋转变压器( 简称旋变) 是一种利用电磁感应原理测量角位置的装置。旋变分 为定子和转子两部分，其定子上有两套绕组，一套是激励绕组，另一套是感应 绕组。将一个特定的高频正弦电压加在激励绕组上。会在空间形成一个脉动的 磁场。转子的一端位于定子激励绕组形成的脉动磁场中，由于电磁感应的作用， 会在转子上感应出高频正弦电流，这个电流通过转子在另一端形成一个和转子 位置相关的脉动磁场，该磁场作用在定子的一对感应绕组上，随着转子转动， 会感应出一对幅值交替变化的正弦波，这组正弦波可以反映转子的位置。使用 时，将旋变转子固定在电机转子上，定子固定在电机的外壳上，旋变感应绕组 的输出端信号通过专用的硬件电路解算，得到数字化的位置信息。旋变专用芯 片的数据位数决定了位置测量的精度，旋变专用芯片的位数越多，通过旋变测 量的位置信息精度也越高。但是高精度专用芯片及其相应的硬件电路的设计必 然提高成本，这是无法避免的。 光电编码器( 简称码盘1 ，其基本原理为，定子上具有感光器件和光源，光栅 随着转子转动，当光栅上的一个孔转过光源和感光器件之间时，可以得到脉冲， 从而得到位置信息。码盘可以分为绝对式、增量式和混合式三种。绝对式码盘 将圆周分成若干个部分，每个部分都对应独立的编码，读到的编码就是转子的 位置信息，只有当绝对码盘具有足够多的码道时，才可以得到高精度的位置信 息，比如应用g r a y 码编码时，如果想得到精度为0 4 0 机械角度，就需要有1 0 个码道，随着码道数量的增加，其价格也急剧增加。增量式码盘具有a ，b 和z 三个码道，a ，b 码道在转动时产生的是一串在相位上相差9 0 0 的脉冲信号，计 算速度和位置增量的同时还可以区别转子旋转的方向，z 码道只有一个脉冲，用 来确定初始位置，位置增量加上初始位置才能得到所需要的转子位置信息。增 量码盘的精度由a ，b 码道旋转一周所产生的脉冲数量决定，因此可以在低成本 下做到很高的精度，但是确定转子的初始位置必须等到出现第一个z 码道的脉 冲，在最小理想的情况下，转子需要旋转一周才能得到这个初始位置，这会给 电机的控制造成困难。所谓混合式光码盘，就是指同时具有绝对式和增量式两 种计数方式并集中了它们各自的优点的一种光码盘，其中绝对式编码信号所代 表的是绝对位置角( 和码盘的机械安装有关) ，而增量式编码盘可以描述角位置的 变化并且还可以用来进行转速的计算。使用混合式码盘既克服了单独使用绝对 式码盘为得到高精度位置信号需要很多码道的不足外，也增强了对初始磁极位 3 第1 章绪论 置的估计能力。在相同精度下，其价格相对于绝对码盘和旋变较低，可是性能 要优于增量式码盘，是一种比较适合永磁同步电机的位置检测的位置传感器。 对于码盘来说，它们对工作环境的要求都很高，恶劣的工作环境会造成电机控 制系统可靠性下降。 在永磁同步电机控制系统中应用旋变或码盘作为位置传感器是完全可以满 足控制系统对转子位置精度要求的。但是由于转子磁极位置一般无法从电机外 观直接确定，因此旋变或码盘在安装时都会遇到一个相同的问题，即无法直观 地使旋变或码盘的零位置与电机转子磁极位置吻合。实际应用时采用通过观察 电机在低速旋转时，反电势波形和测量位置的正弦波形的相位关系，确定它们 之间的关系。然后人为地调整位置传感器转子和电机转子的相对位置，直到电 机反电势波形和测量位置的正弦波形达到了正确的相位关系为止。或者是通过 在电机的控制软件中给传感器测量的位置加一个偏移量，来使电机反电势波形 和测量位置的正弦波形达到正确的相位关系。上述过程称为传感器位置的人工 校准。 人工校准在很多情况下是非常不便的，比如当永磁同步电机应用在电动汽 车中，电动机的出力端和离合器的压盘相连，另一端和发动机曲轴连接，因此 位置传感器( 码盘或旋变) 不能直接装在电动机轴上，而是装在发动机曲轴的另外 一端或其他位置，而且由于内燃机的存在，给旋转电机观察反电势带来很大不 便，这些都给人工校准带来了困难。另外，一旦电机或者内燃机出现故障，往 往需要把位置传感器拆除，每次重新安装都需要进行人工校准。 可见传统的永磁同步电机控制系统存在下列问题： l 、电机与控制之间联接元件增多，相互干扰增大。 2 、环境因素如温度、湿度、振动、使其工作场合受到限制，如霍尔传感器 对温度敏感，通常工作在7 5 c 以下；绝对式传感器工作速度限制在6 0 0 0 转分。 3 、高精度的传感器的价格昂贵，使成本增加。 4 、电机向小型化发展时，传感器的体积成为电机系统中难以减小的体积。 5 、给输入轴带来一定程度的静态和动态磨擦。 6 、需要对位置传感器的零位置进行人工校准。 4 第1 章绪论 1 3 永磁同步电机间接位置检测方法概述 为了克服使用机械位置传感器给调速系统带来的缺陷，近1 0 年来，各国学 者致力于无位置传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量 的物理量进行永磁转子位置估算以取代位置传感器。永磁同步电机是一个多变 量、强耦合的非线性系统，于是人们将现代控制理论、非线性理论和一些其它 领域的研究成果应用于永磁同步电机无位置传感器调速系统中。由于无位置传 感器技术不需要位置检测硬件，免去了位置传感器的安装维护麻烦，提高了系 统可靠性，降低了成本，也能保证系统稳定，因而引起广泛的研究兴趣。随着 微控制器的发展，使得较复杂的控制得以实现，大大简化了硬件结构，降低了 成本，使控制系统具有更大的灵活性。 永磁同步电机无位置传感器控制系统的性能好坏取决于合理的控制方案与 位置估算环节的结合。从容易测量的电机端量，如电机的定子电压、定子电流 入手，利用直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等不同手段，估算出与 位置有关的量，从而得到转子的位置和速度信息，并将其运用到速度反馈及矢 量变换控制中i “。 所谓间接检测方法，就是通过对电机输入电压电流进行检测，而后运用这 些量与转子位置角的关系推算出转子位置谚及转子角速度面，。这类方法通常也 有两种，一种是施加一种激励信号，根据永磁电机的凸极性，得出转子转角位 置信息。这种方法称为高频注入方法。另一种是根据电机运行中检测出来的电 压电流状态量，根据电机的数学模型来推导出转子位置信息。 高频注入法最早是由美国w i s c o n s i n 大学的m l c o d e y 和r d l o r e n z 提出 来的。高频注入法通常分为高频电压注入法和高频电流注入法。这种方法要求 电机有一定的凸极性，电机的凸极性形成有两种情况，一种是电机结构上的不 对称形成，另一种是由于定子或转子的铁磁饱和形成。所以无论对于凸极永磁 电机还是贴面式永磁电机都可以用这种方法进行检测1 7 j 【8 j 。 高频注入法的原理是通过外施一种高频信号( 如高频电压) 给永磁电机， 根据电机的凸极效应( d ，q 轴电感不一致) 得出含转子位置信息的负序电流。当 然得到负序电流之前必须滤除基波电流、p w i v l 开关频率谐波和高频注入电流的 正序分量。最后通过外差算法解调负序分量，得出转子位置估算值以及转子角 速度c b 【”j，如图21所示。,191 5 第1 章绪论 注：b p f - 带通滤波器；b s f - 带阻滤波器 图2 1 电流型p w m 电压源逆变器高频信号注入法原理图 这种方法的优点是可以应用于较宽的速度范围，低速或静止时也能得到准 确的估算结果。但是这种方法要求电机有一定的凸极性，这种基于电机的物理 结构的检测方法与电机的运行状态无关，从理论上说这种方法对位置的检测是 准确的，但是由于有高频信号注入，它又会带来高频噪声的问题。虽然这种方 法省去了机械传感器，但是电机要有高频信号输入，需要增加一种高频信号发 生装置。 对于第二种方法，即根据电机运行状态中端部电量和电机数学模型，这种 方法无需额外辅助设备，真正达到了取消附加装置进行位置检测的目的。 这类方法首先都是构造一个电机的数学模型，以，屯或者乞，为变量的 状态方程的形式。此模型我们称之为电机可调模型，通过比较可调模型与电机 实际模型的输出电量的差值，通过一定的控制方法，如滑模控制，自适应控制， 智能控制等使两者差值为零。再从含位置、转速信息的电量将位置、转速信息 提取出来，完成检测。这类方法又可以分为滑模观测器法和模型参考自适应方 法，还有各种智能方法，下面分别叙述。 1 基于各种观测器的估算方法1 1 】【1 2 】 观测器的实质是状态重构，其原理是重新构造一个系统，利用原系统中可 直接测量的变量如输出量和输入量作为它的输入信号，并使其输出信号x c t ) 在 一定的条件下等价于原系统的状态x ( t ) 。通常，称x ( t ) 为x ( t ) 的重构状态或估计 状态，而称这个用以实现状态重构的系统为观测器。艾( t ) 和x ( t ) 之间的等价性一 般采用渐近等价。 如果己知实际电机的数学模型，则可将此电机数学模型作为一个观测器， 6 第1 章绪论 检测实际电机输入端的电压电流量，通入电机数学模型，输出电机的转速信息 及转子位置角信息。该方法简单，直观，算法简便，动态响应快。 2 0 世纪6 0 年代初美国学者( re k a l m a n ) 提出了卡尔曼滤波器估算原理，卡 尔曼滤波器是一种最优线性估计算法，其特点是考虑了系统的模型误差和测量 噪声的统计特性。卡尔曼滤波器的算法采用递推形式，适合在数字计算机上实 现。推广卡尔曼滤波器是卡尔曼滤波器在非线性系统中的一种推广形式，属于 非线性估计算法。近年来，为了解决交流调速系统中的状态估计和参数辨识问 题，不少学者开展了推广卡尔曼滤波器在交流调速系统中的应用研究。德国亚 琛工大( r w t ha a c h e n ) 电机研究所的学者较早开展了这方面的工作，于1 9 8 5 年 研究了采用推广卡尔曼滤波器的凸极同步电机的调速系统。在此基础上，又开 展了采用推广卡尔曼滤波器的永磁同步电机和感应电机无机械传感器调速系统 的研究。但是，推广卡尔曼滤波器的算法复杂，需要矩阵求逆运算，计算量相 当大。另一方面推广卡尔曼滤波器要用到许多随机误差的统计参数，由于模型 复杂，涉及因素较多，使得分析这些参数的工作比较困难，需要通过大量调试 才能确定合适的随机参数【j 3 】。 美国麻省理工学院( m i t ) 电机工程系的学者在1 9 9 2 年发表了采用全阶状态 观测器的无传感器永磁同步电机调速系统的论文。为了满足系统的全局稳定条 件，全阶状态观测器需要在电机高速和低速时采用不同的增益矩阵，而且由于 状态观测器受电机参数变化的影响较大，还需要另外一个状态观测器来估计电 机的参数，这样使无传感器调速系统的估计算法变得比较复杂，同时系统还存 在对负载变化比较敏感等问题。 在1 9 8 6 年召开的第2 5 届决策和控制会议上，麻省理工学院的j j s l o t i l l 探 讨了滑模观测器的非线性估计问题，引起了人们对滑模观测器的兴趣。滑模观 测器是利用滑模变结构控制系统对参数扰动鲁棒性强的特点，把状态观测器中 的控制回路修改成滑模变结构的形式。滑模变结构控制的本质是滑模运动，通 过结构变换开关以很高的频率来回切换，使状态的运动点以很小的幅度在相平 面上运动，最终运动到稳定点。滑模运动与控制对象的参数变化以及扰动无关， 因此具有很好的鲁棒性。但是滑模变结构控制在本质上是不连续的开关控制， 因此会引起系统发生抖动，矢量控制系统在低速下运行会引起较大的转矩脉动。 去抖的同时仍然保证系统的鲁棒性是需要迫切解决的问题。 观测器方法具有稳定性好、鲁棒性强、适用面广的特点。但是由于它算法 7 第1 章绪论 比较复杂，计算量较大，受到计算机或微处理器计算速度的限制。近年来，随 着微型计算机技术的迅速发展，出现了高性能的微处理芯片和数字信号处理器 ( d s p ) ，大大地推动了这一方法在无速度传感器矢量控制系统中的应用。 2 模型参考自适应方法1 1 4 1 i t s 这也是一种较常用的估算转子位置和速度的方法，就是模型参考自适应 ( m r a s ) 法。模型参考自适应辨识的主要思想是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 时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。根据稳 定性原理得到速度估计自适应公式，系统和速度的渐进收敛性由p o p o v 的超稳 定性来保证。这种方法在异步电机的无速度传感器控制中己有很多应用。虽然 与永磁同步电机方程相比异步电机较简单，但是由于转子永磁体存在，所以这 种方法应p m s m ，有一些新的需要解决的问题。 图2 2 模型参考自适应框图 3 人工智能理论基础上的估算方法 进入2 0 世纪9 0 年代，电机控制受到信息技术发展的影响，控制一度呈现 出智能化特点。大量应用专家系统、模糊控制、人工神经元网络以及基于遗传 算法的各种智能算法估算转子位置，并与控制方案、数字信号处理器、通信模 块与接1 ：3 、集成化智能功率模块( i p m ) 及永磁电机结合为一个整体，它们主动感 知并交互通信、有效行动。比如神经元网络，它可以不需要被控对象的数学模 型，而是对神经网络进行在线或离线训练，然后利用训练结果进行设计。由于 神经网络具有较强的适应能力、并行处理能力和本质非线性，因此对线性和不 确定系统，采用神经网络设计的控制器将具有更强的适应能力、更好的实时性 和鲁棒性。基于神经网络的控制系统的设计方法有多种，但目前尚未形成完善 8 第1 章绪论 的理论体系和系统化的设计方案，已提出的神经网络控制器主要有神经网络p i d 控制、神经网络预测控制、神经网络内模控制、神经网络模模糊控制等【1 6 q 2 0 。 1 4 论文研究的主要内容及意义 综上所述，永磁同步电机的无位置传感器的矢量控制是今后发展的趋势， 应用必将越来越广泛。目前已有许多学者提出各种无传感器位置估算方法，但 是这些估算方法效果究竟如何，仅仅根据发表论文中的表述，很难得出结论。 本课题试图对现有的一些无位置检测方法进行分析验证，为我们深入进行这方 面的研究奠定一个良好的基础。如果采用对每种检测方法都进行实物实验来开 展这方面的工作，其周期将很长，成本也非常大。因此，本课题拟以 m a t l a b s i m u l i n k 为仿真平台，将一些检测方法在仿真平台上进行仿真验证和分 析，寻找其存在的问题，从而使后续课题更好地开展。 为了研究无位置传感器检测方法，我们必须首先搭建一个仿真试验平台， 该平台包括永磁同步电动机仿真模型，逆变系统主回路仿真模型，矢量控制和 精确位置检测仿真模型，使其能够仿真具有精确位置检测和矢量控制的永磁同 步电动机的各种运行状况。然后再搭建采用不同方法的位置检测的仿真模块， 将这些模块分别连接到仿真试验平台上进行仿真计算，求出位置检测仿真模块 输出的转角、转速等变量，与仿真试验平台输出的转角、转速等变量进行比较， 从而分析不同的位置检测方法的性能，并提出优化或更简便的方法。 课题的主要研究内容有以下几个方面： 1 、研究永磁同步电动机、矢量控制和逆变系统的数学模型，建立仿真试验平台。 2 、研究滑模观测器，搭建滑模观测器的仿真模型，并进行仿真计算。 3 、研究模型参考自适应控制，搭建模型参考自适应仿真模型，并进行仿真计算。 4 、根据仿真计算所获取的速度和转子位置角估算值与仿真实验平台输出的转速 和转子位置值进行比较，了解估计转速、转子位置角的精度和响应速度。 5 、分析上述两种无位置传感器检测方法所存在的问题，提出更优化或简便的方 法，并指出今后研究的重点和方向。 9 第2 章永磁同步电机的矢量控制仿真平台 第2 章永磁同步电机的矢量控制仿真平台 前已叙述，为了检验现有的一些检测方法的性能究竟如何，需要搭建一个 仿真试验平台，使其能够仿真具有精确位置检测和矢量控制的永磁同步电动机 的各种运行状况。所以下面分别介绍永磁同步电动机的数学模型、矢量控制原 理、空间电压矢量控制逆变器及他们的仿真模型，并进行仿真试验，检验其在 各种运行工况下的性能。 2 1p m s m 数学模型 永磁同步电动机的转子磁极结构随永磁材料性能的不同和应用领域的差异 而具有多种方案。用稀土永磁材料做磁体的永磁同步电机，永磁体通常采用瓦 片式或薄片式贴在转子表面或嵌在转子的的铁芯中，形成典型的的表面式和内 置式两种转子磁路结构形式。表面式转子磁路结构又分为凸出式和插入式。由 于永磁材料的的相对回复磁导率十分接近于1 ，表面凸出式转子结构属于隐极式 结构，其纵横轴电感相等，且与转子位置无关，如图2 1 所示。这种结构永磁磁 极易于实现最优化，能使电机气隙磁密波形趋近于正弦波。表面插入式转子的 相邻两永磁磁极间有着磁导率很高的铁磁材料，属于凸极转子结构。 内置式转子如图2 2 所示，永磁体装在转子铁芯内部，在永磁体外表面与定 子铁芯内圆之间的极靴中可以放置转子导条，具有阻尼和起动作用。这种结构 在异步起动永磁同步电机中应用较多。内置式转子中的永磁体受到极靴的保护， 具有较高的机械强度。内置式转子结构在电磁性能上也属于凸极转子结构。其 转子磁结构的不对称性所产生的磁阻转矩有助于提高电机的过载能力和功率密 度，而且可以利用其气隙小的特点，利用电枢反应实现弱磁控制，从而使电机 运行于额定转速以上的范刮“j 。 p m s m 和带转子励磁绕组的同步电动机的数学模型是相似的，为使分析简 化起见，作如下假设： ( 1 ) 忽略铁心饱和效应； ( 2 ) 不记涡流和磁滞损耗； ( 3 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用； 1 0 第2 章永磁同步电机的矢量控制仿真平台 ( 4 ) 反电动势是正弦变化的。 图2 1 表面式永磁同步电机转子 截面示意图 图2 2 内置式永磁同步电机转子 截面示意图 l 、坐标变换 在同步电动机瞬态过程中，其运行参数( 电压、电流、磁通、转矩和转速等) 的微分方程有多种表达式形式。在a b e 定子静止坐标系的变量表达式中，由于同 步电动机的转子在磁、电结构上的不对称，造成电机方程式是一组与转子瞬时 位置有关的非线性方程式，不宜直接求解，使同步电动机动态特性的分析遇到 困难。矢量变换控制技术解决了这一难题，利用坐标变换可将时变系数变换成 、常系数，消除时变参数，从而简化运算与分析。因此坐标变换在矢量控制的 p m s m 系统的分析中是十分重要的概念。p m s m 的坐标轴之间的关系如图2 3 所示【冽【2 3 1 。 c 图2 3p m s m 常用的各坐标系关系 第2 章永磁同步电机的矢量控制仿真平台 阱店憎谢 、 黔l ：辫； ， cos(g一-120。，)cos(g+120刈。)illil4sin(e 1 2 0 s i n ( 8 + 1 2 0 一 。)。) i kl 。 1 2 第2 章永磁同步电机的矢量控制仿真平台 m i , , f 翟爿- c o s 端8 嬷8 嬲堆i 亿4 ， ： = 。一c 。o m s 口 。占口i 业b 如1 ， 乏 = 。c 。o m s 口o - s i 。n 曰s 业 i , c z s ， “a2 砒+ p ( 2 6 ) u 口= r i a + j 口f 、 。2 + 妒，彬 电磁转矩方程： 机械运动方程： 警= 一兰一z 1 气+ z 1 廊三。上。“上“。 鲁= 一兰略一圭， 正= 己( ，i pc o s e , 一，i 。s i n e , ) 一瓦+ b w ，= 巾， 只国，= 吐 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 佗1 0 ) ( 2 1 1 ) 根据坐标变换，可以根据图2 3 推出p m s m 在由坐标系下的数学模型如下： 定子绕组电压方程： u d = m d + p 中d 一， “g = r + p g g q 0 ( 2 1 2 ) 定子绕组磁链方程： 中d = l d i d + v f = 厶 ( 2 1 3 ) 电流状态方程为： 1 3 第2 章永磁同步电机的矢量控制仿真平台 堕d t = 一墨l 嘲+ 三蚴 “ ”三。 鲁一分q 一警吐+ 如西 上9 。 工上9 电磁转矩方程： z = 只( 缈一一毛) 或 正= 州缈，+ ( 厶一) 】 甫机转子的机械运动方稗： j d 西c o , = t l 一占， 表2 1 符号意义 ( 2 1 4 ) 佗1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 符号意义 单位 符号 意义单位 蚴 d 轴定子电压 矿 g 轴定子电压 矿 b d 轴定子电流爿 q 轴定子电流 一 dd 轴定子磁链 w b q 轴定子磁链 w b 厶 d 轴定子电感h 厶 q 轴定子电感h 口轴定子电压 y 轴定子电压 矿 k 口轴定子电流爿 0 口轴定子电流 口轴定子磁链肋、p8口轴定子磁链 w b 口 转子位置角r a d五定子电阻q 乱 转子机械角速度 t a d s o j , 转子电角速度t a d s 疋 电磁转矩 脚 瓦 负载转矩 肌 ， 转动惯量 k g m 2 曰阻尼系数m s v | 永磁体磁链w bp 微分算子 p 只 电机极对数 1 4 第2 章永磁同步电机的矢量控制仿真平台 2 2p m s m 矢量控制原理 在直流电机中，若忽略电枢效应和磁场饱和，则输出转矩可以表示为： 瓦= j 0 l ( 2 1 9 ) 式中，l 为电枢电流；，为励磁电流。 直流电机的构造决定了由电流，产生的磁链，与由电枢电流l 产生的电 枢磁链妒。是垂直的。这些在空间上静止的空间矢量彼此之间是自然垂直或被解 耦的。这意味着当通过控制电流l 以控制转矩时，磁链妒，不受其影响且在 f ，为 额定值时可以获得快速的瞬态响应和较高的转矩安培比。由于内在的耦合问题， p m s m 一般不会有那么快的响应。 观察永磁同步电机砌同步旋转坐标系下的数学模型，此时稳态时的正弦量 呈现为直流量，p m s m 可获得类似于直流电机的性能特性。若选择定子正弦波 磁动势与永磁体基波励磁磁场间正交，使d 轴和永磁体磁链方向一致，q 轴( 交 轴) 超前d 轴( 直轴) 9 0 。则输出电磁转矩正= 引妒r f 。+ ( l , t - l q ) i q i d 】，由此可以看 出电机转矩主要决定于转子磁链和定子电流的交轴分量。由于永磁同步电机的 转子结构为永磁体，产生的磁链幅值基本恒定不变，所以可以采用转子磁链定 向的方式来实现永磁同步电机的高性能控制。此时电磁转矩方程为= 缈，i 。， 然后独立控制定子电流幅值，则此时的控制方式即为磁场定向的矢量控制，实 现转子同步旋转参考坐标轴中物理量的解藕。此时，每安培定子电流产生的转 矩最大，可以获得最高的转矩电流比，电动机的铜耗也最小，采用磁场定向控 制时，电机电枢电流只有交轴分量( 在坐标系中) ，即f 。= ，在实际控制过程中， 为实现转子磁场定向的矢量控制，设法使e = i a = 0 ，e = i q ，就可以实现对两个 电流分量的单独控制，从而实现了矢量控制。在d 一口轴电流得到后，借助于转 子位置信号啡实现d - q 轴系到a b c 轴系的变换，i k = 日r 啡，幺，i - l ( a , ) 为变 换矩阵，得到三相坐标系中的a ，b ，c 三相给定电流。然后通过对逆变器的控制， 使得电机的实际电流等于给定电流，自然保i a = e 和i ，= ，实现对i q 的 独立控制，即对转矩和气隙磁通实现独立控制，而转矩和交轴电流具有线性关 系，作为控制对象，从外面看进去，此时的p m s m 已经等效为他励直流电动机。 因此，永磁同步电机的矢量控制是通过控制砌轴电流，经过矢量变换或坐标变 换而实现的。 1 5 第2 章永磁同步电机的矢量控制仿真平台 在实际矢量控制时，将电机转速估计值面和给定值( o r e f 相比较，经p i 调节器 输出转矩电流给定信号屯，将估计直轴电流信号0 与给定信号i d = 0 经p i 调节输 出给定，加上位置信息谚经坐标变换砌一筇给出电机。猡轴系下的圪和给定 值，作为s v p w m 的输入，s v p w m 输出6 相p w m 脉冲控制逆变器，使逆变器 的输出电流和给定电流相符，则电机电流中按磁场定向的转矩电流分量和励磁分 量即和指定值相等，实现矢量控制，使电机的电磁转矩就是系统的希望值。 下面介绍下永磁同步电机的矢量控制方式。 ( 1 ) = 0 控制是一种最简单的电流控制方法，该方法由于电枢反应没有直轴 电磁分量而不会产生去磁效应，不会出现永磁电机退磁而使电机性能变坏的现 象，能保证电机的电磁转矩和电枢电流成正比。其主要的缺点是功角和电动机 端电压均随负载的增加而增大，功率因数较低，要求逆变器的输出电压高，容 量比较大。另外，该方法输出转矩中磁阻反应转矩为0 ，未能充分利用永磁同步 电机的转矩输出能力，电机的力能指标不够理想。 ( 2 ) c o s p = 1 控制方法使电机的功率因数恒为l ，逆变器的容量得到充分的 利用；在永磁电机中，由于转子励磁不能调节，在负载变化时，转矩绕组的总 磁链无法保持恒定，所以电枢电流和转矩之间不能保持线性关系。而且最大输 出转矩小，退磁系数较大，永磁材料可能被去磁，造成电机电磁转矩、功率因 数和效率的下降。 ( 3 ) 恒磁链控制方法就是控制电机定子电流，使气隙磁链与定子交链磁链的 幅值相等。这种方法在功率因数较高的条件下，一定程度上提高了电机的最大 输出转矩，但仍存在最大输出转矩限制问题 ( 4 ) 定子电流最小控制是在电机输出转矩给定的情况下，最优配置横轴和纵 轴电流分量，使定子电流最小，即单位电流下电机输出转矩最大的矢量控制方 法。该方法减小了电机的铜耗，提高了运行效率，从而使整个系统的性能得到 优化。同时，运用该控制方法由于逆变器所需输出的电流较小，可以选用较小 容量的逆变器，使系统运行成本下降。在该方法的基础下，采用适当的弱磁控 制方法，可以改善电机高速时的性能。因此该方法是一种较适合于永磁同步电 机的电流控制方法。缺点是功率因数随着输出力矩的增大下降较快。 以上几种控制方法各有特点，适用于不同的运行场合。本课题选择0 = 0 控 制方案，相对于其他控制方法而言简单易行，而且该控制方法对表面贴式永磁 同步电动机来说也就是定子电流最小控制，具有良好的运行特性，因此使得电 1 6 第2 章永磁同步电机的矢量控制仿真平台 机的调速更容易实到2 4 1 。 下图为永磁同步电动机= 0 的无位置传感器矢量控制框图。 图2 4p m s m 矢量控制系统框图 2 3s v p w m 调制技术及其s i m u l i n k 实现 在电气传动中，广泛地应用p w m 控制技术。p w m 就是利用半导体开关器 件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制脉冲宽度和脉冲列的 周期以达到变压、变频及控制和消除谐波的目的。随着电气传动系统对其控制 性能的要求不断提高，人们对p w m 控制技术展开了深入的研究：从最初追求电 压波形正弦，到电流波形正弦，再到磁通的正弦，p w m 控制技术不断的创新和 完善。本文中所应用的空间电压矢量p w m ( s v p w m ，也称磁通正弦p w m ) 就是 一种新的p w m 方法，它是以“磁链跟踪控制”为目标，能明显减少逆变器输出电 流的谐波成份及电机的谐波损耗，降低脉动转矩。由于其控制简单，数字化实 现方便，目前已有替代传统s p w m 的趋势，随着微机技术的不断发展，指令周 期缩短，计算功能加强，存储容量增加，使得数字化p w m 有了更广阔得应用前 景。本课题将采用电压空间矢量法，进行p w m 信号的实时调制1 2 5 】f 2 引。 作为矢量控制中比较重要的概念，将s v p w m 单独提出，介绍其调制原理， 并构建其仿真模型验证其可行性。 s v p w m 调制的原理是使逆变器瞬时输出三相脉冲电压合成的空间电压矢 量与期望输出的三相正弦波电压合成的空间电压矢量相等。此调制用于产生定 子相电压，它用一种特别的方式开关功率管从而产生定子相的正弦电流。这种 1 7 第2 章永磁同步电机的矢量控制仿真平台 开关方式源自于把电压参考矢量转换成每个功率管的开关时间。 0 图2 5p m s m 三相等效系统 图中： = v 4 2 c o s ( o ) e r ) g o , = v 4 2 c o s ( ( - o t t 一1 2 0 。)( 2 2 0 ) v o , = 矿2 c o s ( f o e + t + 1 2 0 。) 假设系统对称，则有下列方程 = + z + i l = + z + f 2( 2 2 1 ) = + z + 毛 将上式三个方程相加， 3 = ( + + ) + r ( i l + 屯+ ) ( 2 2 2 ) = + + 因此可以得到： 1 = 一= ( + + ) 一 j 1 = ( 2 呢d 一一 乞)( 2 2 3 ) j 同理可得： 1 = ( 2 一一) ：( 2 2 4 ) = ( 2 一一) j 采用三相状态功率桥来取代图2 5 中的三相正弦波电压源，图2 6 给出了三 相功率桥与p m s m 的连接图。图2 6 中采用6 个功率晶体管通过其开关状态逆 变直流电压，从而在线圈中重新生成正弦波电流以产生旋转磁场，正弦