大表面式永磁同步电机无传感器控制策略及初始位置检测

1、大。表面式永磁同步电机无传感器控制策略及初始位置检测沈阳工业大学硕士学位论文表面式永磁同步电机无传感器控制策略及初始位置检测姓名：宋正强申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：杨俊友20040218沈m工业人学顶卜学位论文摘要（2 0 0 1级）摘要近十年来，无传感器技术在永磁同步电机中的应用得到了长足发展,然而大多数文献和资料表明，这些工作主要针对内埋式永磁同步电机，而对表面式永磁冋步电机无传感器技术的研究甚少。这是因为表面式永磁冋步电机d轴电感和日轴电感相同，没有凸极性，位置和速度的估算十分困难。因此，本文以表面式永磁同步电机无传感器技术的实现为研究重点，并利用数字信号处理器（

2、d s p）对转子初始位置估算方法进行了初步实验研究。首先介绍了空间电压矢量的pwm技术，导出了适合d s p并由两相定子坐标系电压计算pwm脉宽的方法，在建立仿真模型基础上进行了仿 真验证。提出了用于无机械传感器控制技术的自适应积分补偿观测器，并利用matla b分别对带机械传感器同步电机控制系统和无机械传感器同步电机控制系统进行仿真实验，将二者的性能加以比较。结果表明该观测器自适应能力强，在转速5 r /m i n仍然能较好估算转子位置。其次，提出了一种新的永磁同步电机转子初始位置估算方法电压脉冲矢量法。该方法原理是基于定子铁心的非线性磁化特性，即当定子绕阻电流产生的磁场与转子磁场反向时，

3、磁路中的阻抗较高，定子电流减少;反之磁路饱和程度增强，磁阻较小，定子电流增大。因此，可以通过检测电流的变化来获得转子初始位置信息。最后，利用dsp搭建硬件实验电路，对转子初始位景估算方法进行实验，验证了电压脉冲矢量法理论的正确性。关键词：d s p表面式永磁同步电机无传感器控制初始位置检测沈阳工业火学硕士学位论文摘要（2 0 0 i级）sensorl es scont rol forsurfacepermanentmagne tsynch ronousmotoranddetect ionoflni t i a 1 p o si t i o nabstractsensorlesscontrolf

4、orpermanentmagnet synchronousmotorhasgotgreatdevelopments inpasttenyears. how ever, veryfewpapershavebeenpubl i smagne tonthesurf acepermarl e mnchronousmotors (spmsms). thedic u 1 t yandwi t 1 1 thenonsal ientrotoriheequal i nduc tancesa 1 ongbothdqk e s . so, theemphas i sof thi s thes isensodessc

5、ont rol fors pmsm.f i r s t 1 y , mathemat icsmodelofsmissetup. pwmt echno 1 ogyba s edveronspacevol tagei spresentedandthes a m e t i m e . apwms cheme f o rdspwhevol t a g e s o f twophases tatorcooinateisdescribed. thesimulatiod e 1 o fc o n t rolwi t hmatlab i s d i scus s ewm inverterforcloselo

6、opandrestsof spacevol tagepwm(svpwm) ares e n t e d .secondly, as y' f ist1 isispmsc t 0ati m tr dn m od pu 1preposit ionkindof sel f adapt iveobserveri semp 1 oyed tocomp 1 e tees t i mat ionsof rotoraesscontrol. aftonaboutperformacharacterisontrolsyste m、vanicalsellsorivectorwhat srotorini t i

7、alpoo 1 tagepul s emethod ( v p vm)t i m a t i o n i sperfarmagnetizatiocorecharactercausedbythemasmethodisbasedprinciplethavalueduetothevedtothemotorunoncondi t ions ingevectorgenerandspeedf orsenserthat， thecompancesandticsofcloseloit 1 andwi thoutspresentedmore, anewschemsitionestimatiis introduc

8、ed. tormedbythenonlnristicsofthestgnetof therotoro n t h etthex axiscurro 1 tagevectorapdermagnetsaturcreasesas thevotedf romthe i nveo r 1a r i so p cm e c he f o ron, vh e e si n ea t o.t h ie n tp 1 ia t i1 t ar t erapproaches thenpol eof the rotor. f inally, experimentalcompletetheest imat i o n

9、 o f rotorini t ialpos i t ion. platformsaresetupus ingdsptokeywords： dsp, surf acepe rmanentmagne t synchronousmotor, sensorlesscontrol, initialpositiondetection . 一 2 一独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研宄成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致（身）的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同：

10、作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名：鏖堑亟日期：丝土：兰：丝关于论文使用授权的说明本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，b卩：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵循此规定）签名：！ &鱼至亟导师签名：鹚殛敛日期：礁垒：圣！圭!沈ij i二1上业大学硕十学位论文1绪论1. 1课题研究的目的和意义近四十年来，由于自动化技术得到了蓬勃发展，特别是电力电子技术的进步促进了现代电机控制技术的发展，以微电子技术为基础、自动化技术

11、和计算机技术为核心(即综合机电一体化技术)发展起来的交流驱动系统，正在冲击着整个传统工业模式。尤其在近十年来，现代交流调速技术不断成熟，并朝着数字化、智能化方向发展i 1j,因此对交流驱动系统进行深入研究就显得十分重要。随着对交流驱动系统研宄的深入和对性能要求的不断提高，涌现了多种复杂而先进的控制算法，单片mc5 1、96及多片mcs 9 6系统的运算速度已不能满足要求。数字信号处理器(d s p)正成为电机控制系统中的首选器件。d s p运算功能强大，能实现高速输入和高速率传输数据，专门处理以运算为主不允许延迟的实时信号，高效进行快速傅立叶变换运算：它包含灵活可变的i /0接口和片内i /

12、0管理，高速并行数据处理算法的优化指令集，其先进的品质号i生能可为电机控制提供高效可靠的平台【2 1。d s p由于采用丫多总线的哈佛结构，内部设置了专用硬件乘法器以及专用的ds p命令，使其具有高速运算功能一在一个机器周期之内就能完成乘法运算，这比通用微处理机快1 0 1 0 0倍，能够实时实现复杂控制算法口】【4】【。随着d s p技术水平的提高其价格不断降低且性能的不断改进，使其被广泛应用于交流驱动领域成为可能。出b s p组成的全数字化驱动系统可以通过修改控制程序，无须改变系统硬件，便可以实现不同的控制算法，实现控 制的软件化、柔性化，保证实时陛的要求1 5h”。虽然冃前感应电动机以其

13、较低廉的价格、可靠的机械特性和优越的高速运行范围成为广泛使用的驱动电机，但是基于感应驱动电机的驱动系统仍存在一些缺点【81。首先，矢量控制理论的提出及应用在对感应电机控制方法上有了重大突破，但在低速时其可控性差、散热性差等问题较难以解决。其次，感应驱动电机的控制技术较复杂，运算量大。如果采用永磁同步电机作为驱动电机，就可以克服感应驱动电机上述方面的不足。同时永磁同步电机与电励磁同步电机相比有很多优点8】【9 1 : （ 1 ）无电刷、滑环，消除了转子损耗，从而可得到较高的运行效率；（2 ）同样体积的电动机，永磁式电动机的功率可做得更大：（3）转动惯量小，可获得较高的加速度；（4）转动脉矩小，可

14、得到平沈阳工业大学硕十学位论文稳的转矩；（5 ）由于是稀土永磁磁极，可以获得较高的磁密度；（6 ）紧凑型设计结构，易于批量加工、安装。由于上述特点，永磁同步电机（pmsm）广泛应用于机床进给控制，位置控制、机器人等领域。在交流伺服系统中，一般采用测速发电机或光电码盘等传感器检测速度和位置的反馈量，但也给交流调速系统带来了一些问题【1 o】【1 1】：机械传感器增加了电机转子轴上的转动惯量，加大了电机尺寸，增加了电机与控制系统之间的连接线路和接口电路，使系统易受环境干扰、可靠性降低。而近年来发展起来的无机械传感器控制技术为解决这些问题提供了 良好途径，它利用电机的检测电压、电流和电机的数学模型来

15、确定电机转 子位簧和速度，具有不改造电机结构、省去昂贵的机械传感器、降低维护费用和不怕粉尘与潮湿等优点。综上所述，由数字信号处理技术和无机械传感器技术相结合实现的永磁同步电机全数字化交流驱动系统己成为运动控制领域重要的研宄内容。基于d s p的无机械传感器交流驱动系统不仅在理论上而且在实践方面都具有重要的意义，并具有极大的潜力。1_2无机械传感器技术在同步电机中的应用现状目前电机控制技术中研究的热点之无机械传感器技术，己成为交流传动研宄的一大方向。同步电机传动系统需要对其速度和位置进行控制。高精度的电机系统对速度控制和位置控制提出很高的要求，相应地对传感器的要求提高。冃前，传感器向小型化、低成

16、本和高分辨率、多功能两个方向发展【12 1。电机系统中传感器的存在阻碍了电机向高速化、小型化发展。因此，无机械传感器技术的研宂在高速电机、微型电机的控制和一些特殊场合具有重要的意义。最早出现的无机械传感器方法可统称为波形检测法，通过检测物理量波形，找到反映特殊位置的特征点，用以辨识位置。这些物理量可选择为电机的电压、电流、磁链和反电动势等，相应方法也很多。口”。同步电机无机械传感器技术是在数字信号处理器（d s p）出现后得以发展的1 1 4】一【1 6 1。d s p的高速信息处理能力使无机械传感器控制技术的复杂算法能得以实现。在无机械传感器技术方面，很多学者进行了研究，提出了较为可行的方法

17、。现将众多方法归类如下：1）磁链位置估计法.2 .沈阳一 l 一业大学硕士学位论文该方法的基本思想是基于场旋转理论：在电机稳态运行时，定子磁链和转子磁链同步旋转，且两磁链之间的夹角相差一个功角d,该方法适用于凸极式和表1aj式永磁同步电机。ru s ongwul 7】提出一种方法：在定子两相静止坐标系中，通过定子电压、电流得到实轴、虚轴的定予磁链值，根裾两相磁链反j下切值可得当前时刻的定子磁链位置，定子磁链位置的变化率可得到电机的转速。该方式用到的电机参数不多，所以受参数影响较小，但电机必须工作在功率因数c o s p = l方式下才能实现转子位置估计。nes imiertugrul 181提

18、出了新的位置算法。位置计算基于定子三相a b c参考模型，电机端电压和线电流用于估计电机的磁链，而电机的磁链是三相电流和位置的函数。算法采用双电流环结构,外环用于纠正位置，内环用于纠正磁链。该算法已应用到梯形波、正弦波的永磁电机，其性能取决于估计磁链和测量电压、电流的精度，因而电机参数的变化将影响位置估计的精度。farhadnozarie191对同步电机提出的方法是先对定子磁链的位置进行估计，再实时估计功角，转子位置则滞后于定子位置一个功角。(2)模型参考位嚣估计法口 o 1 _ 驯该方法主要思想为：先假设转子所在位置，利用电机模型计算出在该假设位置电机的电压或电流值，并通过与实测的电压或电流

19、比较得出两者的差值，该差值正比于假设位罱与实际位置之间的角度差。如果该差值减少为0时则可认为此时假设位置为真实位置。采用这种方法位置精度跟模 型的选取有关。电机模型有电压模型、电流模型。电流模型比电压模型低速估计性能更好。（3）卡尔曼滤波器位置估计法2 4 1【2 6卡尔曼滤波器可以从随机噪声信号中得到最优观测。由于d s p高速处理器的出现，扩展卡尔曼滤波器的位置估计法可以在线观测速度和转子位置。采用这种算法计算量很大，滤波器很难确定实际系统的噪声级别和算法中的卡尔曼增益，且受电机参数的影响较人。（4）状态观测器的位置估计法.3 .沈刚：f:业入学硕士学何论文该方法首先将输出变量定义为观测器

20、的状态量，观测器的输出与实际电机检测值作比较，用其误差来纠正观测器的估计值。状态观测器位置估计法己经在很多种电机上得到应用。最早研宄的是u e d a r【2 7】，在隐极式同步发电机上采用了非线性佔计器，将系统和检测函数扩展成一阶电流估计状态方程，结构相当于扩展的卡尔曼滤波器，但比后者算法简单。okongwueh口”提岀了一个比较简单的结构，将线性观测器建立在绕线式同步电机的线性模型上，其性能可以满足在宽调速的工作条件下小扰动的要求。lumsdaine 2冊将观测器应用到调速磁阻电机，该电机每相电感的空间变化影响转子每相磁通变化。因此，电机动态空间变化模型就是一个观测器。由于电机动态和反馈增

21、益是估计变量的非线性函数，观测器结构为非线性。yma s h k f 3 0 1提出种非线性观测器用于同步发电机，采用线性恒定増益，电机模型采用非线生模型，其缺点是位置估计不能快速收敛。gharbanck311提出一种复杂结构的观测器，运用最优估计理论，针对随动系统噪声和检测噪声，观测器可实现最优。系统噪声来自于模型误差和外部干扰，观测器类同于卡尔曼滤波器，但观测器的阶数很高，为1 4阶，导致计算量很大，很难实时应用。（5 ）检测电机相电感变化的位置估计法在凸极式永磁同步电机（i pmsm）中，绕组电感的变化为转子位置的函数，因此可通过绕组电感的变化可用来获得位置信息。b i n n s rj

22、 口 2 1提出了用等效电阻和电感建立线圈的近似模型，检测每相绕组自感和内部绕组互感变化，用于估计转子位置。该控制方法不足之处是难以在线检测位置。i ab【3 3 1提出了一种查表法。每i pmsm的电感可从电机的电压、电流信息中计算得到，g电感对应的位置存储在表中，通过查表可以得到估计位置。该方法不足之处是存储位置信息的所需存储器容量大。l o r e n z r d 3 4 h刈提出了高频信号注入法（inform）其原理是向定子中注入一高频信号，利用i pmsm本身的凸极|生获取转子信号，可以用来估算转子初始位置，这种方法受电机参数影响很小，在极低速仍可获得较好的动态性能，然而高频信号注入

23、法.4.沈t业大学硕士学位论文对表面式永磁同步电机（spmsm）却是无效的，因为表面式永磁同步电机d轴电感和h轴电感相同，没有凸极性。无机械传感器技术的应用给永磁同步电机带来了起动问题。机械式位置传感器能探知电机静止时转子磁极位置，使电机和逆变器配合工作于自控同步状态，因而电机起动不会失步。无机械传感器技术无法在电机静止时从电机的电气特性知道转子的初始位置。只有电机起动到一定的转速后,电机才能正常运行于无位置传感器状态下。【因此，起动问题是同步电机实现无位置传感器运行的一大问题。初始位置的检测是电机起动中的首要问题。最早提出的策略是任意开通两相或三相绕组，希望转子停在某一确定位置。endot【

24、371提出在电机每相加上一频率逐渐增加的信号，使电机加速到可辨识转子位置信息后，再切入无机械传感器运行。matsuin38提出采用专门p wm模式使转子停在某相绕组位置上，再采用常规控制方法起动电机。以上所述的策略动态响应差，转子工作于摆动模式，不能得到静止吋转子准确的初始位置，而且如果电机系统起动过程一旦中断，在短时间内难以找到转子实际位置，也不能实现平滑起动。cardolettil391根据永磁电机每相电感的变化是位景的函数这一原理来起动永磁电机。schroedtm40】.421采用在线式电抗检测的非直接磁通检测法（inform）。infoi ti方法通过卡尔曼滤波器来改善位置精度，该方案

25、称电机静止时也可得到系统的高动态性能，冃前，无位置传感器技术应用在表面式永磁同步电机矢量控制中的应用现状如下：基木上省去了电机系统的传感器部分，达到无机械传感器运行：算法 复杂，受电机参数影响大：没有凸极性，导致许多方法失效，转子位置很难估计；起动问题尚未找到完美的答案：低速运行还存在问题。13论文的主要内容本文在第二章给出了表面式永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型以及各坐标系问的相互转化方法。这些数学模型和电磁约束关系为以后几章的控制提供了理论基础。第三章主要叙述了基于空间矢量的pwm波原理，并给出在d s p中 产生三相？_1 vi波的计算方法，利用mat lab仿真工具箱对pwm的产生

26、过程进行了仿真。第四章首先介绍了反电势积分法所用到的几种观测器，并选用自适应补偿观测器进行无机械传感器控制，通过仿真验证了方法的可行性。.5.沈阳工业火学硕士学位论文第五章介绍一种电机静止时转子初始位置的估算方法，该方法简单可靠，易于编程。第六章搭建硬件电路，对初始位置估算法进行实验验证。.6.沈刖j 一业大学硕士学能论文2 s pms m的数学模型和理论基础2. 1坐标变换原理2. 1. 1三相定子坐标系和两相定子坐标系之间坐标变换定义c,为三相定子坐标系到两相定子坐标系的变换阵（以下简称3 / 2变换阵）得7 21 一二 1(2.1)o鱼q j由两相定予坐标系到三相定子坐标系变换阵（以下简

27、称2 , 3变换阵）可以由3 / 2变换阵求逆获得：101212 c % = ； 7 3 2 （2. 2）压2在变换过程屮，保持了矢量的幅值不变，因此3 / 2变换阵有系数昙，2 / 3变换阵有系数呈3。如果把三相合成矢量的幅值定义为实际值的争则变换阵系数皆为1在变换过程中不是保持幅值不变，而是保持功率不变，变换阵系数皆为一vt6。 a如果%却十測.7.旺，当a, b, c各相绕组上的电压与电流分别为相位互差1 2 0 0的正弦时，在d, g绕组.二的电压与电流为相位互差9 0 0的正弦。三相绕组与两相绕组在气隙中产生的磁势沈阳工业大学硕+学位论文2.1. 2两相定子坐标系（口/）和同步旋转坐

28、标系（d g ）之间坐标变换）嚣i , c % / q d。0 （n i s 既=% c晡燃的系标坐g jl “e，j飙坐蹶帅坐标系的旋转矩阵，c%二匿一 s i n (°°g )嚣”。是口/坐标系c哆，为a卢坐标系到d / 7 1 1 4和d q坐标系之间的夹角。2. 2 s pmsm的数学模型为了简化分析过程，忽略一些次要因素，作如下假设：(1 )忽略漏磁通的影响。(2)电机运行时不考虑磁饱和现象，即定子各相绕组的电感l和通入绕组中的电流大小、相位无关。(3 )定子各相绕组的电枢电阻阻值相等：定子各相绕组的电感相等。即：ro =r| = ro =rrlo =l6=l。=

29、 l r(4)气隙分布均匀，磁回路与转子的位置无关，即各相绕组的电感与转子位置无关。(5 )转子磁链在气隙中呈正弦分布。2. 2. 1永磁同步电机在两相定子坐标系下的数学模型表面式永磁冋步电机在两相定予坐标系下的数学模型：。)j , +儿如 j、卵 1 1 , f 1 j + 。/ "啦一c s 0 1s n c 0 i 7; = r 口+plo，+o，ijrrulol, 0rc:.o，p l其中圪、分别为口卢轴电压，。、，口分别为口、/轴电流，r。、r 口为电机口、p轴电阻r。=r。=r,三。、屯分别为a、/轴电感l。=ld2 l, p为微分算孑，1 j妇p 2_和£。2

30、. 2. 2永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型电机在旋转坐标系中的电压回路方程：.8，沈阳:业大学硕十学位论文【琵 1=1 月+ ljlj#o，p r ： 4 l oo q ； ii： 1+°°。ymc08isn(aaod)+jcz.s，l _jl，pjl o , j。“肋 1其中0 9。是旋转坐标系的转速，国。是转子的转速，a 0是同步旋转坐标系和转子直轴和交轴的夹角。如图所示；q、止转子直轴、d 图2. i n步旋转坐标系与转子位置关系当d，q轴的旋转速度和转子旋转速度一致(00。=f_0。)时，可以得到永磁同步电机在同步运转时的电压回路方程：趁二rl+。l，d,

31、 p 二：z; : + 脚。/伪;cz. s，2. 2 3永磁同步电机的运动方程电机的运动方程描述如下：學=(r e t tbe o 0)z是负载转矩，b是粘滞摩擦系数,疋二 p ? p , + (岛一 l q x i/ j ( 2 . 7 其中贮是电磁转矩，j是转动惯量。d j?。(2 . 8 ) p为极对数，/，为永磁体磁通。当采用i。= 0的控制方案时电机的转矩方程变为:疋=? p r ,o ( 2. 9 )对于一个给定的电机p、/，都为常数，因此电机的输出转矩与电流，。呈线形关系，也就是说只需控制电流，。的大小就可以控制电机的输出转矩。.9.沈刚：业大学硕士学位论文3基于空间电压矢量的

32、p w m技术电动机调速系统的性能好坏关键是能否实现转矩的高性能控制，1 97 1年，由剐a s c h k e等人首先提出了交流电动机的矢量控制(t ransvectorcontrol)理论，从理论上解决了转矩的高性能控制问题。为了能达到高性能，空间旋转磁场应当尽量为圆形，因此要把电压矢量作为一个整体来处理产生pwm波。这种pwm调制方法称为基于空间电压矢量的pwm技术。3. 1基于空间电压矢量的pwm原理永磁同步电动机正常运行时，a、b、c三相相电压表示为：讫。=矿柜 c 0 s (0)。r )%二 y 扼c 0 s (0)。卜等)%。=矿压c 0 s (0)。卜孚)三相逆变电路如图3. 1所示(3. 1)03. 1三相逆变电源图3. 2 a将逆变桥的i g b t看作理想开关表4、b、c三相的丌关状态。x= 1臂开通；x= 0 (x=(a, b, c)b、c三桥臂等效电路并定义幵关量月、b、c分别代(x = ( a, b, c)表示上桥表示下桥臂开通。对于不同的开关状态组合，电压。崛(的值如下表所示(表中v d c为直流母线电压)