全阶电动势观测器-永磁同步电动机在不当速度信号下的设计、分析

1、全阶电动势观测器-永磁同步电动机在不当速度信号下的设计、分析和运行米哈依 卡姆斯，IEEE会员：托德D.巴兹，IEEE会员：宾州州立大学的阿图姆那摘要：本文侧重于隐极永磁同步电机（PMSM）的风车系统中的发电机使用的转子位置估算问题。本文介绍了永磁同步电动机在静止参照系模型为基础的全阶EMF观测器的设计和分析。在观测器输入电机的电压和电流（测量）和电机的转速。 首先分析了观测器的收敛性假设的速度信号是-它是如何设计反馈增益等观测器是渐近稳定；其次，观测器分析的假设下，所使用的高速信号与真正的速度是不同的。这相当于时速估计将用于在试图获得传感器的观测（而不是实际速度）的情况。永磁同步电动机被视为

2、线性时变系统，利用利亚普诺夫稳定性理论分析和观测器介绍。它表明，正确的速度下观测器收敛。根据不当的速度信号，估计有错误和设计的收益不会影响这些错误，但并不能消除它们。 然而，因为错误是比较小的，该方法可以用来估计转子位置传感器的驱动器。通过仿真验证理论结果。关键词 ：永磁同步电动机，转子位置的估计，全阶观测器，传感器控制。一、引言永磁同步电动机是一种高性能电源转换应用，由于它的高功率密度和高效率，经常被用于在风车系统1 - 3。 这是非常流行的控制矢量控制的永磁同步电动机，在这种情况下，必须知道转子位置。 可以使用安装在轴上的编码器或霍尔传感器测量转子的位置，然而，这些机械传感器降低的永磁同步

3、电动机驱动器的耐用性，并增加了成本。 为了消除机械传感器，已经开发了一些几个传感器的方法4 - 6，这已经是一个成熟的技术。在无传感器永磁同步电机控制方法中，转子位置由测量的变量估计。 电机的电压和电流的标准来衡量和计算所有在控制算法中可能需要的后续数量（通常通量，速度和转子位置。可利用几种转子位置的估算方法。 一般来说，方法是基于观测器或使用磁性凸极永磁同步电动机属性，或者是基于凸级磁场之间的dq轴电感的变化和使用信号注入7 -9。 他们都比较复杂，实时实现和移植性较差;然而，他们在低速工作较好。估计转子的位置也可以在静止状态10;作为一个结果，电机可以 11从正确的转子位置开始运动。 第二

4、类估计方法采用永磁同步电动机模型来构造观测器对状态的估计。 几个观测器可供选择：文献1213中全阶观测器，和文献14-16所示降阶观测器。也可以使用扩展卡尔曼滤波方法估计永磁同步电动机的状态17 18。 根据永磁同步电动机模型标准，观测器可以估计通量和电机的电磁场。 最后，几个滑模观测器可参照文献19 - 22。本文提出了完整的全阶观测器估计永磁同步电动机磁场的设计和分析。观测器是用于风车的应用程序和构造的基础上的永磁同步电动机在静止参照系模型。输入量是电机的电流和电压(测量),电机速度。分析中，基于李亚普诺夫的理论，永磁同步电动机被当作一个线性、时变系统,研究了观测器的收敛。本文分析了观测器

5、的情况下,使用速度等于实际速度。它展示了如何设计等，导致系统渐近稳定的反馈增益。其次,该观测器分析的不当的是假设速度信号(在真正速度的±30范围内)反馈给观测器的。对应的速度信号将符合观测器观测时的情况。本文研究显示在这种情况下获得的错误的性质。在这种情况下,表明他们不受设计收益,然而,由于这些错误是相对较小的,此方法可用于转子位置校正情况下的无传感器永磁同步电动机驱动。通过仿真验证了理论结果。二、命名微分算子转子速度在静止坐标系的电流在静止坐标系的电压在静止坐标系的通量在静止坐标系的磁通量在静止坐标系的动势定子电阻同步电感反电动势常数转子位置角三、永磁同步电机的建模 永磁同步电动机

6、的方程组在静止坐标系和状态向量中是输出方程是 由可以的到： 又由然后,状态方程,对永磁同步电动机电流、动势是: 用矩阵的形式写成：输出方程为四、全阶观测器对电动势的估计全阶观测器在此基础上给出了上述模型。注意方程(7)、(8)已经在规划数学模型的标准形式。由以上方程和矩阵可以确定，完整的观测器的设计采用线性控制原则，方程为：4×2矩阵L是一个矩阵的设计所得：随着观测器的发展，我们认为速度是已知的，电压和电流是可以控制的，根据以上的方程组，得到：观察者的收敛性研究方法进行分析的基础上,不能用特征值(该系统时变)。相反,选择李雅普诺夫函数: 取代衍生物分化后,表示为总之,只要把错位是目前

7、l和l非零,V将为负数和V1衰减。当l= 0,l= 0,停止衰减李亚普诺夫函数,将成为一个平衡点。如果我们代替l= 0,l= 0,由此而来的是,在这个平衡点,我们也有e= 0和e = 0。作为一个结果,所有错位是零和观测器的渐近稳定。选择根据结果(16)-(19),方程的观测结果是:在k被选择时，k>0.一些观测值的特点:第一,注意派生的李亚普诺夫函数在(20)是消极的,即使K = 0。第二,既然的平方和没有出现在式子中,它是不可能去写一个关系的速度收敛速度不直接取决于K。 和。作为一个结果,观测值其次,观察者的行为是研究假设观测值反馈的速度信号不同于真正的永磁同步电动机速度。目的将是使

8、用一个速度估计代替实际速度,以产生一个观测值和位置传感器,在这种情况下,速度估计通常不同于一定范围内的实际速度。第二节调查观测值的收敛情况下,试图获得的估计误差的解析表达式,探讨设计所得是否可以用来减少他们。 认为反馈的观测值中的速度信号为：然后,该观测值方程对应(10)或(21),除了它们使用以上的速度估计。原方程整理得:选择选择李雅普诺夫函数，得上式中，第一部分总是负值，第二部分有未知信号。调整电压知道第一部分和第二部分相等，得到：整理得：。总不幸的是，这不是一个好的结果。因为设计的参数k出现在了上式中，并且不能用于消去之，和和附近的利亚普诺夫函数解决不受观测值的参数影响，因此，无法将它们

9、消去。五、模拟结果观测值利用仿真软件Matlab / Simulink，永磁同步电机的参数如下表。在仿真过程中，永磁同步电机的驱动采用速度可控的模式。电动机的速度开始为1000每分钟转速和负载转矩为0.1海里。 表1永磁同步电动机参数表仿真模型使用PI控制器调节d,q轴电流。一个PI控制器也用于调速(这产生参考电流)。参考电流的d轴设置为零,id= 0。仿真模型没有使用一个PWM状态机;同时,没有研究运行通量弱化范围。仿真了采样离散时间50s时间。在最初的调查,永磁同步电机的测量速度是反馈给观测值的。在模拟活动中,这些电机导向与正确的转子位置从一开始的运动(启动、= 0)。观测器的并联运行永磁

10、同步电动机模型及其输出被捕获。图1和图2显示了真正的,估计,电流、动势正确是反馈给观察器的速度和K = 1000(电动机、价值选择的RL(20)是相等的到13888)。可以看出,在结果中,估计的收敛,该观测值稳定,该结果证实了理论分析的正确性。图1 .实际和估计的适当转速信号电流 K=1000图2。实际的估计动势与适当的速度信号,K=1000图3和图4为分别获得不当的高速信号时被反馈给观测值。使用的速度是比真实速度的30。k=1000和以前一样。可以看出，估计不收敛了。有趣的是，目前的错误是意义重大，而EMF误差都比较小。估计转子位置也显示，与真正的转子位置-注意，错误的是大约15-20度，并

11、考虑30的速度不匹配，这是比较小的。k其他一些价值被尝试才发现，他们不改善估计过程中显着或减少错误。它被发现时k增加，EMF的估计的准确性保持在目前的估计增加的错误。图3。真实的估计电流不当速度(-30%),K=1000图4。真实的估计动势不当速度(-30%),K=1000图5，图6的仿真是重复的。反馈给观测值的速度比真实速度增加了30%。获得EMF的估计都比较接近，转子位置误差在15-20度。电流的估计值比真实的不同。图7 .真实和估计不当速度电流(+ 30%),K=1000图8。真实的估计动势不当速度(+ 30%),K=1000六、结论本文提出的全阶观测器的永磁同步电机的模型在静止参照系的

12、电磁场设计和分析。 观测值的输入量，电机的电压，电流和速度。 永磁同步电动机被视为线性时变系统，并使用李亚普诺夫稳定性理论分析完成。 观察者首先分析的假设下的速度信号，它展示了如何设计渐近收敛的收益。 第二，观测值假设在高速信号送入观测器±30的 错误进行了分析。 在这种情况下，电流和电磁场的估计不收敛,数学分析和模拟表明，估计误差不受收益的影响。 然而，它被发现，EMF误差都比较小±20度的实际转子位置估计转子位置。 这观测值可以成功地应用于传感器永磁同步电动机风车驱动器中转子位置校正。传记米哈依 卡姆斯于1992获得布加勒斯特理工大学的电机工程学士学位,分别于2001年和2005年在美国俄亥俄州大学获得他的硕士