毕业论文-永磁同步电机无位置传感器矢量控制技术研究

页第一章绪论1.1课题研究背景及目的随着日益成熟的电机调速技术，其应用领域也在越来越拓宽。电机调速技术涉及几个方面：电机、控制理论、电力电子技术、计算机控制、DSP技术和仿真等。永磁同步电机有体积小，质量轻，结构简单，可靠性好，效率高，损耗少，电机的尺寸以及形状可以灵活多样等很多优点，在调速系统中多被采用。与感应电机相比，永磁电机可以明显的提高功率因数，同时还减少转子涡流和电阻的损耗，具有效率高、易于维护、力能密度高、功率因数高等很多优点。永磁同步电机调速控制系统能够实现高动态、高精度、大范围的位置控制以及速度的控制，已逐渐成为数字控制调速系统的主流永磁同步电机控制系统是一个机电一体化产品，驱动器和控制与电子信息技术密切相关。有位置传感器的永磁同步电机由于需要安装机械传感器，使系统体积增大、成本增加、可靠性降低，工作效率也受到影响，因此成本低、工作可靠性高的无位置传感器控制逐渐成为电机控制技术领域的一个研究热点。无位置传感器控制方法中，转子的位置和速度通过各种算法获得，取代机械式的传感器，有利于电机向小型化、轻量化发展。因此，无传感器技术的研究在微型电机、高速电机控制，以及一些特殊场合具有重要的研究意义。1.2永磁同步电机的发展现状永磁同步电机相比传统的电励磁同步电机，特别是稀土的永磁同步电机运行可靠、结构简单、质量轻，体积小、质量轻、高功率因数、易于散热转矩高，效率高易于保养等明显的特点。因此，永磁同步电机有着非常广泛的应用范围。永磁同步电机的发展与它的永磁材料密切相关，20世纪60到80年代，相继问世的稀土永磁，永磁同步电机的发展已经进入了一个新的历史时代。因为我国稀土资源很丰富，因此号称中国为“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的研究达到了世界先进的水平。自从12世纪80年，国家研究机构及著名的电气公司为了研发电机及其控系统竞相把稀土的永磁材料、电力电子技术、自动控制理论，微电子技术的最新成就给予应用，使得它成为当代电机技术发展的一个重要方向。随着性能的不断提高，永磁材料和电力电子器件价格比的不断提高，现代控制理论、危机控制技术和电机制造工艺的快速发展，不断涌现的新的磁结构，永磁同步电机理论分析、设计和控制策略在新兴的新课题需要进一步研究。永磁同步电机调速系统发展和一些相关科学和技术的发展是分不开的。永磁同步电机的调速系统分别是由电机、驱动器、控制器和其他环节组，这些方面技术不断提高，可以使永磁同步电机控制系统的性能快速升高。同步电动机在以往的电力拖动中很少被使用，因为同步电机不能电网电压下自行启动，这个问题的解决方法是在70年代以前很难实现的变频电源。随着电力电子技术的飞速发展，半导体开关电器部件的性能不断提高，不断降低成本，GTO、IGBT、IPM等的相继出现让高性能的变频电源已成为可能。20世纪70年代，德国工程师F.Blashke提出了矢量控制原理，交流变频调速技术发生了质的飞跃。永磁同步电机模型，多变量、强耦合、非线性，永磁同步电机矢量控制是建立在坐标变换下的体系，在dq转子同步旋转的坐标系的模型，相当于在原本复杂的电机模型的特性的基础上，去耦之间的直轴分量和定子电流正交轴电流分量通过直轴转子永磁磁场定向的同步旋转变换，从而达到目的的永磁同步电动机的磁通和转矩控制，可简化成类似直流电动机模型。可以更准确地控制电机为太性能，也能保证良好的动态性能的矢量控制算法的永磁同步电机控制系统的控制思想，尽快发准。此外，脉宽调制技术对永磁同步电机控制技术的发展做出了贡献。脉冲宽度调制（PWM）是在1964年德国A.Schonung首先提出的，它的输出电压波形与六步波相比好很多，因此得到了它快速的发展。1.3永磁同步电机无传感器控制技术的现状20世纪80年代后期以来，许多学者都进行了永磁同步电机的无位置传感器控制。目前，无传感器控制技术的研究情况是：免除机械传感器的部分电动机驱动系统中，能够满足伺服运行的需求；无传感器控制算法的实现需要具有较强信息处理能力的DSP支持；控制算法受电机参数的影响；启动和低速运行问题尚未找到完美的答案。国外的众多学者都在该领域进行不断的探索与研究。如：美国R.D.Lorenz教授，在1993年，提出了运用高频信号注入法进行永磁同步电机的无传感器控制。韩国的Seung-kiSul教授也自从1995年开始发表了无传感器方面的论文。德国的Joachim

Holtz教授和他的研究所对永磁同步电机无传感器控制技术的研究主要在高频注入法上，发表了多篇研究论文。此外，巴西的Universidade

Federal

de

Campina

Grand，日本的Kanagawa

University等高校研究人员也在进行该领域的探索。在国内，无传感器控制技术的研究也受到关注。沈阳工业大学的王丽梅教授，对于高频注入法有着透彻的研究，并且使得该类方法得到了延伸改进；位于清华（TsingHua）的李永东教授等人也发表了诸多关于永磁同步电机无传感器控制的论文。除此之外，上海交通大学、上海大学、天津大学、南京航空航天大学、浙江大学等高校对永磁同步电机的无位置传感器控制方法也进行了进一步的研究。许多国内学者的论文还以英文的形式在国际上发表。1.4本文研究内容，介绍了永磁同步电机控制的发展现状，以及无传感器控制策略的产生背景和发展现状以及所需解决的问题。，系统的介绍了永磁同步电机的基本构造，特点以及数学模型，介绍了矢量控制的基本原理。，介绍永磁同步电机无传感器控制原理，介绍几种永磁同步电机无传感器矢量控制的方法，通过比较总结出每种方法的优缺点。，选择第三章中比较有代表性的几种永磁同步电机无传感器矢量控制方法，详细介绍其基本原理，并进行了仿真研究。，本文的总结，对以后工作的展望。

第二章永磁同步电机数学模型及其矢量控制2.1永磁同步电机的介绍2.1.1永磁同步电机的基本结构永磁同步电机是绕组线式同步电机发展而来的，它的结构与绕组式同步电动大致是相同的。永磁同步电机与一般同步电机相比较具有结构简单、效率高、性能优良、易于控制等等多种优点。现在的永磁同步电机已经在各行各业中广泛应用，比如在仪器仪表、军事装备、办公机械、汽车电器、计算机外围设备、数控机床、家用电器等多种领域、收到各行各业的支持与应用。永磁同步电机主要是由定子和转子共同组成。定子有铁芯和三相绕组构成，电枢绕组以Y形连接；因为在转子结构上永磁体取代了电励磁，所以省去了滑环、励磁线圈和电刷。永磁体在电机的气隙内产生足够的磁感应强度，与通电后的定子绕组磁场相互作用产生转矩，从而驱动电机运转。因为定子绕组通常采用短距分布绕组，所以便于控制。气隙场设计为正弦波，以产生正弦波反电势。永磁同步电机的转子结构按定子和转子的内外关系可以分为：内转子结构、外转子结构。内转子结构又分为：爪极式、内置式、表贴式。内置式转子结构中的永磁体通常为条状，位于转子铁芯的内部，提供的磁通方向和转子具体的结构形式有关。表面式转子结构中的永磁体呈瓦片形状，位于转子铁芯的外表面上，提供磁通的方向为径向；爪极式结构通常只用于低性能的永磁同步电机，因此不用做更多的表述。内置式和表面式的内转子结构分别为如图2.1（图a和图b）所示。（a）表面凸出式内转子结构（b）表面插入式内转子结构图2.1永磁同步电机表面式内转子结构表面式内转子结构永磁同步电机的特点如下：表面凸出式永磁同步电机：电感、交直轴的磁阻基本相等，转子惯量较小。因为磁钢和转子铁芯用胶粘接，强度较差，所以需要用玻璃纤维来将磁钢缠绕后用树脂固化。表贴式转子结果具有成本低、结构简单等优点。并且永磁磁很容易实现最优的设计，使它成为能使电机气隙磁密空间分布趋势近于正弦形的磁极形状，可以明显的提高电机的性能。表面插入式永磁同步电机：磁导明显比直轴小，交轴电感。表面插入式的转子磁路相互不对称因而产生磁阻转矩，而磁阻转矩能够使得电机的功率密度增大，动态性能有不少改进，制作的流程也比较简单，但是它的漏磁系数和制造成本都比凸出式大很多。2.1.2永磁同步电机的特点永磁同步电机因为空载气隙磁通密度空间散步接近于正弦波，减少了气隙磁场谐波分量，因而降低了由于谐波磁场引起的各种谐波损耗以及谐波转矩引起的电磁振动，提高电机效率，并且电机运行顺利的同时，降低了噪声，实现高性能，高精度传动的特点，特别的是在高动态效应场合具有很高的前景之际。对材料的使用，永磁同步电机有这样的特点：电机的转速与电源频率保持精确的同步关系，控制频率就可以控制速度。永磁同步电机机械特性较硬，因负荷变化引起的干扰力具有较强的承受能力。由于永磁同步电机转子上有永久磁铁，所以不需要励磁。从而电动机可以在很低的速度同步运行，调速的范围比较宽。因为永磁同步电机有很多优点，因此在很多的领域的到了广泛的应用。与别的电动机比较，永磁同步电机具有下面几种优点：（1）转矩的纹波系数比较低，运行很平稳，动态响应很快，过载能力很强。永磁同步电动与异步电机对于电压的转矩干扰承受能力更强。当异步电机的负载转矩有发生变化的时候，电机的需求滑移也随速度的变化而变化，也就是说当转速发生了变化，但系统的转动惯量的部分阻碍，速度也相应的发生变化，降低响应频率。在永磁同步电动机的负载转矩的变化，只需要电机功角适当改变，并在原有的同步速度保持不变，转动惯量将不会影响机转矩的快速响应，瞬间最大转矩可以达到超过三倍的额定转矩，永磁同步电动机非常适合于负载转矩变化较大的场合下运行；（2）永磁同步电机具有较高的功率因数和高效率，表现出明显的节能效果。因为永磁同步电机转子上有永久磁铁，所以不需要励磁。没有励磁消耗。因此永磁同步电机的效率和电励磁同步电机比异步电机高，而且不需要从电网吸收滞后的励磁电流，从而节省了无功功率和提高了功率因数的电动机。永磁同步电动机负荷在25%～120%额定范围能保持较高的功率因数和效率，使光节能效果更明显，并可大大在长期使用过程中节约能源；（3）稀土永磁同步发电机的异步电机的体积大大缩小，重量轻，转子的优点是结构简单，提高电机运行的稳定性。（4）结构的多样性，适用范围较广。由于转子结构的多样性，从简单的电动工具到复杂的电动，衍生出不同的品种和性能不同的各种品种，从平民到国防，从工业到农业，从日常生活到航天高科技产品，几乎都存在永磁同步电机。（5）永磁同步电机无电刷，结构简单，系统有比较高的可靠性高。2.2永磁同步电机的数学模型当永磁同步电动机的定子通入三相交流电，三相电流在定子绕组中产生电压降。通过三相交流电产生的旋转电枢磁动势和它建立的电枢磁场，一方面，切割定子绕组并产生的感应电动势；另一方面，电磁力以同步转速拖动转子。电枢电流还会产生只与定子绕组相交链的绕组的漏磁通，并在定子绕组中产生感应漏电动势。此外，所述转子的永久磁体所产生的磁场也通过同步转速来切割定子绕组。因此产生无负载电动势。目前许多论文上都已经对永磁同步电机的数学模型给出了比较详细的论述。为了让我们在下面进行分析，需要假设一些参数来建立数学模型：①忽略电动机铁心饱和的问题；②电机中的磁滞损耗以及涡流不计；③产生的磁场由定子和转子的磁动势沿定子内圆的正弦分布，即忽略所有的磁场的空间谐波;④的各相的绕组对称，即各相绕组的匝数和电阻的数目是相同的电角度的轴线相对于每个相互位移相同。⑤驱动开关和续流二极管为理想元件。根据以上的条件来分析实际的电机，所得的结果与实际的情况十分接近，因而可以使用上述假设对电机进行分析控制。常采用两相同步旋转(d，q)坐标系和两相静止(α，β)坐标系。本节主要讲述永磁同步电机在（d，q）坐标系下的数学模型。图2.2为用永磁同步电机结构简图。图2.1永磁同步电机的结构图因为本文主要研究表贴式永磁同步电机，所以Ld=Lq=Ls,根据以上假设得出的电机模型为：电压方程：磁链方程：上式中，、定子d，q轴电压；、定子绕组、轴电感；为电机的电枢电感；、定子、轴电流；永磁体基波磁场在定子绕组中产生的磁链；定子直轴磁链，包括定子直轴电流产生的磁链和永磁体产生的磁链；为转子电角速度。转矩方程：上式中为电机转子极对数，电磁转矩；机械运动方程为：其中表示负载转矩，J为电机转子和所带负载的总转动惯量；B为粘贴摩擦系数；为电机转子的机械角速度。另外，为电角速度，2.3永磁同步电机的矢量控制矢量控制理论第一次是运用在感应电动机的调速系统中的，不负众望它成功的改善了感应电动机的驱动性能。矢量控制的方法也可以用于永磁同步电动机的调速系统中，来提高永磁同步电机的调速性能。自从有了矢量控制方法，通过众多的学者和技术人员的改进与探索，现在已经普遍的用在了各行各业。矢量控制的原理已经有了三十年的历史，这三十年通过众多的学者和研究人员不断的探索，矢量控制原理技术也不断趋于完善，微处理器技术和电力电子技术的发展也为矢量控制理论奠定了不可磨灭的基础。基于矢量控制理论已成为永磁同步电机调速系统中的首选方案。矢量控制模拟直流电动机转矩控制律，基本思想是：通过测量和控制电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对电动机励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电机转矩的目的。简单来讲，矢量控制方式就是将磁链和转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对电机高性能的调整。对于永磁同步电机来说，矢量控制的关键是控制定子电流的幅值和空间位置。2.3.1坐标变换矢量控制需要通过适当的变换方法将交流电机定子的三相电流变换到旋转的两相定子坐标系下，模拟直流电机进行控制，这个过程就是坐标变换。A-B-C坐标系与-坐标系的坐标变换图ABC坐标系与坐标系三相定子坐标系到定子静止直角坐标系的变换通常称为Clarke变换这里定义为坐标系到坐标系的变换阵，由线性代数知识可以得到：其中K是待技术。值得主要是基于确定K值：变换之前和之后，各相的功率恒定，总功率变化。即三相系统的两相系统中，各相电压的均方根电流相等。管理者：如果改变之前和之后的合成气隙磁势的恒定的两相电机的每个绕组的匝数增大3/2倍，且气隙磁通减少2/3倍，电机参数就会受到影响而变化。在这种情况K=2/3。前和改造后，总功率维持恒定。两相电机的相关参数（相电压有效值和相电流有效值）的三相电动机的相关参数（相电压与相电流）的时间，比三相电动机电源的两相电机的三相功率的3/2倍，如果维持之前和之后的变化合成气隙磁势常数，每个绕组的匝数倍，气隙磁通的两相电机的增加保持不变。K=。总功率不变，变换关系是：就是从-坐标系到A-B-C坐标系的变换矩阵。-坐标系与d-q坐标系的变换图二相静止和旋转坐标系-坐标系到d-q的变换称作Park变换，在这里我们定义，为-坐标系到d-q坐标系和d-q坐标系到-坐标系的变换矩阵：2.3.2永磁同步电机的矢量控制方法由于永磁同步电机的转子磁场是由永磁体产生的，所以对应的控制策略和电励磁同步电机不同。永磁同步电机动态运行的时候，定子磁动势和转子磁场之间的空间角度会随负载的变化而发生不断的变化，对定子电流进行控制可以保持该空间角度的固定并且还助于转矩的控制。由转子磁场定向的d-q旋转坐标系电机的瞬时转矩方程可以知道，系统参数不发生改变时，可以由横轴电流和纵轴电流的控制来实现对电磁转矩的控制。在给定的输出电磁转矩中存在多种d轴和q轴电流的组合方式，因为这些不同的组合方式会对功率因数、转矩输出能力、系统的效率产生一定的影响，所以产生多种不同的永磁同步电机电流控制策略。现今，由于永磁同步电机具有不同的用途，矢量控制中对定子电流的控制方法具有以下几种：功率因数控制、控制，恒磁链控制、最大转矩电流比控制等等几种。下面将几种控制策略是对以上几种方法的简要介绍。1、控制永久磁铁同步电动机采用的是d-q坐标轴系下的转子磁链定向控制，它并且维持着直轴电流，也是一种最容易和简单的电流矢量控制方法。当的时候，我们从电动机的输入端口看可以把永磁同步电机看做是一台励磁直流电动机，定子的磁链（空间矢量）和永磁体的磁链（空间矢量）互相正交，它的特点就是转矩性能好、控制简单。不过它主要的不足之处就是伴随着负载增大，电机端电压和功角也会随着会增加，并且q轴和丁字电压夹角的增大会让功率因数降低，所以我们必须变频器有相对较大的容量。因此这种控制方法比较适合于中小容量的调速系统。2、功率因数的控制方法电机功率因数恒为1，能够保证变频器的容量得到充分的利用。在负载变化时，定子电流和转矩之间有非线性的关系，是因为永磁同步电机的转子磁场是不可控制的。采用这种方法，随定子电流的增加定子端电压会逐渐降低，所以对永磁体磁场的去磁作用会渐渐增强，并且该方法最大输出转矩小。恒磁链控制方法通过控制定子电流而使定子磁链等于永磁体磁链。这个方法与方法相比较，电机的最大输出转矩有了明显的提高，在同样的的输出转矩情况下，所需要的变频器的容量相对较小，但是随着定子电流的大小增大去磁效应也会随着增强。最大转矩电流比的控制最大转矩电流和控制最大转矩电流比控制的意思是：通过配置定子电流d、q轴分量使得在电流最小的情况下得到的最大的输出转矩。这种控制方法的好处就是有运行效率高、电机损耗低等等优点。还有使用该方法的时候，所需要的逆变器输出电流较小，可以适当的降低对变频器的容量的要求是系统的成本大大降低。但是功率因数也会随着输出转矩的增加下降。以上四种控制方法都有各自的特点，适用于不同的应用场合。功率因数控制和恒磁链电流控制方法比较适合用于对大功率的交流调速系统，这两种方法都可以得到较高的功率因数并且能够充分的利用变频器的容量。控制和最大转矩电流比控制方式比较适合用于一般功率而转矩相应性能比较高的运行场合。通过各种分析控制方式相对于别的电流控制方案来说具有方法既简单且易行的优点。此外，在对于表贴式永久磁体同步电机，d轴与q轴拥有一样的等效电感并且电磁转矩的表达式中磁矩项为零的情况下能够将它看成最大转矩的电流比控制，拥有最大转矩电流比控制方法所具有的好的优点。能让电机调速系统会更加容易达到目的。2.4本章小结本章介绍了永磁同步电机基本结构，特点，数学模型。以及永磁同步电机矢量控制的基本思想，原理以及它在两相坐标系下的数学模型。阐述了坐标变换的原理，还指出了它在矢量控制系统中的作用。对永磁同步电机矢量控制的几种控制策略做进行了简要介绍。

永磁同步电机的无位置传感器控制方法分类及介绍3.1永磁同步电机无位置传感器控制方法综述为了实现永磁同步电机的矢量控制，不仅仅靠定子上的电流方向与永久磁体产生的磁通方向相互正交，而且仍然得靠位置传感器用来获得转子磁极确定位置。一般是依靠光电编码器，也可以用旋转变压器或者其他相关机械传感器来实现编码器安装在电机轴上，用来测定电机的运行速度还有确定磁极的准确位置。但由于电机发热，传感器容易损坏，而且传感器增加了电机的硬件制造成本和加工成本，并且会存在安装于维护上的问题，使系统容易受到干扰，会降低系统的可靠性，所以不能使用于环境恶劣的位置。这些问题都限制了永磁交流调速系统的应用范围。所以，近几年来永磁同步电机无位置传感器控制技术逐渐成为电气传动领域的一个重要研究方向。永磁同步电机按其反电动势波形可以分为两种：⑴无刷直流电机。⑵正弦波永磁同步电机。正弦波永磁同步电机又可以分为以下两种：⑴面装式永磁同步电机。⑵内里式永磁同步电机。无刷直流电机是梯形波反电动势，永磁同步电机是正弦波反电动势。无刷直流电机的无传感器控制的策略比永磁同步电机的简单。在梯形波反电动势的无刷直流电机中，三相定子绕组中只有两相励磁。无刷直流电机每隔60度的一次转子的位置就能获得正确的开关次序，就可以实现电机的控制。永磁同步电机的理想反电势是正弦的，所以加入正弦电流时和无刷直流电机相比，会产生很小纹波的常转矩。电机需要连续的转子位置信息，通过逆变系统的正弦电压或者电流来控制点电机的运行。在永磁同步电机中，三相定子绕组在时时刻刻都励磁，因此位置检测算法变得会复杂。永磁同步电机无传感器控制，根据许多学者的深入研究，许多方面。可分为：（1）的基础上的反电动势的电动机的转子位置估计方法，②根据电动机的显着性估计。根据与第一种方法的第一个研究中进行。通过检测电机的电压和电流的方法，电子绕组，电机的反电动势通过电机模型计算，并从一个磁极的转子位置，然后转到步骤。的高速电机，有效的和实用的工作范围。然而，在低速电机的运行范围，例如在应用程序中的方法面临着各种各样的问题。由于反电动势的幅度正比于电机的速度在零速时的感应电动势为零时的旋转速度是比较低的，因为信号-噪声会比较小，也有一些外部的干扰因素，可能不是很准确观察到的电动势，在低速或静止的反电动势时，不适用于估计转子的位置和速度。此外，永磁同步电机无传感器矢量控制中还有许多种方法来估计电机转子位置和速度。下面几节我将介绍比较热门的几种研究方法。3.2适合用于电机高速运行的永磁同步电机无位置传感器控制方法我们通过估计电动势，可以进一步获得电机转子的位置，以电机高速运行的永磁同步电机无传感器控制方法以及电机的数学模型为基础。模型参考自适应法、卡尔曼滤波器法、磁链估计等方法都是比较典型的这类方法。这几种方法大多数基于控制理论和电机理论。虽然众多学者与研究者在不断的创新，不断的提出新方法，但是所有的方法基本原理都是相同，无非就是借助控制理论和电机理论直接或者间接的从估计所得的反电动势中提取它们的转子位置信息。下面介绍几种适用于电机高速运行的无传感器控制方法：滑模观测器控制方法由于麻省理工学院的J.J,Slotine在1986年召开的第25届决策和控制会议上讨论了关于滑膜观测器的非线性估计问题，因此引起了众多学者对滑膜观测器的兴趣。滑膜观测器是利用了滑膜变结构控制系统对参数扰动鲁棒性强的特点，把一般状态观测器中的控制回路换成滑膜变结构的形式。滑膜运动是滑模变结构控制的本质，它经过结构变换开关，用非常高的频率来回进行切换。在向平面上使状态的运动点以非常小的幅度运动，最后运动至稳定点。滑膜运动和控制对象的参数的变化和扰动没有任何关系，所以有较好的鲁棒性，可是滑模变结构控制在实际上是不连续的开关控制，所以会有比较大的转矩脉动。这种控制方法现在最需要解决的问题是去抖的同时仍然保证系统的鲁棒性。磁链位置估计方法永磁同步电机磁场定向控制的基本原则，关键是如何根据量的电流和电压信号来估算转子磁极位置。这些方法可以估算永磁同步电动机的定子磁通空间矢量的转子的磁极位置。在定子静止两相坐标系中，通过定子电压，电流的实轴的虚轴的定子磁通，定子磁通位置的值可以以下方式获得根据当前时刻的两相磁通反正切值，由定子磁通的旋转速度的变化概率点击，可以通过以下方式获得。该方法中使用的小型电动机参数，参数影响相对较小。但电机必须工作在功率因数模式，以实现转子位置估计。上述算法的性能取决于估计的磁通和测得的电压和电流的品质和趣味的质量。它有点小东西的计算量，简单，易于实现，但在低速运行的估计精度下降的情况下。然而，这种方法并不能完全摆脱的依赖电机参数。在此方法中的应用，在线识别电机参数的最佳组合。模型参考自适应法这种方法是基于假定转子位置的位置估计方法。它的主要思想是把含有待估计参数的方程作为可调模型，把不含有未知参数的方程作为参考模型，这里个模型都具有相同物理意义的输出量。这两个模型同时工作并且利用其输出量的差值，找出合适的自适应律来调节可调模型的参数，最终达到控制对象的输出能够跟踪参考模型。使用这种方法的位置估计精度跟模型的选取有一定的关系。电机模型有两类，分别是电压模型和电流模型。而电压模型的相比而言比起低速估计性能要比电流模型差点。想要准确估算位置偏差是来保证方法核心的估计精度，估计精度但是还会受到电机参数比电阻和电感发生变化的影响，同时也会遭受到受电流检测到的精度的影响，我们虽然运用了闭环控制，但是它仍然对电机参数具有很强的依赖性。由于这方法计算强度大，因此需要高速运送能力的数字信号处理器。全维状态的观测器方法：状态重钩是状态观测器这种方法的实质，也就相当于重新构造了一个系统，它输入的信号就是以前系统中的直接可以测量的变量，并且重钩状态相当于以前系统中的状态。两者的误差在动态变化中能够渐近的趋近于零就是等价的原则。一般我们把称之为的重钩或估计状态。全维状态观测器通过电气和机械方程，可以估计所有的状态变量，所有的状态变量包括位置、可测的电机电流和未知的转子速度。全维状态观测器需要电机电流的测量、加入电压的信息、以及一个相对精确的系统模型。瞬态差值可以利用估计的与测量的电机电流作为反馈，就可以调整未知变量的估计值了。全维状态观测器位置估算方法的特点有以下几种：稳定性较高、动态性能较好、参数鲁棒性较强、适应面较广。我们为了满足系统全局的稳定条件，全阶状态观测器在电动机高速以及低速的时候运用不一样的增益矩阵。并且因为状态观测器会受到电动机参数的变化的影响，所以还要另一个状态观测器用来估计电动机的参数，这样就能使此估计算会变得更为复杂。还有系统具有对负载变化很敏感的多种问题。3.3适合用于零速或低速运行的永磁同步电机无位置传感器控制方法电机在低速运行的时候，因为相电压以及相电流的幅值都比较小，所以很难将从噪声信号中分离出来。因而导致各种以反电动势估计为寄出的无传感器控制方法都很难完成对电机转子位置的高精度估计。这些无传感器的方法多部分来自电机凸极的检测。因为电机的凸极和位置信息有关系，所以我们能够用不一样的励磁方式以及不一样的信号检测与分离的方法，把这些位置的信息估算出来。现在低速和零速运行的无传感器的技术的创新不都是基本原理的创新，都是运用了不同信号检测、不一样的励磁方法与分离方法。下面介绍几种合适的相关控制方法。基于测试脉冲励磁和电流幅值测量的初始值测量的初始位置估算方法这些方法主要是由Jung-IKHa等人几人共同提出的，它的基本原理是用定子的铁芯饱和特性和运用内里式永磁同步电机的凸极检测来检测转子的初始位置的。当铁芯检测到转子的初始位置之后，系统将自动切换到基于状态观测器的来高速无传感器算法上。它的优点就是不以来点击的参数，而缺点就是算法运算的过程缓慢，仅仅适合用于初始位置的估计，并且也只能用于内里式永磁同步电机。基于脉动矢量励磁和相位检测的初始位置估计方法这是由NoguchiT等人提出的点击的初始位置估计方法，这种检测点击的初始位置方法是由基于脉动矢量励磁，即由高频率的电压的信号加入到电机的旋转两相坐标系中的坐标轴所形成的高频率电流分量以及注入高频电压间的相角用于分离转子位置信号的。而它的缺点就是仅能估计点击的初始位置，不适合用在低速以及高速运行的状态下。这种方法对于电机参数比较敏感。旋转的高频电压注入方法这种方法的提出是在1993年被RobertD.Lorenz教授等。是目前使用最广泛的一零速、低速传感器控制方法。此方法的激发和旋转矢量的电流信号的解调，实现了转子的位置的估计，激励信号被注入到定子坐标系的d轴和q轴。它的优点是有一个明确的凸极电机，不断激发;噪声过滤性能与高带宽。3.4本章小结通过对永磁同步电机无位置传感器控制进行简要的分析，并对适合永磁同步电机高速和低速运行的几种方法进行了简要的介绍，说明了这几种方法的优缺点。下一章我会针对其中的上面比较常见的适合电机高速运行控制方法的进行系统的研究。永磁同步电机无位置传感器矢量控制研究本章主要是对上一章介绍的永磁同步电机中比较典型两种控制方法的基本原理给予详细介绍。并进行仿真研究。4.1电机的基本方程法无速度传感器技术是电机的基本方程法的出发点，从最容易检测的电机定子电流和电压进行着手，通过电机动态派克方程进行推导，从而得到电机转速。所以，此方法直观简易。该类方法用来计算转子位置和速度的量均能够由实际测量得到，计算过程不复杂且直接，不用复杂麻烦的收敛控制算法，动态响应也比较快。但因为他在计算中用到了电流的微分，测量误差对转子位置的准确观测影响比较大，再者，这种算法属于一种开环计算的方法，不能够保证电机在受到噪声干扰或者当参数变化时仍然能得到正确的结果。定子在静止坐标系下永磁同步电机的电压方程有定子电压，电流等量可以直接计算出转子位置，文献【2】中给出了转子位置角的计算公式：其中，转子的位置角能够用定子端电压和电流转子及角速度表示，又对于表面式永磁同步电机，因此上面式子中；。为了验证基本方程法辨识转速的理论可行性，本节利用了MATLAB/SIMULINK进行了建模和仿真分析。第一步用状态方程建模型；由这基础来建立了转子磁场定向矢量控制系统；再向系统中加入电机基本方程法转速估计器，并将其估计的转速作为反馈转速信号传递给矢量的控制系统，最后对不同转速下的仿真进行了分析。下面的图4.1.1是基于基本方程法建立的系统仿真模型，图4.1.2是系统转速、角度估算模块图图4.1.1基于电机的基本方程法建立的仿真模型4.1.2系统转速、角度估算模块由电机的基本方程法估算出来的转速当作反馈转速信号传递给永磁同步电机转子磁场定向矢量控制系统中，就能够获得如图4.1.3所示的就是电机基本方程法的无速度传感器矢量控制系统。4.1.3基于电机基本方程法无速度传感器矢量控制的仿真模型电机参数如下,定子每相电阻：2.8750Ω,d轴电感：0.0085H,q轴电感：0.0085H，主磁极磁通：0.175Wb,转动惯量：0.001kg·m^2,极对数：4;图1.1.4给出了电机转速为1500r/min，在0.1s时加1N.m负载到0.2s,然后去掉负载过程的仿真波形，可以看出该方案动态性能较好。启动很快，0.04s就达到了稳定。单稳态时实际转速和估计转速有一定的误差，这是应为该方案缺少反馈矫正环节造成的，图中所示的为太误差大约在50转以内。（a）定子三相电流(b)实际转速1(c)实际转速2（d）估算转速1（e）估算转速2（f）转速误差（g）dq轴电流（h）实际转子位置角(i)估算转子位置角图4.1.4转速为1500r/min时的仿真波形从以上的仿真现象结果可以得出结论，电机的基本方程法算法容易，简单，动态性能也较好，按理论上来说，转速的计算没有延时，因为其出发点是基于动态关系的电机派克方程，从电机电磁关系式及转速的定义中获得关于转速关系表达式，但其稳态精度并不高，缺少对于误的差矫正环节；动态过程不能保证速度估计值与实测值保持一致。4.2模型参考自适应法4.2.1原理文献[5]提出了了基于PMSM和电流模型MRAS方法，电流模型与转速相关，以PMSM本身作为参考模型，电流模型为可调模型：参考模型：可调模型为：因为，通过自适应律可以退出辨识算法得到：式中由可调模型得到，，从电机本身检测之后得到，下图为该方案的识别框图：图4.2.1模型参考自适应的转速辨识框图图4.2.2是根据模型参考自适应法的原理建立仿真图，图4.2.3是系统转速、角度估算模块，图4.2.4为可调模型的仿真图，图4.2.5为自适应律模块图，图4.2.2图4.2.3图4.2.4图4.2.5下面图4.2.6给出了电机转速为1500r/min，在0.2s时加1N.m负载0.4s时去掉负载这一过程的波形，可以看出模型参考自适应法辨识转速的稳态精度较高，稳态误差都在1转以内，这是因为它是闭环的辨识算法，由反馈矫正环节。(a)三相定子电流\(b)参考模型实际转速（c）可调模型实际转速（d）参考模型的估计转速(e)可调模型估计转速(f)转速误差(g)参考模型dq轴电流（h）可调模型dq轴电流(i)实际转子位置角（j）估算转子位置角(k)电磁转矩图4.2.6仿真波形以上结果可以看出，模型参考自适应法稳态精度比较高，原因是其基于稳定性设计的参数辨识方法，保证了参数估计的收敛性，不过其不足之处是动态性能非常一般，只是因为MRAS辨识法的前提都是要求转子角速度恒定不变或至少对MRAS法的计算收敛速度来说缓慢变化，动态过程不能保证速度估计值与实测值保持一致，是渐进收敛过程，动态中也存在PI调节器的滞后作用而导致动态性能。更能凸出无位置传感器的优点，对有位置传感器跟上面两种传感器做了比较，因此在下一节对有位置传感器进行了仿真研究。4.3有位置传感器的矢量控制仿真研究为了与无位置传感器控制进行比较，在相同电机参数条件下，进行了有位置传感器的矢量控制仿真。有位置传感器系统仿真模型如下：图4.3.1永磁同步电机有位置传感器仿真图以下是永磁同步电机有位置传感器仿真波形，电机转速为1500r/min，在0.1s时加1N.m负载0.2s时去掉负载这一过程的波形，（a）定子三相电流（b）转速1（c）转速2（d）dq轴电流（e）转子位置角（f）电磁转矩（g）转速误差通过对两种无位置传感器控制方法以及有位置传感器控制的仿真分析结果进行比较，可以看出：基本方程法的优点是算法简单、直观性强，容易实现；缺点是依赖电机参数，不存在误差校正环节，转速估算精度低、系统稳定性差；模型参考自适应法的优点是模型参考自适应法利用电机模型进行计算，系统稳定性较好，估算精度较高；缺点是是受电流检测精度影响，计算强度大，响应较慢，需要合理选取自适应律参数。从此得出结论，任何一种无传感器控制方法都有自己的优缺点，要根据系统要求来进行合理选择。4.4本章小结分别阐述了模型参考自适应法和电机基本方程法的基本原理，采用Matlab/Simulink进行了建模仿真，并与有位置传感器控制方法做了比较。结果表明，两种无传感器矢量控制方法都能够跟踪转子位置和速度，模型参考自适应法有较好的稳态精度，电机基本方程法有较好的动态性能。结语本文中对永磁同步电机无位置传感器控制技术的研究经历了三个阶段：阅读文献，介绍无传感器控制的，建模和仿真分析。首先是通过大量的文献阅读对永磁同步电机的发展现状进行介绍，了解永磁同步电机基本结构，特点，数学模型。以及永磁同步电机矢量控制的基本思想，原理以及它在两相坐标系下的数学模型。阐述了坐标变换的原理，还指出了它在矢量控制系统中的作用。其次，研究了永磁同步电机的矢量控制策略，总结了永磁同步电机无位置传感器控制的几种方法，其中对电机的基本方程法和模型参考自适应法进行了比较详细的介绍。最后，采用Matlab/Simulink进行了建模仿真，并与有位置传感器控制方法做了比较。结果表明，电机的基本方程法算法简单，动态性能较好，从理论上讲转速的计算没有延时，但它的稳态精度不高，缺少误差矫正环节；而模型参考自适应法稳态精度较高，因为它是基于稳定性设计的参数辨识方法，保证了参数估计的收敛性，但它的动态性能很一般，只是因为MRAS辨识法的前提均是转子角速度恒定不变或至少对MRAS法的计算收敛速度来说缓慢变化，动态过程不能保证速度估计值与实测值保持一致，是渐进收敛过程。对以后工作的展望有以下几点：模型参考自适应控制法是基于稳定参数识别方法设计。但速度观测是参考模型的精度为基础，参数精度的参考模型本身就是对控制和识别速度直接相关的工作。所以，模型参考自适应法以后的工作应该主要在以下几个方面：解决多参数辨识问题；选择合理的参考模型和可调模型，减少参数个数；选择合理有效的自适应律。参考文献现代电机控制技术[M].机械工业出版社HoqueMA,RahmanMA.SpeedandPositionSensorlessPermanentMagnetSynchronousMotorDrive[C]//CanadianConferenceonElectricalandComputerEngineering,1994,2;689-692张舒童.永磁同步电机无位置传感器控制技术研究[D].南京:南京理工大学,2008陈志芳.基于滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器的控制.西南交通大学电气工程学院,2012WuR,SlemonGR.APermanentMagnetMotorDriveWithoutaShaftSensor[C]//IEEEIndustryApplicationsSocietyAnnualMeeting,1990,1;553-558.吴芳,黄声华.万山明.永磁同步电机无位置传感器控制技术发展与研究，华中科技大学电气与电子工程学院,2008陈宁.陈文祥.喻寿益.表贴式永磁同步电机无位置传感器控制，中南大学信息科学与工程学，2010王寅东.基于新型滑膜观测器的永磁同步电机无位置传感器控制，天津大学电气与自动化工程学院,2011王明金.永磁电机无位置传感器技术研究，南京航空航天大学NaiduM,BoseBK.RotorPositionEstimationSchemeofaPermanentMagnetSynchronousMMachineforHighPerformanceVariableSpeedDrive[C]//IEEEIAS,1992，1;48-53.FitzgeraldAE,KingsleyCK,UmansSD.ElectricMachinery[