1、大。表面式永磁同步電機無傳感器控制策略及初始位置檢測沈陽工業大學碩士學位論文表面式永磁同步電機無傳感器控制策略及初始位置檢測姓名：宋正強申請學位級別：碩士專業：電力電子與電力傳動指導教師：楊俊友20040218沈m工業人學頂卜學位論文摘要（2 0 0 1級）摘要近十年來，無傳感器技術在永磁同步電機中的應用得到了長足發展,然而大多數文獻和資料表明，這些工作主要針對內埋式永磁同步電機，而對表面式永磁冋步電機無傳感器技術的研究甚少。這是因為表面式永磁冋步電機d軸電感和日軸電感相同，沒有凸極性，位置和速度的估算十分困難。因此，本文以表面式永磁同步電機無傳感器技術的實現為研究重點，并利用數字信號處理器（

2、d s p）對轉子初始位置估算方法進行了初步實驗研究。首先介紹了空間電壓矢量的pwm技術，導出了適合d s p并由兩相定子坐標系電壓計算pwm脈寬的方法，在建立仿真模型基礎上進行了仿 真驗證。提出了用于無機械傳感器控制技術的自適應積分補償觀測器，并利用matla b分別對帶機械傳感器同步電機控制系統和無機械傳感器同步電機控制系統進行仿真實驗，將二者的性能加以比較。結果表明該觀測器自適應能力強，在轉速5 r /m i n仍然能較好估算轉子位置。其次，提出了一種新的永磁同步電機轉子初始位置估算方法電壓脈沖矢量法。該方法原理是基于定子鐵心的非線性磁化特性，即當定子繞阻電流產生的磁場與轉子磁場反向時，

3、磁路中的阻抗較高，定子電流減少;反之磁路飽和程度增強，磁阻較小，定子電流增大。因此，可以通過檢測電流的變化來獲得轉子初始位置信息。最后，利用dsp搭建硬件實驗電路，對轉子初始位景估算方法進行實驗，驗證了電壓脈沖矢量法理論的正確性。關鍵詞：d s p表面式永磁同步電機無傳感器控制初始位置檢測沈陽工業火學碩士學位論文摘要（2 0 0 i級）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 一獨創性說明本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研宄成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致（身）的地方外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得沈陽工業大學或其他教育機構的學位或證書所使用過的材料。與我一同：

10、作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。簽名：鏖塹亟日期：絲土：蘭：絲關于論文使用授權的說明本人完全了解沈陽工業大學有關保留、使用學位論文的規定，b卩：學校有權保留送交論文的復印件，允許論文被查閱和借閱；學校可以公布論文的全部或部分內容，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。（保密的論文在解密后應遵循此規定）簽名：！ &魚至亟導師簽名：鶿殛斂日期：礁壘：圣！圭!沈ij i二1上業大學碩十學位論文1緒論1. 1課題研究的目的和意義近四十年來，由于自動化技術得到了蓬勃發展，特別是電力電子技術的進步促進了現代電機控制技術的發展，以微電子技術為基礎、自動化技術

11、和計算機技術為核心(即綜合機電一體化技術)發展起來的交流驅動系統，正在沖擊著整個傳統工業模式。尤其在近十年來，現代交流調速技術不斷成熟，并朝著數字化、智能化方向發展i 1j,因此對交流驅動系統進行深入研究就顯得十分重要。隨著對交流驅動系統研宄的深入和對性能要求的不斷提高，涌現了多種復雜而先進的控制算法，單片mc5 1、96及多片mcs 9 6系統的運算速度已不能滿足要求。數字信號處理器(d s p)正成為電機控制系統中的首選器件。d s p運算功能強大，能實現高速輸入和高速率傳輸數據，專門處理以運算為主不允許延遲的實時信號，高效進行快速傅立葉變換運算：它包含靈活可變的i /0接口和片內i /

12、0管理，高速并行數據處理算法的優化指令集，其先進的品質號i生能可為電機控制提供高效可靠的平臺【2 1。d s p由于采用丫多總線的哈佛結構，內部設置了專用硬件乘法器以及專用的ds p命令，使其具有高速運算功能一在一個機器周期之內就能完成乘法運算，這比通用微處理機快1 0 1 0 0倍，能夠實時實現復雜控制算法口】【4】【。隨著d s p技術水平的提高其價格不斷降低且性能的不斷改進，使其被廣泛應用于交流驅動領域成為可能。出b s p組成的全數字化驅動系統可以通過修改控制程序，無須改變系統硬件，便可以實現不同的控制算法，實現控 制的軟件化、柔性化，保證實時陛的要求1 5h”。雖然冃前感應電動機以其

13、較低廉的價格、可靠的機械特性和優越的高速運行范圍成為廣泛使用的驅動電機，但是基于感應驅動電機的驅動系統仍存在一些缺點【81。首先，矢量控制理論的提出及應用在對感應電機控制方法上有了重大突破，但在低速時其可控性差、散熱性差等問題較難以解決。其次，感應驅動電機的控制技術較復雜，運算量大。如果采用永磁同步電機作為驅動電機，就可以克服感應驅動電機上述方面的不足。同時永磁同步電機與電勵磁同步電機相比有很多優點8】【9 1 : （ 1 ）無電刷、滑環，消除了轉子損耗，從而可得到較高的運行效率；（2 ）同樣體積的電動機，永磁式電動機的功率可做得更大：（3）轉動慣量小，可獲得較高的加速度；（4）轉動脈矩小，可

14、得到平沈陽工業大學碩十學位論文穩的轉矩；（5 ）由于是稀土永磁磁極，可以獲得較高的磁密度；（6 ）緊湊型設計結構，易于批量加工、安裝。由于上述特點，永磁同步電機（pmsm）廣泛應用于機床進給控制，位置控制、機器人等領域。在交流伺服系統中，一般采用測速發電機或光電碼盤等傳感器檢測速度和位置的反饋量，但也給交流調速系統帶來了一些問題【1 o】【1 1】：機械傳感器增加了電機轉子軸上的轉動慣量，加大了電機尺寸，增加了電機與控制系統之間的連接線路和接口電路，使系統易受環境干擾、可靠性降低。而近年來發展起來的無機械傳感器控制技術為解決這些問題提供了 良好途徑，它利用電機的檢測電壓、電流和電機的數學模型來

15、確定電機轉 子位簧和速度，具有不改造電機結構、省去昂貴的機械傳感器、降低維護費用和不怕粉塵與潮濕等優點。綜上所述，由數字信號處理技術和無機械傳感器技術相結合實現的永磁同步電機全數字化交流驅動系統己成為運動控制領域重要的研宄內容。基于d s p的無機械傳感器交流驅動系統不僅在理論上而且在實踐方面都具有重要的意義，并具有極大的潛力。1_2無機械傳感器技術在同步電機中的應用現狀目前電機控制技術中研究的熱點之無機械傳感器技術，己成為交流傳動研宄的一大方向。同步電機傳動系統需要對其速度和位置進行控制。高精度的電機系統對速度控制和位置控制提出很高的要求，相應地對傳感器的要求提高。冃前，傳感器向小型化、低成

16、本和高分辨率、多功能兩個方向發展【12 1。電機系統中傳感器的存在阻礙了電機向高速化、小型化發展。因此，無機械傳感器技術的研宂在高速電機、微型電機的控制和一些特殊場合具有重要的意義。最早出現的無機械傳感器方法可統稱為波形檢測法，通過檢測物理量波形，找到反映特殊位置的特征點，用以辨識位置。這些物理量可選擇為電機的電壓、電流、磁鏈和反電動勢等，相應方法也很多。口”。同步電機無機械傳感器技術是在數字信號處理器（d s p）出現后得以發展的1 1 4】一【1 6 1。d s p的高速信息處理能力使無機械傳感器控制技術的復雜算法能得以實現。在無機械傳感器技術方面，很多學者進行了研究，提出了較為可行的方法

17、。現將眾多方法歸類如下：1）磁鏈位置估計法.2 .沈陽一 l 一業大學碩士學位論文該方法的基本思想是基于場旋轉理論：在電機穩態運行時，定子磁鏈和轉子磁鏈同步旋轉，且兩磁鏈之間的夾角相差一個功角d,該方法適用于凸極式和表1aj式永磁同步電機。ru s ongwul 7】提出一種方法：在定子兩相靜止坐標系中，通過定子電壓、電流得到實軸、虛軸的定予磁鏈值，根裾兩相磁鏈反j下切值可得當前時刻的定子磁鏈位置，定子磁鏈位置的變化率可得到電機的轉速。該方式用到的電機參數不多，所以受參數影響較小，但電機必須工作在功率因數c o s p = l方式下才能實現轉子位置估計。nes imiertugrul 181提

18、出了新的位置算法。位置計算基于定子三相a b c參考模型，電機端電壓和線電流用于估計電機的磁鏈，而電機的磁鏈是三相電流和位置的函數。算法采用雙電流環結構,外環用于糾正位置，內環用于糾正磁鏈。該算法已應用到梯形波、正弦波的永磁電機，其性能取決于估計磁鏈和測量電壓、電流的精度，因而電機參數的變化將影響位置估計的精度。farhadnozarie191對同步電機提出的方法是先對定子磁鏈的位置進行估計，再實時估計功角，轉子位置則滯后于定子位置一個功角。(2)模型參考位囂估計法口 o 1 _ 馴該方法主要思想為：先假設轉子所在位置，利用電機模型計算出在該假設位置電機的電壓或電流值，并通過與實測的電壓或電流

19、比較得出兩者的差值，該差值正比于假設位罱與實際位置之間的角度差。如果該差值減少為0時則可認為此時假設位置為真實位置。采用這種方法位置精度跟模 型的選取有關。電機模型有電壓模型、電流模型。電流模型比電壓模型低速估計性能更好。（3）卡爾曼濾波器位置估計法2 4 1【2 6卡爾曼濾波器可以從隨機噪聲信號中得到最優觀測。由于d s p高速處理器的出現，擴展卡爾曼濾波器的位置估計法可以在線觀測速度和轉子位置。采用這種算法計算量很大，濾波器很難確定實際系統的噪聲級別和算法中的卡爾曼增益，且受電機參數的影響較人。（4）狀態觀測器的位置估計法.3 .沈剛：f:業入學碩士學何論文該方法首先將輸出變量定義為觀測器

20、的狀態量，觀測器的輸出與實際電機檢測值作比較，用其誤差來糾正觀測器的估計值。狀態觀測器位置估計法己經在很多種電機上得到應用。最早研宄的是u e d a r【2 7】，在隱極式同步發電機上采用了非線性佔計器，將系統和檢測函數擴展成一階電流估計狀態方程，結構相當于擴展的卡爾曼濾波器，但比后者算法簡單。okongwueh口”提岀了一個比較簡單的結構，將線性觀測器建立在繞線式同步電機的線性模型上，其性能可以滿足在寬調速的工作條件下小擾動的要求。lumsdaine 2冊將觀測器應用到調速磁阻電機，該電機每相電感的空間變化影響轉子每相磁通變化。因此，電機動態空間變化模型就是一個觀測器。由于電機動態和反饋增

21、益是估計變量的非線性函數，觀測器結構為非線性。yma s h k f 3 0 1提出種非線性觀測器用于同步發電機，采用線性恒定増益，電機模型采用非線生模型，其缺點是位置估計不能快速收斂。gharbanck311提出一種復雜結構的觀測器，運用最優估計理論，針對隨動系統噪聲和檢測噪聲，觀測器可實現最優。系統噪聲來自于模型誤差和外部干擾，觀測器類同于卡爾曼濾波器，但觀測器的階數很高，為1 4階，導致計算量很大，很難實時應用。（5 ）檢測電機相電感變化的位置估計法在凸極式永磁同步電機（i pmsm）中，繞組電感的變化為轉子位置的函數，因此可通過繞組電感的變化可用來獲得位置信息。b i n n s rj

22、 口 2 1提出了用等效電阻和電感建立線圈的近似模型，檢測每相繞組自感和內部繞組互感變化，用于估計轉子位置。該控制方法不足之處是難以在線檢測位置。i ab【3 3 1提出了一種查表法。每i pmsm的電感可從電機的電壓、電流信息中計算得到，g電感對應的位置存儲在表中，通過查表可以得到估計位置。該方法不足之處是存儲位置信息的所需存儲器容量大。l o r e n z r d 3 4 h刈提出了高頻信號注入法（inform）其原理是向定子中注入一高頻信號，利用i pmsm本身的凸極|生獲取轉子信號，可以用來估算轉子初始位置，這種方法受電機參數影響很小，在極低速仍可獲得較好的動態性能，然而高頻信號注入

23、法.4.沈t業大學碩士學位論文對表面式永磁同步電機（spmsm）卻是無效的，因為表面式永磁同步電機d軸電感和h軸電感相同，沒有凸極性。無機械傳感器技術的應用給永磁同步電機帶來了起動問題。機械式位置傳感器能探知電機靜止時轉子磁極位置，使電機和逆變器配合工作于自控同步狀態，因而電機起動不會失步。無機械傳感器技術無法在電機靜止時從電機的電氣特性知道轉子的初始位置。只有電機起動到一定的轉速后,電機才能正常運行于無位置傳感器狀態下。【因此，起動問題是同步電機實現無位置傳感器運行的一大問題。初始位置的檢測是電機起動中的首要問題。最早提出的策略是任意開通兩相或三相繞組，希望轉子停在某一確定位置。endot【

24、371提出在電機每相加上一頻率逐漸增加的信號，使電機加速到可辨識轉子位置信息后，再切入無機械傳感器運行。matsuin38提出采用專門p wm模式使轉子停在某相繞組位置上，再采用常規控制方法起動電機。以上所述的策略動態響應差，轉子工作于擺動模式，不能得到靜止吋轉子準確的初始位置，而且如果電機系統起動過程一旦中斷，在短時間內難以找到轉子實際位置，也不能實現平滑起動。cardolettil391根據永磁電機每相電感的變化是位景的函數這一原理來起動永磁電機。schroedtm40】.421采用在線式電抗檢測的非直接磁通檢測法（inform）。infoi ti方法通過卡爾曼濾波器來改善位置精度，該方案

25、稱電機靜止時也可得到系統的高動態性能，冃前，無位置傳感器技術應用在表面式永磁同步電機矢量控制中的應用現狀如下：基木上省去了電機系統的傳感器部分，達到無機械傳感器運行：算法 復雜，受電機參數影響大：沒有凸極性，導致許多方法失效，轉子位置很難估計；起動問題尚未找到完美的答案：低速運行還存在問題。13論文的主要內容本文在第二章給出了表面式永磁同步電機在不同坐標系下的數學模型以及各坐標系問的相互轉化方法。這些數學模型和電磁約束關系為以后幾章的控制提供了理論基礎。第三章主要敘述了基于空間矢量的pwm波原理，并給出在d s p中 產生三相？_1 vi波的計算方法，利用mat lab仿真工具箱對pwm的產生

26、過程進行了仿真。第四章首先介紹了反電勢積分法所用到的幾種觀測器，并選用自適應補償觀測器進行無機械傳感器控制，通過仿真驗證了方法的可行性。.5.沈陽工業火學碩士學位論文第五章介紹一種電機靜止時轉子初始位置的估算方法，該方法簡單可靠，易于編程。第六章搭建硬件電路，對初始位置估算法進行實驗驗證。.6.沈刖j 一業大學碩士學能論文2 s pms m的數學模型和理論基礎2. 1坐標變換原理2. 1. 1三相定子坐標系和兩相定子坐標系之間坐標變換定義c,為三相定子坐標系到兩相定子坐標系的變換陣（以下簡稱3 / 2變換陣）得7 21 一二 1(2.1)o魚q j由兩相定予坐標系到三相定子坐標系變換陣（以下簡

27、稱2 , 3變換陣）可以由3 / 2變換陣求逆獲得：101212 c % = ； 7 3 2 （2. 2）壓2在變換過程屮，保持了矢量的幅值不變，因此3 / 2變換陣有系數曇，2 / 3變換陣有系數呈3。如果把三相合成矢量的幅值定義為實際值的爭則變換陣系數皆為1在變換過程中不是保持幅值不變，而是保持功率不變，變換陣系數皆為一vt6。 a如果%卻十測.7.旺，當a, b, c各相繞組上的電壓與電流分別為相位互差1 2 0 0的正弦時，在d, g繞組.二的電壓與電流為相位互差9 0 0的正弦。三相繞組與兩相繞組在氣隙中產生的磁勢沈陽工業大學碩+學位論文2.1. 2兩相定子坐標系（口/）和同步旋轉坐

28、標系（d g ）之間坐標變換）囂i , c % / q d。0 （n i s 既=% c晡燃的系標坐g jl “e，j飆坐蹶帥坐標系的旋轉矩陣，c%二匿一 s i n (°°g )囂”。是口/坐標系c哆，為a盧坐標系到d / 7 1 1 4和d q坐標系之間的夾角。2. 2 s pmsm的數學模型為了簡化分析過程，忽略一些次要因素，作如下假設：(1 )忽略漏磁通的影響。(2)電機運行時不考慮磁飽和現象，即定子各相繞組的電感l和通入繞組中的電流大小、相位無關。(3 )定子各相繞組的電樞電阻阻值相等：定子各相繞組的電感相等。即：ro =r| = ro =rrlo =l6=l。=

29、 l r(4)氣隙分布均勻，磁回路與轉子的位置無關，即各相繞組的電感與轉子位置無關。(5 )轉子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。2. 2. 1永磁同步電機在兩相定子坐標系下的數學模型表面式永磁冋步電機在兩相定予坐標系下的數學模型：。)j , +兒如 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、分別為口盧軸電壓，。、，口分別為口、/軸電流，r。、r 口為電機口、p軸電阻r。=r。=r,三。、屯分別為a、/軸電感l。=ld2 l, p為微分算孑，1 j婦p 2_和£。2

30、. 2. 2永磁同步電機在同步旋轉坐標系下的數學模型電機在旋轉坐標系中的電壓回路方程：.8，沈陽:業大學碩十學位論文【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。是旋轉坐標系的轉速，國。是轉子的轉速，a 0是同步旋轉坐標系和轉子直軸和交軸的夾角。如圖所示；q、止轉子直軸、d 圖2. i n步旋轉坐標系與轉子位置關系當d，q軸的旋轉速度和轉子旋轉速度一致(00。=f_0。)時，可以得到永磁同步電機在同步運轉時的電壓回路方程：趁二rl+。l，d,

31、 p 二：z; : + 腳。/偽;cz. s，2. 2 3永磁同步電機的運動方程電機的運動方程描述如下：學=(r e t tbe o 0)z是負載轉矩，b是粘滯摩擦系數,疋二 p ? p , + (島一 l q x i/ j ( 2 . 7 其中貯是電磁轉矩，j是轉動慣量。d j?。(2 . 8 ) p為極對數，/，為永磁體磁通。當采用i。= 0的控制方案時電機的轉矩方程變為:疋=? p r ,o ( 2. 9 )對于一個給定的電機p、/，都為常數，因此電機的輸出轉矩與電流，。呈線形關系，也就是說只需控制電流，。的大小就可以控制電機的輸出轉矩。.9.沈剛：業大學碩士學位論文3基于空間電壓矢量的

32、p w m技術電動機調速系統的性能好壞關鍵是能否實現轉矩的高性能控制，1 97 1年，由剮a s c h k e等人首先提出了交流電動機的矢量控制(t ransvectorcontrol)理論，從理論上解決了轉矩的高性能控制問題。為了能達到高性能，空間旋轉磁場應當盡量為圓形，因此要把電壓矢量作為一個整體來處理產生pwm波。這種pwm調制方法稱為基于空間電壓矢量的pwm技術。3. 1基于空間電壓矢量的pwm原理永磁同步電動機正常運行時，a、b、c三相相電壓表示為：訖。=礦柜 c 0 s (0)。r )%二 y 扼c 0 s (0)。卜等)%。=礦壓c 0 s (0)。卜孚)三相逆變電路如圖3. 1所示(3. 1)03. 1三相逆變電源圖3. 2 a將逆變橋的i g b t看作理想開關表4、b、c三相的丌關狀態。x= 1臂開通；x= 0 (x=(a, b, c)b、c三橋臂等效電路并定義幵關量月、b、c分別代(x = ( a, b, c)表示上橋表示下橋臂開通。對于不同的開關狀態組合，電壓。崛(的值如下表所示(表中v d c為直流母線電壓)