基于旋轉(zhuǎn)高頻注入法的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)的研究

1、 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文基于旋轉(zhuǎn)高頻注入法的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)研究姓名:沈朗申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):電氣工程指導(dǎo)教師:廖勇20090524中文摘要重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要永磁同步電機(jī),由于無需勵(lì)磁電流、體積輕便、運(yùn)行效率和功率密度都很高,在工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。在傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,通常采用光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度。然而,這些機(jī)械式的傳感器增加了系統(tǒng)的成本,并且降低了系統(tǒng)的可靠性。因此,電動(dòng)機(jī)無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究具有重大意義和價(jià)值,已經(jīng)成了近幾年來的研究熱點(diǎn)。目前,永磁同步電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果,但大多依賴于對(duì)電動(dòng)機(jī)基波

2、方程的分析,不適于低速下應(yīng)用,尤其是在轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)方面有很多不足。針對(duì)這種現(xiàn)狀,本文主要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究工作:.論文在闡述永磁同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)并構(gòu)建其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了基于凸極跟蹤的旋轉(zhuǎn)高頻注入法估算轉(zhuǎn)子位置的原理,建立仿真模型分析探討了該法在永磁同步電機(jī)矢量控制中的應(yīng)用,驗(yàn)證該法進(jìn)行轉(zhuǎn)子速度及位置檢測(cè)的有效性。.深入分析電機(jī)定子電感的飽和效應(yīng),建立仿真模型對(duì)旋轉(zhuǎn)高頻注入法在永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真研究。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,旋轉(zhuǎn)高頻注入法能夠準(zhǔn)確跟蹤轉(zhuǎn)子凸極位置,但其存在不能確定估算結(jié)果是極還是極位置的問題。針對(duì)該問題,論文分析了永磁同步電機(jī)定子電流對(duì)電機(jī)磁

3、路飽和度的影響,根據(jù)旋轉(zhuǎn)電流矢量幅值變化特性,提出了一種判定轉(zhuǎn)子永磁體/極極性的方法,解決了常規(guī)高頻注入法所存在的估算結(jié)果可能反向的問題。.搭建了基于實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用旋轉(zhuǎn)高頻注入法結(jié)合本文提出的轉(zhuǎn)子永磁體/極極性檢測(cè)方法進(jìn)行了轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)高頻注入法能夠準(zhǔn)確估算出轉(zhuǎn)子初始位置。本文所做的研究工作,為包括具有結(jié)構(gòu)性凸極及飽和性凸極在內(nèi)的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)研究提供了一定的參考依據(jù),并為永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)全速范圍運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:永磁同步電機(jī),高頻注入,轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè),/極性重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 英文摘要,曲曲 . , .

4、 .,. ,. . ., 曲 .耐匆. /, . /, . ? . ., .重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 英文摘要:,岫,/學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲一交的圾士學(xué)位圳莖豢燃竺竺三是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知,除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外,論文中不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名:泊乞簽字日期:加。歲.弓,導(dǎo)師簽名:簽字日期:卅;/學(xué)位論文使用授權(quán)書本人完全了解重慶大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。本人完全同意中下簡(jiǎn)稱“章程”,愿意將本人的強(qiáng)士學(xué)位論文竺筆堅(jiān)篡讖五鬟茹

5、鏊鬻茲專淼交溢篡麓黧淵提交中國(guó)學(xué)術(shù)期刊光盤版電子雜志社在中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)以及重慶大學(xué)博碩學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)中全文發(fā)表。中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)可以以電子、網(wǎng)絡(luò)及其他數(shù)字媒體形式公開出版,并同意編入中國(guó)知識(shí)資源總庫(kù),在中國(guó)博碩士學(xué)位論文評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)中使用和在互聯(lián)網(wǎng)上傳播,同意按“章程規(guī)定享受相關(guān)權(quán)益和承擔(dān)相應(yīng)義務(wù)。本人授權(quán)重慶大學(xué)可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文,可以公開論文的全部或部分內(nèi)容。殍墨導(dǎo)師簽名:作者簽名:芝幻釜氏多仍歹年月多/日備注:審核通過的涉密論文不得簽署“授權(quán)書一,須填寫以下內(nèi)容:該論文屬于涉密論

6、文,其密級(jí)是?,涉密期限至?年一月一日。說明:本聲明及授權(quán)書生逝裝訂在提交的學(xué)位論文最后一頁(yè)。緒論重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文緒 論.課題研究背景和意義隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)電氣傳動(dòng)在起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面都提出了更高的要求,這就要求大量地使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能良好,自誕生之日起就受到人們的關(guān)注,并且在工業(yè)和生活中得到了廣泛的應(yīng)用。但是,換向器的存在,使直流電動(dòng)機(jī)的工作量加大,單機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境都受到限制。世紀(jì)年代的能源危機(jī)促使人們研究交流調(diào)速系統(tǒng),特別是隨之而來的計(jì)算機(jī)和微處理器的快速發(fā)展、電力電子器件的日新月異、現(xiàn)代

7、控制理論和智能控制方法的成熟,使得交流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用如日中天。采用半導(dǎo)體變流技術(shù)、大規(guī)模集成電路和高速處理器等實(shí)現(xiàn)的交流調(diào)速控制系統(tǒng),加之矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制及智能控制等先進(jìn)控制方法的應(yīng)用,使得交流調(diào)速控制系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)態(tài)精度、快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限可逆運(yùn)行等良好的控制性能,在調(diào)速性能方面堪與直流電機(jī)媲美。在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域,交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)上升到主導(dǎo)地位,并有逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢(shì),其中永磁電機(jī)得到了人們?cè)絹碓蕉嗟那嗖A【捌。永磁同步電機(jī)是近幾年來發(fā)展比較快的一類新型電機(jī),其電機(jī)結(jié)構(gòu)上類似于同步電機(jī),只是在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上去掉了直流勵(lì)磁繞組,并在轉(zhuǎn)子上放置永磁體代替轉(zhuǎn)子

8、勵(lì)磁繞組產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng),從而省去了轉(zhuǎn)子滑環(huán)和碳刷裝置,大大減少了電機(jī)銅耗。永磁電機(jī)的發(fā)展與永磁材料工業(yè)的進(jìn)步密切相關(guān)。目前永磁電機(jī)采用的永磁材料包括有鋁、鎳、鈷鐵磁性合金,陶瓷、稀土材料,鐵氧體磁性材料,釹鐵硼,鋇或鍶等鐵磁性材料。年問世的釹鐵硼永磁材料,由于其優(yōu)異的磁特性、成本低廉和來源充足等原因,得到了廣泛的應(yīng)用和開發(fā)。在永磁電機(jī)中,永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)、永磁同步電機(jī)、永磁交流同步伺服電動(dòng)機(jī)與永磁直流電動(dòng)機(jī)是當(dāng)前發(fā)展的主流,其中永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)是功率較小、類型品種多、應(yīng)用廣的產(chǎn)品,由于采用電子換向代替機(jī)械換向,無刷電機(jī)的發(fā)展與電子技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān),尤其要求它滿足高性能、低價(jià)格,需要研

9、究的內(nèi)容甚多。永磁交流同步伺服電動(dòng)機(jī)是一種功率較大、使用于高性能場(chǎng)合的產(chǎn)品,它能實(shí)現(xiàn)高性能伺服特性并滿足同步換向的要求,因此降低成本與擴(kuò)大生產(chǎn)成本成為此類電機(jī)的主攻方向。永磁同步電機(jī)有電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)兩類,它們的功率較大并向超大容量發(fā)展。永磁同步電機(jī)具有高密度的氣隙磁通,輕便的體積和高功率密度,而高轉(zhuǎn)矩/慣量比保證了永磁緒論重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文同步電機(jī)具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。這些優(yōu)點(diǎn)使得永磁同步電機(jī)在航空、航天、機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。在永磁同步電機(jī)交流傳動(dòng)系統(tǒng)中,為提高交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性,需要采用速度閉環(huán)控制。速度閉環(huán)的加入改善了電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能,在傳統(tǒng)調(diào)速系

10、統(tǒng)中一般采用安裝速度傳感器、測(cè)速發(fā)電機(jī)或增量式光電編碼器來獲取反饋速度,但是這樣,不但增加了成本,破壞了交流調(diào)速系統(tǒng)的簡(jiǎn)易性,同時(shí)機(jī)械上的誤差還會(huì)影響檢測(cè)精度和控制性能,降低可靠性,增加了電動(dòng)機(jī)安裝和維護(hù)上的困難;而且速度傳感器不適合在潮濕、粉塵等惡劣環(huán)境下工作,安裝測(cè)速發(fā)電機(jī)還會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的額外負(fù)載。所以電動(dòng)機(jī)無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究具有重大意義和價(jià)值,已經(jīng)成了近幾年來的研究熱點(diǎn)【。此外,永磁同步電動(dòng)機(jī)控制中,轉(zhuǎn)子初始位置正確性是電機(jī)正常起動(dòng)運(yùn)行的基礎(chǔ),是控制算法正確運(yùn)算實(shí)施的前提,若初始位置檢測(cè)失誤,有可能造成反方向旋轉(zhuǎn)或者起動(dòng)失敗,這是不允許的。通常采用的起動(dòng)方法有:開環(huán)起動(dòng);使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

11、動(dòng)到預(yù)先設(shè)定的位置上起動(dòng);在靜止時(shí)通過特定的算法估算轉(zhuǎn)子位置。方法、無法在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)對(duì)其位置實(shí)現(xiàn)檢測(cè),不適合某些特定場(chǎng)合,而且要實(shí)現(xiàn)真正意義上的從靜止到全速度范圍的無位置傳感器控制,必須很好地解決永磁同步電機(jī)靜止時(shí)轉(zhuǎn)子的初始位置估計(jì)問題。如果在無位置傳感器控制中對(duì)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置估算不準(zhǔn)確,就可能在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中發(fā)生反轉(zhuǎn)或因失步導(dǎo)致起動(dòng)失敗,也有可能影響起動(dòng)后的運(yùn)行性能。因此如何利用控制系統(tǒng)己有資源以及一些可以檢測(cè)的物理量獲得轉(zhuǎn)子初始位置是無傳感器控制乃至有位置傳感器控制需要討論研究的一個(gè)重要問題。.無傳感器控制技術(shù)在永磁同步電機(jī)中研究現(xiàn)狀.永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制自年代

12、以來,交、直流調(diào)速系統(tǒng)中盡可能減少包括速度傳感器在內(nèi)的一切傳感器的工業(yè)需求和努力就一直在進(jìn)行著。年,.等人根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型及系統(tǒng)控制原理,推導(dǎo)出電機(jī)的滑模表達(dá)式,在無速度傳感器領(lǐng)域做年.完成出首次嘗試。而首次將無速度傳感器應(yīng)用于矢量控制的是在的,這使得交流傳動(dòng)又上了一個(gè)新臺(tái)階。在其后的十幾年里,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量的工作,提出了諸多方法,其中適合于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子和位置估算方法主要有:利用定子端電壓和電流直接計(jì)算轉(zhuǎn)子速度和位置該法通過檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的端電壓、電流,利用磁鏈計(jì)算出轉(zhuǎn)子的位置角和速度。這里磁鏈由反電動(dòng)勢(shì)積分求得,由于積分器有零漂問題,得到的磁鏈值會(huì)有積分誤差。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較

13、低時(shí),問題更為嚴(yán)重,尤其當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在基速的%以下時(shí),緒論重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文無法建立起足夠大的反電動(dòng)勢(shì)。該法計(jì)算簡(jiǎn)單,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,幾乎沒有延遲,但是如果要準(zhǔn)確地計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置角和速度,都需要準(zhǔn)確地測(cè)量定子端電壓,而且對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確性要求也比較高。隨著電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的變化例如溫度的升高,電動(dòng)機(jī)參數(shù)風(fēng)、會(huì)發(fā)生變化,參數(shù)的誤差會(huì)導(dǎo)致估算值偏離真實(shí)值。因此,應(yīng)用這種方法時(shí)需結(jié)合電動(dòng)機(jī)參數(shù)的在線辨謝】。觀測(cè)器基礎(chǔ)上估算方法觀測(cè)器的實(shí)質(zhì)是狀態(tài)重構(gòu),其原理是重新構(gòu)造一個(gè)系統(tǒng),利用原系統(tǒng)中可以測(cè)量的變量如輸入矢量和輸出矢量作為它的輸入信號(hào),并使其輸出信號(hào)在一定條件下等價(jià)與原系統(tǒng)的狀態(tài)。通常,稱為的重構(gòu)狀態(tài)

14、或估計(jì)狀態(tài),而稱這個(gè)用以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)重構(gòu)的系統(tǒng)為觀測(cè)器。目前主要存在的觀測(cè)器有全階狀態(tài)觀測(cè)器、降階狀態(tài)觀測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器、滑模觀測(cè)器等。其中全階狀態(tài)觀測(cè)器需要在電動(dòng)機(jī)高速時(shí)和低速時(shí)采用不同的增益矩陣,而且由于狀態(tài)觀測(cè)器受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響較大,還需要另外一個(gè)狀態(tài)觀測(cè)器來估計(jì)電動(dòng)機(jī)的參數(shù),這樣使無傳感器傳動(dòng)系統(tǒng)的估計(jì)算法更加復(fù)雜。同時(shí)系統(tǒng)還存在對(duì)負(fù)載變化比較敏感等問題。擴(kuò)展卡爾曼濾波法可以從隨機(jī)噪聲信號(hào)中得到轉(zhuǎn)速最優(yōu)觀測(cè)。由于高速處理器的出現(xiàn),擴(kuò)展卡爾曼濾波器的位置估計(jì)方法可以在線觀測(cè)速度和轉(zhuǎn)子位置。其優(yōu)勢(shì)在于可以不需要電機(jī)精確的數(shù)學(xué)模型,克服電動(dòng)機(jī)參數(shù)的時(shí)變對(duì)系統(tǒng)的不良影響估計(jì)出轉(zhuǎn)子速度和

15、位置。但采用這種算法計(jì)算量很大,濾波器很難確定實(shí)際系統(tǒng)的噪聲級(jí)別和算法中卡爾曼增益】?；Ｓ^測(cè)器是利用滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)對(duì)參數(shù)擾動(dòng)魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn),把一般狀態(tài)觀測(cè)器中的控制回路改成滑模變結(jié)構(gòu)的形式。滑模變結(jié)構(gòu)控制的本質(zhì)是滑模運(yùn)動(dòng),通過結(jié)構(gòu)變化開關(guān),以很高的頻率來回切換,使?fàn)顟B(tài)的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)以很小的幅度在相平面上運(yùn)動(dòng),最終運(yùn)動(dòng)到穩(wěn)定點(diǎn)。滑模運(yùn)動(dòng)與控制對(duì)象的參數(shù)變化以及擾動(dòng)無關(guān),因此具有很好的魯棒性,但是滑模變結(jié)構(gòu)控制在本質(zhì)上是不連續(xù)的開關(guān)控制,會(huì)引起比較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。去抖的同時(shí)仍然保證系統(tǒng)的魯棒性是這種控制系統(tǒng)迫切需要解決的問題】。模型參考自適應(yīng)方法該法的主要思想是將含有待估計(jì)參數(shù)的方程作為可調(diào)模型,將

16、不含未知參數(shù)的方程作為參考模型,兩個(gè)模型具有相同物理意義的輸出量。兩個(gè)模型同時(shí)工作,并利用其輸出量的差值,根據(jù)合適的自適應(yīng)律來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可調(diào)模型的參數(shù),以達(dá)到控制對(duì)象的輸出跟蹤參考模型的目的。模型參考自適應(yīng)方法在異步電動(dòng)機(jī)的無速度傳感器控制中的應(yīng)用比較多,對(duì)于永磁同步電機(jī),由于永磁體的存在,該方法在永磁同步電機(jī)無速度傳感器控制中還有新的問題需要解決【刀。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論高頻注入法為解決低速時(shí)轉(zhuǎn)子位置和速度估算不準(zhǔn)的問題,美國(guó)大學(xué)的.和.提出了高頻注入的方法。這種方法采用在電動(dòng)機(jī)出線端注入高頻電壓或電流信號(hào)的方法,跟蹤電動(dòng)機(jī)內(nèi)部固有的或認(rèn)為的不對(duì)稱性凸極性,檢測(cè)高頻電流或電壓響應(yīng)來獲取轉(zhuǎn)

17、子位置和速度信息。由于依賴外加高頻激勵(lì)信號(hào)來顯示凸極性,與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況無關(guān),使得這種方法能夠應(yīng)用在很寬的速度范圍內(nèi),解決低速甚至零速下轉(zhuǎn)子位置和速度的估計(jì)問題,具有良好的應(yīng)用前剽陽(yáng)引。人工智能理論基礎(chǔ)上的估算方法進(jìn)入世紀(jì)年代,交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的控制方案逐步走向多元化,智能控制思想開始在傳動(dòng)領(lǐng)域初見端倪。專家系統(tǒng) 、模糊控制、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò) 紛紛應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制方案。利用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行辨識(shí),一般都是先規(guī)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),再通過學(xué)習(xí)系統(tǒng)的輸入和輸出,使性能指標(biāo)滿足要求,進(jìn)而歸納出隱含在系統(tǒng)輸入輸出中的關(guān)系。利用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)的方法有多種,最常用的是前饋多層模型法。這方面的研究雖然取得了一定的理論和

18、仿真成果,但是由于其理論還不成熟,硬件實(shí)現(xiàn)也有很大難度,走向?qū)嵱没牡缆啡匀宦L(zhǎng)。但隨著智能控制理論與應(yīng)用的日益成熟,將會(huì)給交流傳動(dòng)領(lǐng)域帶來革命性的變化【】。.轉(zhuǎn)子初始位置的檢測(cè)目前永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子位置信息的獲得多是采用硬件速度傳感器,其中應(yīng)用最多的是光電編碼器。按脈沖與對(duì)應(yīng)位置關(guān)系,光電編碼器通常分為增量式、絕對(duì)式以及混合式三種,增量式編碼器由于響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小而得到了廣泛應(yīng)用。增量式編碼器特點(diǎn)是可以通過脈沖計(jì)數(shù)獲得轉(zhuǎn)子位置信息增量,但我們無法區(qū)別具體是哪一個(gè)位置的增量,必須在己知某一初始位置后信號(hào)給出初始零位信號(hào),根據(jù)角度增量獲知轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置,保證電機(jī)正常運(yùn)行,因此它對(duì)轉(zhuǎn)

19、子起動(dòng)時(shí)初始位置的獲知無能為力。如果無法獲得轉(zhuǎn)子初始位置信息,電機(jī)起動(dòng)前需要進(jìn)行轉(zhuǎn)子強(qiáng)制定位,或者手動(dòng)旋轉(zhuǎn)一周,使其經(jīng)過一次脈沖位置,獲知碼盤零位,碼盤才可以正確工作,電機(jī)才可以投入運(yùn)行。絕對(duì)式光電編碼器對(duì)軸角位置進(jìn)行編碼,軸角位置與編碼信號(hào)單值對(duì)應(yīng),可以在轉(zhuǎn)子無機(jī)械運(yùn)動(dòng)的情況下獲知轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置信息。使用這種編碼器不存在轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)問題,但由于它要對(duì)位置絕對(duì)值信號(hào)進(jìn)行采樣處理,有一定時(shí)間延遲,因此它無法滿足高速、高精度控制要求。緒論重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文混合式編碼器將增量式光電編碼器與絕對(duì)式光電編碼器功能進(jìn)行了結(jié)合,但它輸出的絕對(duì)位置信號(hào)只是一組相位互差度電角度的電信號(hào),僅能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子初

20、始位置粗略檢測(cè)。碼盤信號(hào)將度電角度劃分為個(gè)扇區(qū),最大檢測(cè)誤差為度電角度。綜上所述,直接利用碼盤較為精確獲知轉(zhuǎn)子初始位置信息存在很多問題,而轉(zhuǎn)子初始位置又是永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)正確起動(dòng)所必須的,不可回避,對(duì)永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)更是如此,因此若要實(shí)現(xiàn)無傳感器控制真正意義上全速范圍運(yùn)行,轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)是需要解決的重要問題。目前國(guó)內(nèi)外有些學(xué)者在轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)方面做了大量研究,提出了一些方法,其中比較有代表性的方法有電壓脈沖矢量法、高頻信號(hào)注入法等【。電壓脈沖矢量法通過向電機(jī)施加一系列相同幅值、不同方向的電壓脈沖,檢測(cè)并比較相應(yīng)的定子電流來估算轉(zhuǎn)子的初始位置,其原理可描述如下:永磁同步電機(jī)

21、總有一定的凸極效應(yīng),內(nèi)插式和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)凸極效應(yīng)比較明顯,即其具有結(jié)構(gòu)上的凸極效應(yīng);對(duì)于面貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī),由于永磁體造成的飽和凸極效應(yīng),所以對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子的不同位置,定子鐵心的等效電感值總有些差別。當(dāng)對(duì)電機(jī)施加幅值相等而方向不同的一系列電壓脈沖時(shí),所得到的定子電流值的大小必然與電壓脈沖的方向有關(guān),得到最大電流的方向應(yīng)該就是轉(zhuǎn)子磁極所在的方向。而區(qū)分磁極極性就要用到定子鐵心的非線性磁化特性,定子繞組中順磁方向的電流比逆磁方向的電流絕對(duì)值大。當(dāng)施加的電壓方向和轉(zhuǎn)子極方向一致時(shí),定子繞組中的電流值達(dá)到最大值。因此,可以通過檢測(cè)這種電流的變化來獲得轉(zhuǎn)子的初始位置信息,理論上估算

22、誤差在.以內(nèi)。但這種方法也存在一定的問題,電壓矢量的幅值和作用時(shí)間的合理選取很重要,如果施加到電動(dòng)機(jī)上的電壓矢量幅值過大,則可能在檢測(cè)過程中電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng);如果施加的電壓矢量幅值過小,則所得電流值尤其是對(duì)極和極方向施加電壓脈沖所得的電流值之間的差別可能太小,不能準(zhǔn)確估算轉(zhuǎn)子的位置。所以在檢測(cè)前必須合理確定電壓矢量的幅值和作用時(shí)間,以保證轉(zhuǎn)子初始位置估算順利進(jìn)行【“。高頻注入法由于基于電機(jī)的凸極效應(yīng)固有的或人為的,不依賴于電機(jī)的基波方程和參數(shù),因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的有效估算。它分為旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)注入法和脈振高頻信號(hào)注入法。脈振高頻信號(hào)注入法與脈沖電壓矢量法類似,向電機(jī)施加一系列相

23、同幅值、不同方向的高頻電壓信號(hào),檢測(cè)并比較相應(yīng)的定子電流計(jì)算高頻阻抗,根據(jù)高頻阻抗的變化趨勢(shì)確定出永磁體的空間位置。但其與電壓脈沖矢量法一樣需要合理選擇注入信號(hào)的幅值,而且脈振高頻信號(hào)注入法估算所得的是轉(zhuǎn)子凸極位置,無法判別出/極極性。在檢測(cè)出轉(zhuǎn)子凸極位置后,可通過注入脈沖的方法進(jìn)一步判斷永磁體的/極極性。旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)注重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 緒論入法對(duì)靜止的永磁同步電機(jī)注入旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào),通過檢測(cè)對(duì)應(yīng)的高頻電流響應(yīng),利用數(shù)字濾波器和凸極跟蹤觀測(cè)器就可對(duì)電機(jī)的初始位置進(jìn)行估計(jì)。在目前資料中該法主要應(yīng)用于具有結(jié)構(gòu)性凸極的內(nèi)置式永磁同步電機(jī),對(duì)于面貼式永磁同步電機(jī)由于無結(jié)構(gòu)凸極性則較少涉及。而且該法在

24、應(yīng)用時(shí),由于其本身檢測(cè)原理檢測(cè)所得是轉(zhuǎn)子凸極位置,同樣存在估算結(jié)果可能反向問題。另外,高頻注入法常會(huì)遇到信噪比較低的困難,所以要盡量抑制和消除各種噪聲。.課題需要解決的問題及本文的工作綜上所述,永磁同步電機(jī)由于無需勵(lì)磁電流、運(yùn)行效率和功率密度都很高,在交流調(diào)速傳動(dòng)中獲得了日益廣泛的應(yīng)用,但它的高性能控制需要精確的轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào),為了克服機(jī)械式位置傳感器的可靠性和維護(hù)等問題,永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。目前無位置傳感器控制技術(shù)的研究已經(jīng)取得豐碩的成果,但大多數(shù)方法的機(jī)理依賴于對(duì)電機(jī)基波方程的分析,僅適合于中、高速應(yīng)用,此外還對(duì)電機(jī)參數(shù)敏感,魯棒性差,或是實(shí)現(xiàn)技術(shù)復(fù)雜,

25、難以實(shí)用。而且目前進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)時(shí),尤其針對(duì)面貼式永磁同步電機(jī),在判別轉(zhuǎn)子永磁體/極極性,進(jìn)而準(zhǔn)確快速估算出轉(zhuǎn)子初始位置角方面仍舊需要做進(jìn)一步的研究。針對(duì)這種現(xiàn)狀,本文主要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究工作:.構(gòu)建永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型,并分析研究磁路結(jié)構(gòu)對(duì)永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型中參數(shù)的影響,為后續(xù)章節(jié)奠定理論基礎(chǔ);.建立在旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)激勵(lì)下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)研究基于旋轉(zhuǎn)高頻注入法的轉(zhuǎn)子凸極位置檢測(cè)方法的原理,并進(jìn)行仿真分析研究;.針對(duì)常規(guī)高頻注入法所存在的轉(zhuǎn)子位置估算角反向的問題,對(duì)永磁同步電機(jī)的電感飽和效應(yīng)進(jìn)行深入分析,研究在利用高頻信號(hào)注入法提取轉(zhuǎn)子凸極位置信息基礎(chǔ)上,利用

26、旋轉(zhuǎn)電流矢量幅值變化的情況進(jìn)行轉(zhuǎn)子永磁體、極極性判定進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)子位置估算結(jié)果進(jìn)行校正;.搭建基于的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用旋轉(zhuǎn)高頻注入法對(duì)一臺(tái)面貼式永磁同步電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)實(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)所提出轉(zhuǎn)子初始位置改進(jìn)檢測(cè)方法的有效性。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理永磁同步電機(jī)有各種不同的結(jié)構(gòu)型式,不同的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)電機(jī)的模型參數(shù)也各不相同,則電機(jī)的控制性能也有所差別。因此本章首先介紹永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上搭建電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,并研究電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)模型參數(shù)的影響,為后續(xù)的矢量控制策略的分析、仿真及轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)實(shí)驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)。.永磁同

27、步電機(jī)的分類和結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)定子與普通同步電機(jī)基本相同,由三相繞組和鐵心構(gòu)成,其轉(zhuǎn)子上用永磁體代替電勵(lì)磁繞組來產(chǎn)生轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁通。根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁體在氣隙中產(chǎn)生的磁通密度波形的形狀,永磁同步電機(jī)可分為矩形波永磁同步電機(jī)即通常所指的無刷直流電機(jī)和正弦波永磁同步電機(jī),后者為本文的研究對(duì)象,文中也按照慣例簡(jiǎn)稱其為永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)與其它電機(jī)的最主要的區(qū)別是轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同,電機(jī)的運(yùn)行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適用場(chǎng)合也不同。按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同,永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)一般分為三種:面貼式、嵌入式和內(nèi)置式,圖.顯示了永磁同步電機(jī)的這三種基本的結(jié)構(gòu)。下面將對(duì)這三種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)做一

28、簡(jiǎn)單介紹【。面貼式 嵌入式 內(nèi)置式圖.永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖. 面貼式及嵌入式的永磁體通常呈瓦片狀,并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上,永磁體提供的磁通方向?yàn)閺较?且永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間一般僅套以起保護(hù)作用的非磁性圓筒,或在永磁磁極表面包以無緯玻璃絲作保護(hù)層。圖.所示的面貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單,價(jià)格也最便宜,是當(dāng)今使用得較多的一種,本課題研重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理究對(duì)象也是一臺(tái)面貼式永磁同步電機(jī)。此外,面貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同磁極易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì),使之成為能使電機(jī)氣隙磁密呈現(xiàn)正弦波的磁極形狀,可顯著提高電機(jī)乃至整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。圖.所示的嵌入式轉(zhuǎn)子可充分利用轉(zhuǎn)子磁路

29、的不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩,提高電機(jī)的功率密度,常被某些調(diào)速永磁同步電機(jī)所采用。另一種如圖.所示的內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是將永磁體埋裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部,每個(gè)永磁體都被鐵心所包容。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子,機(jī)械強(qiáng)度高,磁路氣隙小,具有較大的凸極率,可以提高電機(jī)的牽入同步能力、磁阻轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的過載倍數(shù),適合弱磁運(yùn)行。對(duì)采用稀土永磁材料的電機(jī)來說,由于永磁材料的相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率接近于,所以面貼式轉(zhuǎn)子在電磁性能上屬于隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。而嵌入式和內(nèi)置式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子的相鄰兩永磁磁極間有著磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料,則在電磁性能上屬于凸極式結(jié)構(gòu),其交軸電感大于直軸電感,這樣除產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩外還產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。.永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型上一節(jié)對(duì)永磁同

30、步電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類討論,由于結(jié)構(gòu)上的不同對(duì)電機(jī)的電磁特性造成了一定差異,本節(jié)將從數(shù)學(xué)模型的角度呈現(xiàn)這種差異。此外,在對(duì)電機(jī)性能指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算時(shí),需要把在靜止三相坐標(biāo)軸系、靜止【坐標(biāo)軸系及同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此研究電機(jī)在不同坐標(biāo)軸系下的數(shù)學(xué)模型以及它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系是非常有必要的。.坐標(biāo)變換原理大多數(shù)常用的交流電機(jī)都是三相電機(jī),但我們?cè)谶M(jìn)行分析計(jì)算時(shí)經(jīng)常使用的是靜止坐標(biāo)軸系及同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系,因此必須進(jìn)行三相到兩相之間,兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)之間的變換。三相對(duì)稱繞組通過對(duì)稱三相電流將產(chǎn)生幅值恒定的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。然而這個(gè)恒定幅值的磁場(chǎng)也可由兩相對(duì)稱繞組中的對(duì)稱兩相電流來產(chǎn)生。事實(shí)上,一

31、組對(duì)稱多相電流量是可以用另外一組多相電流來代替,只要它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)包括幅值和分布在任何時(shí)刻都是相同的,那么這種代替就是等效的【。圖.所示是常用的三個(gè)坐標(biāo)軸系,即靜止三相坐標(biāo)軸系、靜止坐標(biāo)軸系及同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系的示意圖,其中是兩相靜止坐標(biāo)系軸和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系軸之間的夾角。三個(gè)軸系的位置及相互間關(guān)系按中慣例來設(shè)置,本論文中所涉及的坐標(biāo)軸系如無特殊說明均遵循這一慣例。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理圖.三種常用坐標(biāo)軸系 . 為滿足三相繞組的合成磁勢(shì)與兩相繞組的合成磁勢(shì)相等的原則,定義,為三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣以下簡(jiǎn)稱/變換矩陣得:?/ ?/億/甕冀澎落其中、

32、札分別是三相繞組和兩相繞組每相的有效匝數(shù),矩陣存在第三行是因?yàn)榭紤]三相電流之和不等于零,兩相坐標(biāo)軸系中存在零序電流。由兩相定子坐標(biāo)系到三相定子坐標(biāo)系變換矩陣以下簡(jiǎn)稱/變換矩陣可以由/變換矩陣求逆獲得:征.一/小 壓%甕弓一一也 厄率不變條件,并使電流電壓具有同一變換矩陣,則變換矩陣系數(shù)等等于詈,可/,. /.,店奠澎描當(dāng)、各相繞組上的電壓與電流分別為相位互差。的正弦時(shí),在伐繞定義%/匈為兩相靜止坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理.篙捌 /由一? %/卵是同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣.乙由/叩 盛 。岬.永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型圖.為

33、一臺(tái)永磁同步電機(jī)示意簡(jiǎn)圖,三相靜止坐標(biāo)軸系的軸即兩相靜止坐標(biāo)系的【軸的位置電角度為度。為軸與軸之間的夾角,若定義,為轉(zhuǎn)子初始位置角,則,與的關(guān)系為,萬。圖.中假定了電流的正方向,正向電流流進(jìn)相繞組產(chǎn)生的正弦分布磁通的軸線就是該相繞組的軸線。假定反電動(dòng)勢(shì)的正方向與電流正方向相反,取轉(zhuǎn)子反時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?毫言吾主圣臣;重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理其中甜口、/、“?定子繞組端電壓瞬時(shí)值;乞、之?定子繞組端電流瞬時(shí)值;。、。?磁鏈瞬時(shí)值;足?定子電樞繞組;.礦 朋厶氣,虬 屹帆乞兒之【剛篷引【 印?/萬/附.療/%氣一蘭乓二.帆蠔一睪厶刀/圪蠔一每乓,/,?永磁體基波勵(lì)

34、磁磁場(chǎng)鏈過定子繞組的磁鏈轉(zhuǎn)矩方程為:?？Щ惨唤?一/乙一%【到 ,/其中?電磁轉(zhuǎn)矩;刀。?極對(duì)數(shù)。在三相坐標(biāo)軸系下,永磁同步電機(jī)的繞組電感是角度的函數(shù),其電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程都含有時(shí)變系數(shù),在分析永磁同步電機(jī)工作過程時(shí)求解時(shí)變系數(shù)方程組是比較困難的。因此在分析過程中常采用坐標(biāo)變換把永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型從三相靜止坐標(biāo)軸系變換到固定在轉(zhuǎn)子上的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系中,將含時(shí)變系數(shù)的微分方程組變換為易于求解的常系數(shù)微分方程組。.重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理利用.節(jié)的坐標(biāo)變換原理,通過.及變換,得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電機(jī)模型如下:磁鏈方程為:四阱臺(tái)刪鑰電壓方程為:.阡降刪左

35、一餌:,轉(zhuǎn)矩方程為:.乙,一。屯%,厶一厶屯毛式中:材、嘞、軸電壓;、南、軸電流;,?轉(zhuǎn)子電角速度;,、叫、軸磁鏈;乙、厶一、軸電感。從軸系永磁同步電機(jī)模型方程中可以看出,微分方程組的系數(shù)均為常數(shù),與角度日無關(guān)。.磁路結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)學(xué)模型中參數(shù)的影響由于永磁體磁導(dǎo)率很小,因此與電勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的電機(jī)相比永磁同步電機(jī)繞組電感較小。且電勵(lì)磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣,其軸電感比軸電感要大。但對(duì)于永磁同步電機(jī),其軸磁路中的永磁體磁導(dǎo)率和空氣差不多,故其軸磁阻較大,相反軸磁路中的鐵心磁導(dǎo)率很大,因此對(duì)于具有結(jié)構(gòu)凸極性的嵌入式及內(nèi)置式永磁同步電機(jī)其軸的電感反而比軸電感大。這就是由于永磁體的存在改變了磁路結(jié)構(gòu)

36、后凸極永磁同步電機(jī)與常規(guī)電勵(lì)磁電機(jī)模型中參數(shù)的區(qū)別。對(duì)于面貼式永磁同步電機(jī),如前所述,由于永磁體相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率約等于,接近于空氣,結(jié)合圖.的示意圖可以看出,面貼式永磁同步電機(jī)的、軸磁路的磁阻大小很接近,因此一般在分析面貼式永磁同步電機(jī)時(shí)把其、軸電感取為一樣,即認(rèn)為其電磁性能上類似與電勵(lì)磁的隱極同步電機(jī)。該結(jié)論在進(jìn)行近似分析時(shí)是成立的,但若考慮由于永磁體磁通的存在對(duì)磁路飽和度造成的影響,則該結(jié)論就不夠確切,以下對(duì)其做理論上的分析。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理在永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)中,通常使主磁路具有一定的飽和度,以提高空間的利用率,因此對(duì)于圖.所示的面貼式永磁同步電機(jī),其

37、軸已處于飽和狀態(tài),定子三相線圈的電感值是與轉(zhuǎn)子軸位置有關(guān)的函數(shù)。以相為例,相繞組自感為,鋤.其中乞?yàn)橄嗬@組漏電感,乙為通過主磁路閉合的磁鏈對(duì)應(yīng)的主電感,主磁路的狀態(tài)將影響乙值的大小。在空載情況下,當(dāng)軸和相軸線的夾角分別為和萬時(shí)相繞組交鏈的永磁體磁通最多,飽和度最高,。最小;萬/和/時(shí),永磁磁通路徑與相軸線正交,相磁路最不飽和,最大。其變化曲線大致如圖.所示,即在平均分量上疊加了一個(gè)二次諧波分量【?？藿?圖.永磁同步電機(jī)空載情況下繞組電感曲線.在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中軸磁路處于飽和狀態(tài),導(dǎo)致軸磁阻增大,電感減小,這就是電感的飽和效應(yīng)。而且不論是在本身結(jié)構(gòu)上就具有凸極性的嵌入式及內(nèi)置式永磁同步電機(jī),還是

38、面貼式永磁同步電機(jī)都由于永磁體的作用而存在電感的飽和效應(yīng)。對(duì)嵌入式及內(nèi)置式永磁同步電機(jī)飽和效應(yīng)使本就不等的、軸電感差別增大,對(duì)于面貼式永磁同步電機(jī)則造成、軸電感的不等。但由于飽和效應(yīng)造成的凸極性一般較弱,因此如不考慮磁路飽和對(duì)電機(jī)性能的影響,在建立永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)可以不考慮由此造成的、軸電感的變化,對(duì)于面貼式永磁同步電機(jī)可以采用三。如需要考慮磁路飽和對(duì)電機(jī)的電磁性能產(chǎn)生的影響或者需要利用磁路飽和效應(yīng)造成的飽和凸極性,則在建立面貼式電機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)應(yīng)取不同的、軸電感值進(jìn)行分析研究。.永磁同步電機(jī)矢量控制原理年,德國(guó)學(xué)者和提出了交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢

39、量控制原理理論,從理論上解決了交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的高性能控制問題。其基本思想是在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律,在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上,將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量,并使得兩個(gè)分量互相垂直,彼此獨(dú)立,然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制,從原理和特性上與直流電動(dòng)機(jī)相似。因此矢量控制的關(guān)鍵仍是對(duì)電流矢量的幅值和空間位置頻率和相位的控制【】。從.節(jié)可以看出,在靜止坐標(biāo)軸系中的各個(gè)物理量,包括電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)、磁動(dòng)勢(shì)等等,都是交流量,各相磁鏈間存在相互耦合的關(guān)系,欲對(duì)各相單獨(dú)進(jìn)行調(diào)節(jié)和計(jì)算都不方便。因此,需要借助于坐標(biāo)變換,將各個(gè)交變的物理量投

40、影到隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的同步坐標(biāo)軸系上,使投影后的各個(gè)物理量都變?yōu)橹绷髁?。再根?jù)推導(dǎo)的電磁轉(zhuǎn)矩公式和電壓方程式,找到電磁轉(zhuǎn)矩與被控矢量的各分量之間的關(guān)系,實(shí)時(shí)地計(jì)算出控制所需的被控矢量各分量值,按照這些給定量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,則可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制并達(dá)到直流電機(jī)的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的,因此還必須通過坐標(biāo)逆變換過程,從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到靜止的實(shí)際坐標(biāo)系,將計(jì)算得到的直流給定量變換為實(shí)際的交流給定量并輸出到實(shí)際電機(jī)中。圖.是永磁同步電機(jī)矢量控制框圖。圖.永磁同步電機(jī)矢量控制框圖. 通過坐標(biāo)變換得到在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系下的電機(jī)模型如式.所示。從磁鏈方程可以看出,此時(shí)的、軸磁鏈間己無交叉耦合關(guān)系

41、,各軸磁鏈只與各軸電流間存在線性關(guān)系,單獨(dú)控制某軸電流即可控制該軸磁鏈大小。但從式.的電壓方程可以看出,、軸電流與電壓的關(guān)系是交叉影響的,不能通過對(duì)各自電壓的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)各自電流的調(diào)節(jié)。因此根據(jù)、軸電壓電流之間的關(guān)系,在電流環(huán)中引入了一組電流交叉乘積項(xiàng)實(shí)現(xiàn)對(duì)、軸電流的準(zhǔn)確控制。電流環(huán)結(jié)構(gòu)如圖.所示。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理圖.帶交叉項(xiàng)的電流環(huán). ?得到的、軸電壓給定如下:“:藝厶藝,乙【川足】 .”:藝一厶藝一厶鈣】其中用、南為、軸調(diào)節(jié)器輸出。通過在交叉乘積項(xiàng)中引入電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)參數(shù)的因素可以合理地對(duì)電壓值進(jìn)行調(diào)節(jié),即無論被控電機(jī)的轉(zhuǎn)速高低和電機(jī)參數(shù)的大小,都可以

42、通過實(shí)時(shí)計(jì)算交叉項(xiàng)得到準(zhǔn)確的、軸電壓控制值。從而準(zhǔn)確地控制、軸電流。這樣,采用帶交叉乘積項(xiàng)的電流環(huán)設(shè)計(jì)方式,可以使控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同參數(shù)的永磁同步電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速工況下的高精度控制要求。永磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能的調(diào)節(jié)和控制完全取決于動(dòng)態(tài)中能否簡(jiǎn)便而精確地控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩輸出。在忽略轉(zhuǎn)子阻尼繞組影響的條件下,永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩基本上取決于交軸電流和直軸電流,對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制最終可歸結(jié)為對(duì)交軸電流和直軸電流的控制。在輸出轉(zhuǎn)矩為某一值時(shí),對(duì)交軸電流和直軸電流的不同組合的選擇,將影響電機(jī)和逆變器的輸出能力以及系統(tǒng)的效率、功率因數(shù)等。如何根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩確定交軸電流和直軸電流,使其滿足轉(zhuǎn)矩方程構(gòu)成永磁同步電機(jī)

43、電流控制策略的問題。永磁同步電機(jī)的電流控制策略主要有控制;轉(zhuǎn)矩電流比最大控制;控制;恒磁鏈控制等【?？刂剖且环N最簡(jiǎn)單的電流控制方法,該方法由于電樞反應(yīng)沒有直軸去磁分量而不會(huì)產(chǎn)生去磁效應(yīng),不會(huì)出現(xiàn)永磁電機(jī)退磁而使電機(jī)性能變壞的現(xiàn)象,能保證電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流成正比。其主要缺點(diǎn)是功角和電動(dòng)機(jī)端電壓均隨負(fù)載增大而增大,功率因數(shù)降低,要求逆變器的輸出電壓高,容量比較大。另外,該方法輸出轉(zhuǎn)矩中磁阻轉(zhuǎn)矩為,未能充分利用永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力,電機(jī)的力能指標(biāo)不夠理想。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理轉(zhuǎn)矩電流比最大控制在電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩滿足要求的條件下使定子電流最小,減小了電機(jī)的銅

44、耗,有利于逆變器開關(guān)器件的工作,逆變器損耗也最小。同時(shí),運(yùn)用該控制方法由于逆變器需要的輸出電流小,可以選用較小運(yùn)行電流的逆變器,使系統(tǒng)運(yùn)行成本下降。在該方法的基礎(chǔ)上,采用適當(dāng)?shù)娜醮趴刂品椒?可以改善電機(jī)高速時(shí)的性能。因此該方法是一種較適合于永磁同步電機(jī)的電流控制方法。缺點(diǎn)是功率因數(shù)隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增大下降較快?？刂品椒ㄊ闺姍C(jī)的功率因數(shù)恒為,逆變器的容量得到充分的利用。但是在永磁電機(jī)中,由于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁不能調(diào)節(jié),在負(fù)載變化時(shí),轉(zhuǎn)矩繞組的總磁鏈無法保持恒定,所以電樞電流和轉(zhuǎn)矩之間不能保持線性關(guān)系。而且最大輸出轉(zhuǎn)矩小,退磁系數(shù)較大,永磁材料可能被去磁,造成電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)和效率的下降。恒磁鏈控制方法

45、就是控制電機(jī)定子電流,使氣隙磁鏈與定子交鏈磁鏈的幅值相等。這種方法在功率因數(shù)較高的條件下,一定程度上提高了電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩,但仍存在最大輸出力矩的限制。以上各種控制方法各有特點(diǎn),適用于不同的運(yùn)行場(chǎng)合。本課題中選擇的乙控制方案相對(duì)于其它控制方法而言最簡(jiǎn)單易行,具有相應(yīng)的優(yōu)良特性,因此使得電機(jī)的調(diào)速更容易實(shí)現(xiàn)。.小結(jié)本章從永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)出發(fā),推導(dǎo)了在三相實(shí)際軸系下的永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型;利用電機(jī)矩陣分析的思想,將電機(jī)模型經(jīng)過兩次恒功率的轉(zhuǎn)換,得到了在以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步坐標(biāo)軸系下的數(shù)學(xué)模型。分析得知由于轉(zhuǎn)子永磁體的存在,改變了定子鐵心的飽和程度,使軸磁路趨于飽和,軸電感有所下降。據(jù)此建立

46、了面貼式永磁同步電機(jī)軸電感大于軸電感的數(shù)學(xué)模型,這為永磁同步電機(jī)無傳感器控制及轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和控制依據(jù)。重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 旋轉(zhuǎn)高頻注入法原理及其應(yīng)用旋轉(zhuǎn)高頻注入法原理及其應(yīng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)具有三相定子分布繞組和永磁轉(zhuǎn)子,在磁路結(jié)構(gòu)和繞組分布上保證其電樞反電勢(shì)波形為正弦,外施的定子電壓和電流一般靠變頻器來提供。變頻器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)加上轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制便構(gòu)成自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng),通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子的磁極位置,控制變頻器輸出電流的相位和頻率,使定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)保持確定的相位關(guān)系,就可以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)技術(shù)能利用電動(dòng)機(jī)繞組的有關(guān)電信息,通過特

47、定的算法來估計(jì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的空間位置和旋轉(zhuǎn)速度,基于轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)技術(shù)的自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)可稱之為無位置傳感器永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)技術(shù)根據(jù)能否在零速和極低速下應(yīng)用分兩大類,第一類方法基于基波激勵(lì)下電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型,不適合低速下的應(yīng)用,而第二類方法基于高頻信號(hào)注入、利用電動(dòng)機(jī)的凸極效應(yīng)固有或飽和跟蹤轉(zhuǎn)子的位置,擺脫了運(yùn)行狀況的限制,是本章重點(diǎn)討論的內(nèi)容。高頻注入法從注入信號(hào)的性質(zhì)來分,可以分為旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)注入法和脈振高頻信號(hào)注入法;而從信號(hào)前饋的位置來分,可以分為高頻電壓信號(hào)注入法和高頻電流信號(hào)注入法。本章在詳細(xì)分析旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)注入下永磁同步電動(dòng)機(jī)

48、數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,深入研究基于高頻信號(hào)注入的轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)方法,討論轉(zhuǎn)子位置信息提取的過程,并對(duì)其在矢量控制中的應(yīng)用進(jìn)行仿真分析和研究。.旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)激勵(lì)下永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)注入法是在基波激勵(lì)上疊加一個(gè)三相平衡的高頻電壓或電流激勵(lì),然后檢測(cè)電動(dòng)機(jī)中對(duì)應(yīng)的電流或電壓響應(yīng)并通過特定的信號(hào)處理過程來獲取轉(zhuǎn)子位置信息的自檢測(cè)方法。要探討旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)注入法的原理,必須首先建立旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)激勵(lì)下永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。在.節(jié)討論了永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,利用變換可以得到永磁同步電機(jī)在兩相靜止【坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下:.?,乏足乏厶。厶?。乏叫齜憶 , 由于注入的是高頻電壓

49、信號(hào),其電流響應(yīng)也應(yīng)為高頻,因此式中的變壓器電重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 旋轉(zhuǎn)高頻注入法原理及其應(yīng)用勢(shì)項(xiàng)厶 屯在電壓降中占有主導(dǎo)地位,在忽略定子電阻和 厶 知旋轉(zhuǎn)電壓及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)影響的情況下,可近似地將定子電壓方程表示為,阱瞄日加厶捌 【“蘆?！局啡?厶一吐加兒縐在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中電機(jī)的電壓方程,阡叱臺(tái)刪匕一 芝九同理,在忽略定子電阻和旋轉(zhuǎn)電壓及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)影響的情況下,式.可近似表示為.阱刪.旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)注入法原理向永磁同步電機(jī)內(nèi)注入三相對(duì)稱的高頻正弦電壓信號(hào),則在電機(jī)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生幅值恒定而高速旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量,它在靜止坐標(biāo)系下可表示為.易【。】町九式中,鱗為注入高頻電壓信號(hào)角頻率;。為旋轉(zhuǎn)電壓矢

50、量幅值:.;為注入高頻電壓信號(hào)的初始相位;下標(biāo)“”表示兩相靜止坐標(biāo)系。圖.為電機(jī)及空間矢量示意圖,圖中以是轉(zhuǎn)子初始位置角。懈二 嘆哆吒.。協(xié)/ 圖.永磁同步電機(jī)坐標(biāo)軸系及空間矢量圖.電壓矢量品在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),其速度吐要遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度,重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 旋轉(zhuǎn)高頻注入法原理及其應(yīng)用一定會(huì)受到轉(zhuǎn)子凸極周期性地調(diào)制,調(diào)制的結(jié)果自然要反映在電流響應(yīng)上,使定子高頻電流成為包含有轉(zhuǎn)子位置信息的載波電流,進(jìn)行調(diào)解處理后就可從中提取出相關(guān)的轉(zhuǎn)子位置信息,以此來構(gòu)成各種閉環(huán)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無傳感器的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制。下面將對(duì)如何提取轉(zhuǎn)子凸極位置信息進(jìn)行分析研究。先將電壓矢量二變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)

51、系中,由圖.和式.:盧八叫柵坨川八吖叫種”州根據(jù)式.可得“;。?,釓一吼島魯.“;。吐一,吒一釓厶魯從中解出乙,得.乙專似斫熱刊心一以俐主:西一芝粵麗。哆一,如一釓,/得電流矢量形式為乏毛舅一熱厶正魄鴨也咆霄,厶一厶一?池嗚也咆協(xié)彪.變換回靜止坐標(biāo)系中,得品名一叩嗍.露坦.熱厶訓(xùn)抄”,厶一厶瓜碗鴨,也峨卅,。式.表明,定子電流矢量品可以分解成兩個(gè)分量,一個(gè)是以角速度魄正向旋轉(zhuǎn)的正序電流矢量勛;另一個(gè)是以角速度一吐反向旋轉(zhuǎn)的負(fù)序電流矢重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 旋轉(zhuǎn)高頻注入法原理及其應(yīng)用以,在負(fù)序電流矢量一中包含有轉(zhuǎn)子凸極的速度及位置信息。進(jìn)步分析式.可知,定子電流矢量乙的軌跡是個(gè)橢圓,由于乞三,橢圓的長(zhǎng)軸將與橢圓的凸極軸線重合。事實(shí)上,橢圓的長(zhǎng)軸與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn),位置處于不斷變化之中。顯然可從這個(gè)橢圓的運(yùn)動(dòng)軌跡中提取轉(zhuǎn)子凸極位置信息,如圖.所示。圖.定子電流矢量三凡運(yùn)動(dòng)軌跡宅.但是,直接從這個(gè)橢圓軌跡中提取位置信息是比較困難