PMSM的無傳感器控制方法概述

1、PMSM的無傳感器控制方法概述郝玉峰1，陳松立2，郭堂瑞31中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，徐州 2210082中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，徐州 2210083中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，徐州 221008haoyufeng698摘要：永磁同步電動機無傳感器的控制方法已經(jīng)形成了兩大體系，即以Park 方程為基礎(chǔ)的基于電機基波模型的無傳感器控制和以高頻信號注入法為基礎(chǔ)的基于電機諧波模型的無傳感器控制。本文將介紹這兩大體系的幾種控制方法，同時闡述了它們的特點和適用范圍。并對今后的研究方向提出看法。關(guān)鍵詞：PMSM 無傳感器 基波模型 高頻信號注入中圖分類號: TM3511. 引言永磁式同步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量

2、輕、損耗小、效率高的特點。和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等需要更多維護給應(yīng)用帶來不便的缺點。相對異步電動機而言則比較簡單，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好能，因此夠在石油、煤礦、大型工程機械等比較惡劣的工作環(huán)境下運行。為了實現(xiàn)高精度、高動態(tài)性能的速度和位置控制, 一般應(yīng)采用磁場定向矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制. 但是無論采取哪種控制方案, 都需要測量轉(zhuǎn)子的速度和位置, 一般是通過機械式傳感器(編碼器、解算器和測速發(fā)電機) 來實現(xiàn). 但是, 這類傳感器有安裝、電纜連接、故障等問題, 并影響系統(tǒng)的可靠性和限制系統(tǒng)的使用范圍。特別是在高速、超高速傳動控制中，機械式傳感器

3、實現(xiàn)困難，更有結(jié)構(gòu)、價格等問題，這都限制了其應(yīng)用范圍。對此，許多學(xué)者開展了無機械式傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，即采用檢測電動機出線端電量，經(jīng)信號處理獲得電動機轉(zhuǎn)子位置和速度，取代機械式傳感器，實現(xiàn)電動機控制。目前，無位置/ 速度傳感器的研究可以分為三類：基于基波模型的方法、高頻信號注入法及人工智能理論基礎(chǔ)上的估算方法?；诨Ｐ偷姆椒ㄓ兄苯佑嬎惴?、觀測器基礎(chǔ)上的估算方法2-3、模型參考自適應(yīng)方法1，6、電感法6，14，15及反電動勢法6，16-19。這類方法對電動機參數(shù)變化敏感，魯棒性差，當(dāng)電動機零速或低速運行時因反電動勢過小或根本無法檢測而導(dǎo)致檢測失敗，因此只適用于電動機高轉(zhuǎn)速運行下的檢測

4、。高頻信號注入法4-6，20-29基于檢測電動機的凸極效應(yīng)，通過在電動機中注入特定的高頻電壓（電流）信號，然后檢測電動機中對應(yīng)的電流（電壓）信號以確定轉(zhuǎn)子的凸極位置。由于依賴外加持續(xù)高頻激勵來顯示凸極性，與轉(zhuǎn)速無關(guān)，使得這種凸極跟蹤方法能夠解決電動機低速甚至零速下轉(zhuǎn)子位置的估計，而且由于這種方法追蹤的是電動機轉(zhuǎn)子的空間凸極效應(yīng)，因此對電動機參數(shù)的變化不敏感, 魯棒性好。但因信號處理過程較復(fù)雜，影響動態(tài)性能，較為適合電動機低速運行下的檢測。人工智能理論基礎(chǔ)上的估算方法中基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)7，30-32的方法在速度估計中用得較多，但在理論研究上還不太成熟，其硬件實現(xiàn)有一定難度，通常需要專門的硬件來支

5、持，使得這一方法的應(yīng)用尚處于起步階段。本文在介紹了上述方法的同時，闡述了其理論要點和適用范圍，并就今后的研究方向提出了看法。2. 基于基波模型的控制方法2.1直接計算法這種方法的出發(fā)點是根據(jù)電動機的基本電路和電磁關(guān)系式，推導(dǎo)出關(guān)于轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)子位置角的估計表達式，在永磁同步電機模型的基礎(chǔ)上采用易測量的定子電壓, 定子電流等量推導(dǎo)得出電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角, 這種控制策略具有算法簡單, 運算速度快, 基本沒有延遲等優(yōu)點。并將估算模塊應(yīng)用到矢量控制系統(tǒng)及直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中,均得到了很好的控制效果。2.1.1矢量控制策略永磁同步電機的矢量控制一般通過檢測或估計電機轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值控制定子電流或電壓, PMS

6、M 轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機械位置相同, 通過檢測轉(zhuǎn)子實際位置就可得知電機轉(zhuǎn)子磁通位置。將參考坐標(biāo)系定為轉(zhuǎn)子上的d2q坐標(biāo)系, 就可將三相電流變換為d, q軸上的兩個直流量id ,iq , 此時電機轉(zhuǎn)矩和其中的iq 成正比。2.1.2直接轉(zhuǎn)矩控制策略直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)依據(jù)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈參考值和真實值間的偏差選取空間電壓矢量, 通過滯環(huán)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生PWM (Pulse Width Modulation) 信號直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制, 以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。2.2觀測器基礎(chǔ)上的估算方法觀測器的實質(zhì)是狀態(tài)重構(gòu)，其原理是重新構(gòu)造一個系統(tǒng)，利用原系統(tǒng)中可以直接量測的變量（如輸出矢量和輸入矢量）作為它的

7、輸入信號，并使其輸出信號x（t）在一定的條件下等價于原系統(tǒng)的狀態(tài)x（t）。通常，稱x（t）為x（t）的重構(gòu)狀態(tài)或估計狀態(tài)，而稱這個用以實現(xiàn)狀態(tài)重構(gòu)的系統(tǒng)為觀測器。這種方法具有穩(wěn)定性好、魯棒性強、適用面廣的特點。但是由于算法比較復(fù)雜，計算量較大，受到計算機或微處理器計算速度的限制。近年來，隨著微型計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了高性能的微處理芯片和數(shù)字信號處理器（DSP），大大地推動了這一方法在無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。目前主要存在的觀測器有全階狀態(tài)觀測器、降階狀態(tài)觀測器、擴展卡爾曼濾波器（EKF）和滑模觀測器。2.2.1擴展卡爾曼濾波器永磁同步電機的運動控制是一個強耦合的非線性動態(tài)控制系統(tǒng)

8、,而且在控制過程中測量數(shù)據(jù)帶有噪聲,采用傳統(tǒng)的線性控制理論很難達到系統(tǒng)要求。卡爾曼位置觀測器,可有效去除干擾噪聲,準(zhǔn)確觀測出轉(zhuǎn)子位置. 仿真實驗結(jié)果表明,在有系統(tǒng)噪聲和測量噪聲的情況下,基于卡爾曼位置觀測器的脈動高頻信號注入法能夠精確地跟蹤轉(zhuǎn)子位置.2.2.2滑模觀測器在無位置傳感器的各種方法中,滑模觀測器由于其魯棒性強、動態(tài)響應(yīng)快、易于工程實現(xiàn)等優(yōu)點,得到了廣泛的應(yīng)用。由于滑?？刂浦卸墩瘳F(xiàn)象的存在,需要對滑模觀測器的觀測結(jié)果進行低通濾波,但在消除抖振的同時,被觀測信號也將產(chǎn)生相位滯后,需要對計算后的轉(zhuǎn)子角度進行補償。有學(xué)者對減小抖振現(xiàn)象進行了研究,但是由于抖振是滑模控制本質(zhì)上不連續(xù)開關(guān)特性所

9、引起,改善效果有限。參考文獻【3】提出一種自適應(yīng)擴展?fàn)顟B(tài)滑模觀測器,以電流和磁鏈為狀態(tài)變量,與普通滑模觀測器應(yīng)用不同,等效控制信號并不直接用來計算位置,而是輸入到磁鏈觀測方程中。抖振信號經(jīng)過磁鏈方程濾波后與實際磁鏈信號相加作為磁鏈觀測結(jié)果,轉(zhuǎn)子位置可以由觀測結(jié)果直接計算得到,不需要進行濾波,避免了相位滯后。文中重點分析了速度估計誤差對磁鏈觀測的影響,應(yīng)用H范數(shù)來計算反饋矩陣。同時給出了速度估計自適應(yīng)率,并利用Lyapunov 方法證明其收斂性。最后通過仿真和實驗結(jié)果驗證設(shè)計的正確性和有效性。2.3模型參考自適應(yīng)法模型參考自適應(yīng)方法(MRAS)也是一種較常用的估算轉(zhuǎn)子位置和速度的方法。其辨識參數(shù)

10、的主要思想是將不含未知參數(shù)的方程作為參考模型，而將含有待估計參數(shù)的方程作為可調(diào)模型，兩個模型具有相同物理意義的輸出量，利用兩個模型輸出量的誤差構(gòu)成合適的自適應(yīng)律來實時調(diào)節(jié)可調(diào)模型的參數(shù)，以達到控制對象的輸出跟蹤參考模型的目的。以永磁同步電動機為例，根據(jù)PMSM 在坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可以看出，電動機定子電流的數(shù)學(xué)模型與其轉(zhuǎn)子速度有關(guān)，因此可以選擇PMSM 本身作為參考模型，而定子電流的數(shù)學(xué)模型作為可調(diào)模型，采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)辨識轉(zhuǎn)速。模型參考自適應(yīng)方法在異步電動機及永磁同步電動機的無速度傳感器控制中已有很多應(yīng)用。這種方法基于電動機的基波模型，電動機參數(shù)發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)速的估計精度將下降，尤其在電動機低速

11、運行時更為嚴(yán)重。2.4電感法對于具有凸極的交流電動機，以內(nèi)埋式永磁同步電動機為例，其每相繞組的自感隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化，因此根據(jù)每相繞組的自感可以得到轉(zhuǎn)子的位置信息。利用估計的電感值，通過查表可以方便地得到轉(zhuǎn)子位置角。這種方法的問題是只適合于磁場為正弦分布的內(nèi)埋式永磁同步電動機，而且很難獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置角度。在電動機低速時，也和直接計算法一樣存在相同的問題。對于無刷直流電動機，電感法有兩種形式：一種用于凸極式永磁無刷直流電動機；另一種用于內(nèi)嵌式磁鋼結(jié)構(gòu)的水磁無刷直流電動機。電感法主要用于彌補轉(zhuǎn)子初始定位和起動加速過程中反電動勢無法檢測的情況。該方法基于鐵心線圈電感大小受電動機磁路飽和影響的

12、原理，通過在電動機氣隙圓周六個不同位置處施加相同直流電壓（PWM），比較各個電壓矢量激勵下不同的電流響應(yīng)來獲得相應(yīng)的轉(zhuǎn)子初始位置信號。2.5反電動勢法通過檢測電動機反電動勢（BackEMF)來獲得位置信號的方法，一般稱為反電動勢法。由于在任意時刻總有一相繞組是不導(dǎo)通的，此時繞組的端電壓（從繞組端部到直流地之間）或相電壓（從繞組端部到中心點之間）反映出該相繞組的感應(yīng)電動勢。該感應(yīng)電動勢由反電動勢和電樞反應(yīng)電動勢組成。由于電動機等效氣隙一般較大，電樞反應(yīng)電動勢通常比反電動勢小得多。因此，一般將非導(dǎo)通繞組的端電壓或相電壓中反映出來的感應(yīng)電動勢做為反電動勢。在實際應(yīng)用場合，繞組中心點往往不引出，所以，

13、通常將非通電繞組的端電壓用于無傳感器控制。這種方法容易實現(xiàn)，但往往帶有很多噪聲信號，并且在電動機低速或轉(zhuǎn)子靜止時不適用，這是所有反電動勢法共有的缺陷。3. 高頻信號注入法為了在包括零速在內(nèi)所有速度下都能獲得精確的轉(zhuǎn)子位置信息，一些文獻提出了轉(zhuǎn)子凸極追蹤法。這種方法要求電機具有一定程度的凸極性，而且需注入持續(xù)高頻激勵。由于這種方法追蹤的是電機轉(zhuǎn)子的空間凸極效應(yīng)，因此對電機參數(shù)的變化不敏感,魯棒性好。 高頻信號注入法的基本原理是在電機中注入特定的高頻電壓（電流）信號，然后檢測電機中對應(yīng)的電流（電壓）信號以確定轉(zhuǎn)子的凸極位置。注入的高頻信號可以為旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號6-11 或脈動高頻電壓信號。其中，旋

14、轉(zhuǎn)高頻電壓注入法主要用于凸極率較大的內(nèi)埋式永磁同步電機的轉(zhuǎn)子位置檢測，而脈動高頻電壓信號注入法還可用于凸極率很小甚至隱極型的面貼式永磁電機轉(zhuǎn)子位置的檢測。3.1旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號注入法采用旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號注入的無傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需帶阻、帶通、同軸高通三個濾波器，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)采用SPWM 電壓源逆變器供電的情況下，可通過逆變器將一組三相平衡的高頻電壓信號直接迭加在電機的基波激勵上。為了提取高頻電流負(fù)相序分量相角中所包含的轉(zhuǎn)子凸極位置信息，必須很好地濾除基波電流、SPWM 載波頻率電流和高頻電流中的正序分量。基波電流與高頻電流幅值相差很大，載波頻率遠(yuǎn)比注入高頻頻率高，這兩者都可通過常規(guī)的帶通濾波器（

15、BPF）予以濾除。載波電流正相序分量與負(fù)相序分量的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此可通過同步軸系高通濾波器（SFF ）將正序電流成分濾除，即先將載波信號電流轉(zhuǎn)換到與載波信號電壓同步旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系中，使載波電流的正相序分量呈現(xiàn)為直流，再利用高通濾波器將其濾除。但是，帶通濾波器和同步軸系濾波器都會引起相位滯后，使得濾波前后的高頻電流負(fù)序分量產(chǎn)生相位滯后，這是實際系統(tǒng)位置信號提取和位置辨識中必須注意的一個關(guān)鍵問題。 濾去無關(guān)信號后，被跟蹤的信號是一個相位由轉(zhuǎn)子或磁通角調(diào)制的旋轉(zhuǎn)電流矢量，可利用轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測器實現(xiàn)轉(zhuǎn)子空間位置的自檢測。值得指出的是，雖然位置跟蹤觀測器不產(chǎn)生相位滯后，但作為位置跟蹤觀測器輸入信號

16、的高頻電流負(fù)序分量經(jīng)濾波后已經(jīng)發(fā)生相位滯后，因此跟蹤觀測器輸出的轉(zhuǎn)子位置估計值也必然滯后于真實值一定的角度，必須對轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測器的輸出角度進行補償。當(dāng)濾波器和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一定時，不同轉(zhuǎn)速下必須選用不同的補償角度。為了便于補償，應(yīng)選用有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器。FIR 濾波器易于數(shù)字實現(xiàn)，容易獲得線性相位關(guān)系，確保估算角度的滯后只與濾波器的結(jié)構(gòu)和電機轉(zhuǎn)速有關(guān)，從而可以采用自適應(yīng)的補償方法，即在整個系統(tǒng)濾波器結(jié)構(gòu)確定的條件下，根據(jù)估算速度調(diào)節(jié)補償角度。3.2脈動高頻電壓信號注入法脈動高頻電壓注入法只在估計的同步旋轉(zhuǎn)d-q 坐標(biāo)系中的d軸上注入高頻正弦電壓信號，該信號在靜止坐標(biāo)系中是一個脈動的電

17、壓信號。如果d軸和q軸電感存在差異，則在估計的同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，d軸和q軸高頻電流分量的幅值都與轉(zhuǎn)子位置估計誤差角 有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置估計誤差角為零時，q軸高頻電流等于零，因此可以對q軸高頻電流進行適當(dāng)?shù)男盘柼幚砗笞鳛檗D(zhuǎn)子位置跟蹤觀測器的輸入信號，以此獲得轉(zhuǎn)子的位置和速度。3.3兩種高頻信號注入法的比較 這兩種方法都能在全速度范圍內(nèi)有效地檢測轉(zhuǎn)子的空間位置，由于轉(zhuǎn)子位置信息只存在于高頻電流信號中，因此對電機參數(shù)的變化不敏感，具有較強的魯棒性。仿真結(jié)果表明，采用脈動高頻電壓信號注入法的轉(zhuǎn)子位置自檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，無需對轉(zhuǎn)子位置估算角度進行補償，跟蹤精度高，靜態(tài)和動態(tài)性能更好，特別適合于凸極率

18、較小的面貼式永磁同步電機中。而采用旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號注入法的轉(zhuǎn)子位置自檢測系統(tǒng)較為復(fù)雜，轉(zhuǎn)子估算角度需作相位補償，而且轉(zhuǎn)子位置信息提取過程的算法對其系統(tǒng)的動態(tài)性能影響較大，電機需有較高的凸極率作為外部條件。但從實現(xiàn)的角度來說，由于采用旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號注入法的轉(zhuǎn)子位置自檢測系統(tǒng)自成一體，因此更易于調(diào)試和實現(xiàn)。4. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物, 能對極為復(fù)雜的系統(tǒng)進行模糊推理。模糊徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融人模糊控制理論構(gòu)成的自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng),具有收斂速度快, 控制性能良好, 全局逼近能力強, 自適應(yīng)能力強, 在解決非線性和不確定系統(tǒng)的控制方面應(yīng)

19、用廣泛并且性能優(yōu)良等特點。該網(wǎng)絡(luò)不依賴被控制對象的精確數(shù)學(xué)模型, 能根據(jù)輸人輸出樣本自動調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的各個參數(shù),對被控系統(tǒng)進行辨識,進而達到自適應(yīng)控制系統(tǒng)的目的。因此,將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于伺服控制, 通過該網(wǎng)絡(luò)模糊功能和自適應(yīng)控制的特點, 構(gòu)造一個具有自調(diào)整能力的控制器對的速度和轉(zhuǎn)矩控制有著實際的研究意義。5. 結(jié)論本文介紹目前無傳感器控制的兩大類方法，即基于電機基波模型的無傳感器控制和以高頻信號注入法為基礎(chǔ)的基于電機諧波模型的無傳感器控制。介紹了這兩種控制的原理和適應(yīng)范圍?；Ｐ偷臒o傳感器控制具有良好的動態(tài)性能，但是不適合在電動機低速運行時使用；高頻注入法能夠?qū)崿F(xiàn)低速甚至零速時轉(zhuǎn)子位置的檢測，但是其

20、動態(tài)性能有限，這兩類方法的結(jié)合可以實現(xiàn)包括零速在內(nèi)的全速范圍下交流電動機的無傳感器運行速度檢測，其研究具有重要的理論意義和工程實用價值。今后的研究方向是提高速度估算的精度以及對參數(shù)變化、外部擾動的魯棒性，進一步改善電動機低速及零速的性能，這是一個難點，也是今后研究的熱點。參考文獻【1】齊冀龍,田彥濤，龔依民等 .無傳感器PMSM直接計算與自適應(yīng)算法J. 吉林大學(xué)學(xué)報, 2009, 27(1):23-30【2】周曉敏，王長松，鐘黎萍. 基于卡爾曼濾波和高頻信號注入法的永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置自檢測J. 北京科技大學(xué)學(xué)報，2008，30（7）：815-819【3】蘇健勇, 楊貴杰, 李鐵才。PM SM

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