電機無位置、無速度傳感器的設計

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y現(xiàn)代交流電動機的智能控制 -電機無位置、無速度傳感器的設計 班 級： 電氣 姓 名： 學 號: 完成日期： 2015年1月3日 電機無位置、無速度傳感器的設計【摘要】近年來，隨著現(xiàn)代電力電子技術以及現(xiàn)代控制理論的飛速發(fā)展，促進了永磁同步電機無位置傳感器控制技術的不斷進步。無位置傳感器永磁同步電機調速系統(tǒng)不僅具有結構簡單、易維護、運行效率高、調速性能好等優(yōu)點，還具有體積小、成本低、可靠性高以及能應用于一些特殊場合的特點。本文以正弦波驅動的永磁同步電動機為研究對象，采用滑模觀測器的方法，研究并實現(xiàn)了永磁同步電機驅動控制系統(tǒng)的無位置傳

2、感器技術。 【關鍵詞】永磁同步電機，無位置傳感器，矢量控制 一、永磁同步電機數(shù)學模型 永磁同步電機(PMSM)的定子結構與普通感應電動機的定子一樣，均為三相對稱繞組結構，轉子的磁路結構是它區(qū)別于其它類型電機的主要因素。為了更好的分析和控制，需要建立簡便可行的永磁同步電機數(shù)學模型。 永磁同步電動機是一個多輸入、強耦合、非線性系統(tǒng)，因此其電磁關系十分復雜。為了簡化分析，作出如下假設： (1)忽略磁路飽和、渦流和磁滯損耗； (2)轉子上沒有阻尼繞組，永磁體沒有阻尼作用； (3)電機的反電勢正弦，定子電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布磁勢，忽略磁場高次諧波。 圖1為表裝式永磁同步電機的結構圖，為了簡化，這里轉

3、子設為一對磁極結構。從圖1中可知，永磁同步電機的定子繞組結構與感應電機相同，三個電樞繞組空間分布，軸線互差 120°電角度。這里以 A 相繞組軸線作為定子靜止參考軸，定義轉子永磁極產(chǎn)生的磁場方向為直軸(d軸)，則沿著旋轉方向超前直軸 90°電角度的位置為交軸(q軸)，并且以轉子直軸相對于定子 A相繞組軸線作為轉子位置角。 三相定子電流主要作用是產(chǎn)生一個旋轉的磁場，從這個角度來說，可以用兩相系統(tǒng)來等效，這里就引入了旋轉兩相dq 坐標,于是得到 PMSM 在dq 軸系的電壓方程： 最終得到PMSM 的運動方程為： 二、永磁同步電機矢量控制原理 矢量控制的基本思想是在磁場定向坐標

4、下，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉矩的轉矩電流分量，并使兩分量互相垂直、彼此獨立，然后分別進行調節(jié)。PMSM中，由于勵磁是由永磁體轉子實現(xiàn)，這樣只需控制定子三相電流合成正交于轉子直軸的轉矩電流分量就可以控制電機轉矩，使得 PMSM 的控制等效成直流電機的控制。 磁同步電機矢量控制的基本思想就是建立在坐標變換及電機電磁轉矩方程上的。對于表裝式永磁同步電機(SPMSM)，其直軸電感和交軸電感相等，即 ，則轉矩方程可簡化為： 。 由上式可以看出，表裝式永磁同步電機和直流電機具有相同的電磁轉矩方程。由于電機極對數(shù) 、永磁體磁勢為常數(shù)，則對于永磁同步電機來說，可以采用類似直流電機的控制方

5、法來控制轉矩。然而，對于直流電機，由于其勵磁磁場與電樞磁場正交，所以控制非常簡單；對于永磁同步電機，由于通入三相交流電，三相繞組耦合，同時又與轉子磁場耦合，所以永磁同步電機的控制顯然比直流電機控制復雜。 永磁同步電機的控制關鍵是實現(xiàn)電機瞬時轉矩的高性能控制。從電機數(shù)學模型看，對電機輸出轉矩的控制最終歸結為對交軸和直軸電流的控制。對于 PMSM 一般采用轉子磁場定向控制方式(可簡寫為 FOC)，該方式對小容量驅動場合特別合適。對給定的電磁轉矩，電機交軸和直軸電流有多種不同的組合，按照控制目標可以分為：控制、功率因數(shù)等于1控制、力矩電流比最大控制、恒磁鏈控制。它們各有各的特點： (1)控制是一種最

6、簡單的電流控制方式，該方法由于沒有直軸電流，因此電機沒有直軸電樞反應，不會產(chǎn)生去磁效應。電機所有電流均用來產(chǎn)生電磁力矩，對于表裝式電機，時電機電流所產(chǎn)生的電磁力矩最大。 (2)功率因數(shù)等于1控制方法是使電機保持功率因數(shù)恒為 1，從而使得逆變器的容量能得到充分的利用。但是在永磁同步電機中，由于轉子勵磁不能調節(jié)，在負載變化時，轉矩繞組的總磁鏈無法保持恒定，所以電樞電流和轉矩之間不能保持線性關系。 (3)力矩電流比最大的控制是在電機輸出給定力矩的條件下，使定子電流最小的控制方法。該方法減小了電機的銅損，有利于逆變器開關器件的工作，減小逆變器的損耗。在該方法的基礎上，采用適當?shù)娜醮趴刂品椒?，可以改善?/p>

7、機高速時的性能，缺點是功率因數(shù)隨著輸出轉矩的增大下降較快。對于表裝式永磁同步電機，本控制方式就是控制方式。 (4)恒磁鏈控制方法就是控制電機定子電流，使氣隙磁鏈與定子交鏈磁鏈的幅值相等。這種方法可以獲得比較高的功率因數(shù)，在一定程度上提高了電機的最大輸出轉矩，但仍存在最大輸出轉矩的限制。以上各種電流控制方法各有特點，適用于不同的運行場合。 采用的矢量控制方式，可以得到SPMSM的線性狀態(tài)方程：三、控制系統(tǒng)整體方案設計 無位置傳感器永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的結構如圖2所示，它主要由主電路和控制電路組成。主電路包括整流濾波電路以及功率驅動電路，其中功率驅動模塊采用了智能功率驅動模塊 IPM，它集功率

8、開關器件 IGBT、驅動電路和保護電路為一體，在保證系統(tǒng)控制性能的同時極大地簡化了驅動電路的設計?？刂齐娐芬詿o位置傳感器永磁同步電機專用控制芯片IRMCF341為核心，包括母線電壓采樣電路、單電阻電流采樣電路、開關電源電路、上位機通訊電路、EEPROM 電路等部分。 本設計的驅動電路采用了新型智能功率驅動模塊 IPM。智能功率模塊是把功率開關器件和驅動電路集成在一起，帶有電壓保護、電流保護及熱保護電路，并可將檢測信號送至CPU或DSP做中斷處理的新型電力電子器件。它一般由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門及驅動電路以及快速保護電路組成，即使發(fā)生負載事故或使用不當也能保證IPM本身不受損壞。IPM一般使

9、用 IGBT 作為開關元件，并內置傳感器及集成驅動電路。本設計中使用的IPM為SKT621-061A 型智能功率模塊，最大輸入電壓為 450V，最大輸出電流為 30A，最高開關頻率可達20KHz，能很好地滿足設計要求。永磁同步電機無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)分析：由上述分析可知，電動機的轉矩大小取決于和的大小，即控制和便可以控制電動機的轉矩。由于一定的轉速和轉矩對應一定的和，通過對這兩個電流的控制，使實際的和跟蹤指令值和，便實現(xiàn)了電動機轉矩和速度的控制。 對于三相永磁同步電機，通過檢測電樞繞組的三相交流電流，和，然后通過坐標變換，得到旋轉兩相dq坐標下電流和，在此過程中，需要用到轉子的位置信息。在

10、實際系統(tǒng)中通是利用光電編碼盤、旋轉編碼器等來獲得轉子位置信號；而本文是通過檢測電機的輸入電壓和電流，利用滑模觀測器估算出反電勢，通過計算獲得轉子位置信號。PMSM無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)框圖如下圖3所示。 三相永磁同步電機無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)的控制過程如下： （1）通過霍爾電流傳感器測量電機定子兩相電流和，通過clark逆變換得到兩相靜止坐標下的電流和； （2）利用和和和，通過滑模觀測器估算得到電機轉子角位置和電機轉速； （3利用滑模觀測器估算得到電機轉子位置角，使得和經(jīng)過park變換后，得到兩相旋轉坐標系下的電流和； （4）將電機給定轉速與滑模估算轉速相比較，經(jīng)過速度PI調節(jié)器，輸出交軸

11、電流給定 ； （5）設直軸電流給定為，把交、直軸電流分別與實際檢測值相比較，然后分別經(jīng)過電流PI調節(jié)器，輸出交、直軸電壓值和，再經(jīng)過park反變換，得到兩相靜止坐標系統(tǒng)下的電壓值和； （6）確定和的合成矢量位于空間電壓矢量所圍成的六個扇區(qū)中的某個扇區(qū)，選擇適當?shù)牧闶噶坎⒂嬎阍撋葏^(qū)內兩相鄰電壓矢量以及零矢量各自所占時間，根據(jù)計算結果設定相應寄存器值，輸出逆變器的驅動控制信號。 四、滑模變結構的控制方法 滑模變結構控制是變結構控制系統(tǒng)(VSC)的一種控制策略。這種控制策略與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)結構隨時變化的開關特性。該控制特性可以迫使系統(tǒng)在一定條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡做

12、小幅度、高頻率的上下運動，即滑模運動。這種滑動模態(tài)是可以設計的，且與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動無關。這樣，處于滑模運動的系統(tǒng)就具有很好的魯棒性?；Ｗ兘Y構控制與通常的開關控制以及按某種條件或指標做邏輯轉換的控制等是完全不同的。它有開關的切換動作，也有邏輯判斷的功能，這些動作和功能在系統(tǒng)的整個動態(tài)過程中一直在進行，不斷地改變系統(tǒng)的結構。其目的是使系統(tǒng)運動達到和保持一種預定的滑動模態(tài)?？梢哉f，滑模變結構控制是一種具有預定滑動模態(tài)的開關控制。4.1轉角估計PMSM在兩相靜止坐標系中的模型可以被寫為: 其中,， 其中，L,R和分別為電機定子電感,定子電阻和轉子磁勢。是轉子角速度,只是轉子位置。當電機處于穩(wěn)定運行

13、狀態(tài)時,有功;二o,反電動勢模型為。 平面:(x)二0包含兩個部分中所有軌跡的終點。這些點構成了一個特殊的軌線運動模式,被稱作滑模。當系統(tǒng)處于滑模狀態(tài)時,系統(tǒng)滿足s(x)二o和污(x)=0?；？刂频牡谝徊绞钦页鲆粋€輸入ue。使得狀態(tài)軌線停留在切換面(x)=O上。s(x)求導得: 這將是設計滑模觀測器依據(jù)。 為了得到準確的轉子位置,可以用低通濾波器進行濾波從而得到了轉子轉角估計值。 低通濾波器不可避免的會引入相位延遲,可以根據(jù)濾波器的響應制作相位補償表,然后計算出正確估計的轉角：4.2轉速估計從估計的轉角可以得到電機轉速。轉子轉速和轉角的關系如下: 對于無速度傳感器電機驅動,由于SVPWM造成

14、的干擾,微分函數(shù)可能導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定,降低系統(tǒng)的動態(tài)性能。轉速可以表示如下: 反電勢和速度的關系可以從上式得到,上式并未指出轉向。所以轉速可以用下面的方法算出：五、結論 由電路分析和實驗可得下述結論 （1）全橋移相控制電路周期性輸出零電壓凹槽，為交-交變頻電路提供 ZVS開關條件； （2）由于交-交變頻電路輸出零電壓矢量時，移相控制電路的輸出電流幾乎為零，這樣有利于降低開關損耗，提高電路效率。六、參考文獻1王聰.軟開關功率變換器及其應用M.北京：科學出版社，2000.2 賀昱曜，李 宏，何 華.一種新型軟化 SPWM波形合成方法及諧波分析J. 中國電機工程學報，2002，22（12）：118122.3郭清風,楊桂杰,晏鵬飛.SMO在無位置傳感器PMSM驅動控制系統(tǒng)的