永磁同步電動機無傳感器矢量控制技術研究

1、鄭州大學碩士學位論文永磁同步電動機無傳感器矢量控制技術研究姓名:鄭寶周申請學位級別:碩士專業(yè):檢測技術與自動化裝置指導教師:陳鐵軍20060501 鄭州大學碩士論文.其中fVd=月;一m。g+pd lV口=R一珊。yd+pyg (2.16厶、厶為定子繞組的直軸電感和交軸電感。電機的轉矩方程為:t=只(y。一,L=只.I沙,+(厶一Ll (2.17其中:以=三(譬,n為電機極對數。由PMsM的數學模型可以得到它在d一口坐標系下的等效電路如圖2.4所示。圖2-4永磁同步電機在d.q坐標系下等效電路圖Fig.24PMSMs equjvalent circuit diagmm in d-q coord

2、illate在永磁同步電機中,轉子磁通恒定不變,所以大多采用轉子磁通定向方式來控制永磁同步電動機。由上面推導過程可知永磁同步電動機的電磁轉矩基本上取決于定子d軸電流分量和q軸電流分量。2.2永磁同步電機矢量控制技術近二十多年來隨著電動機的矢量控制、直接轉矩控制等技術的問世和計算機人工智能技術的進步,電動機控制理論和控制技術上升到一個新的高度。目前,永磁同步電動機調速系統(tǒng)以矢量控制為主。m +.0.厶k il=d g y y 3基于自適應戳鏈觀鍘器的無位置傳感器檢測技術依據3+1節(jié)介紹的觀測器狀態(tài)方程和速度自適應收斂率,用Simulink建立的觀測器仿真模型如圖3.4所示。電機的定子電阻、電感等

3、取表3.1中相應值,另取女=1.25,調節(jié)器參數.i。=8,七.=2.5。四個輸入變量分別為兩相靜止坐標系下定予電流和定子電壓:,f。,k,y。,輸出為速度估計值面,和轉子位置估計值臼。圖3.4自適應磁鏈觀測器仿真結構圖C0nstrucn鵬ofAdaptive Flux Linkage Observer圖3.5是采用自適應磁鏈觀測器進行矢量控制的系統(tǒng)仿真圖。圖中子系統(tǒng)MARS是圖3.4所示的磁鏈自適應觀測器;子系統(tǒng)PwM Invener將電流調節(jié)器輸出的電流值調制成永磁同步電機定子三相電壓。予系統(tǒng)dqtoabc將旋轉坐標系下的定子電流和電壓,K,屹轉換成靜止坐標系下定子電流和電壓名,屹,%,作

4、為磁鏈觀測器的輸入信號。 用圖3.5所示的仿真模型來估算電機的速度和位置。首先分析低速時估算結果的精度。測試條件是每隔O.1秒改變一下轉速的方向,轉速大小是正負100轉/鄭州大學碩士論文分(電角速度為200轉/分。圖3.6是轉子位置和位置估計值對比曲線圖,圖3.7是轉速實際值和轉速估計值的對比曲線圖。 圖3.6低速時轉子位置的估計值與實際值對比圖Esbmation蚰d The Value of Position in Low SpcedFig.3,6111e 圖3.7低速時速度的估計值與實際值對比圖由圖3.7可知速度的估算值最終收斂在真實值上;位置估算結果始終有誤差,當電機旋轉方向改變時誤差增

5、大。但對于精度要求較低的調速系統(tǒng),基本上能滿足要求。經分析知,在電機剛起動的O.01秒內速度估計值為o,而實際轉速上升為150轉/分,此起始速度估計誤差造成位置估計值滯后實際轉子位簧一個角度。由于電機中的參數如定子電感、定子電阻等很難準確測量,并且集膚效應、溫度變化以及磁路飽和等現象使參數值與實際值無法完全吻合,這就要求估算方法有一定的魯棒性,即能夠自動動由消除參數誤差產生的影響。下面觀察電機參數變化時對估算結果的影響,分析系統(tǒng)的魯棒性。 3基于自適應磁鏈觀測器的無位置傳感器檢測技術 圖3.10參數無誤差時1:=置估計誤差圖3.Il參數有誤差時位置估計誤差仿真中假定電機參數月=1.5R=2.2

6、6Q,=o.7三=o.336H。對比圖3.8和圖3.9可知,當電機參數有誤差時,速度估算誤差在電機轉速變化時增大,當轉速穩(wěn)定時誤差收斂到零,也就是參數誤差只對轉速估算的動態(tài)誤差有影響。參數有誤差時,位置估計誤差始終比參數準確時大,這是由于轉速動態(tài)誤差增大造成的?，F在分析在較高轉速時,矢量控制系統(tǒng)的轉速估計誤差和位置估計誤差。仿真條件是:電機轉速為正負500轉/分(合電角速度1000轉/分,每隔O.5秒改變一次旋轉方向。圖3.12是在此條件下轉速估計誤差曲線圖。圖3.13是位置估計值和實際位置的對比曲線圖。 圖3.12高速時速度估計誤差信號Fi93.12TheE丌orofSpeedinHigh

7、Speed 幽3.13較高速時位置估計值和實際值對比圖Fi93.13111e Estimation and Real value ofPosmn in H詘speed 由匕圖分析可知,電機在較高轉速時(1000轉/min,轉速估計誤差和位置估計誤差比低速時(200轉/min時小的多。在起動時,需要大約o.02妙使整個系統(tǒng)由起動時的不規(guī)則狀態(tài)收斂到穩(wěn)定運行狀態(tài)。從圖中可以看出動態(tài)時轉速誤差小于±15r/m,相對誤差小于±1+5%;穩(wěn)態(tài)時,轉速誤差有±l的微小波動,轉子位置估計誤差小于±5。,可以使用在精度要求不很高的場合。 圖5-3凸極跟蹤觀測器仿真模型F

8、i95_3The Simulation Model of Saliency1hcking Observer5_2仿真中遇到的問題及其解決方法永磁同步電機屬非線性環(huán)節(jié),因此simulink仿真環(huán)境中只能選用變步長的解算器。受永磁同步電機的參數厶、乞的限制,解算器的運算步長不能太大,相對誤差上限不能太小。另一方面,為保證仿真系統(tǒng)濾波器的性能,最大步長和最小步長的值越接近越好,濾波器的采樣頻率和運算步長有關系。經過多次調試,最小步長選為O.00000l s,初始步長選為o.ooo001s,最大步長選為O,0000012s。相對誤差上限取為O.002。現簡單介紹仿真模型中濾波器的設計。采用s蟾nalP

9、roccssingBlockset工具箱里的Filter Desi印s設計濾波器。帶通濾波器采用FIR最小方型濾波器,濾波器參數如圖5.4所示。.鄭州大學碩士論文 圖5.4帶通濾波器的參數值Par呦eters一般要求解算器的運算步長和濾波器的采樣頻率Fc相對應。在本仿真系統(tǒng)中,一方面永磁同步電機屬非線性環(huán)節(jié),要求解算器的運算步長不能太大,也就是系統(tǒng)的采樣頻率不能太低(大于1MHz:另一方面,注入的高頻電壓信號頻率為4000Hz,這就要求帶通濾波器能夠從較寬的頻帶內(1MHz提取出頻率為4000Hz的信號。試驗表明,單個濾波器很難兼顧有用信號幅度衰減小和相位滯后小兩方面的要求。低通濾波器同樣存在這個問題。為了保證仿真系統(tǒng)有效運行,首先要滿足系統(tǒng)對運算步長的要求,然后