全階電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器-永磁同步電動(dòng)機(jī)在不當(dāng)速度信號(hào)下的設(shè)計(jì)、分析

1、全階電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器-永磁同步電動(dòng)機(jī)在不當(dāng)速度信號(hào)下的設(shè)計(jì)、分析和運(yùn)行米哈依 卡姆斯，IEEE會(huì)員：托德D.巴茲，IEEE會(huì)員：賓州州立大學(xué)的阿圖姆那摘要：本文側(cè)重于隱極永磁同步電機(jī)（PMSM）的風(fēng)車(chē)系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)使用的轉(zhuǎn)子位置估算問(wèn)題。本文介紹了永磁同步電動(dòng)機(jī)在靜止參照系模型為基礎(chǔ)的全階EMF觀測(cè)器的設(shè)計(jì)和分析。在觀測(cè)器輸入電機(jī)的電壓和電流（測(cè)量）和電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 首先分析了觀測(cè)器的收斂性假設(shè)的速度信號(hào)是-它是如何設(shè)計(jì)反饋增益等觀測(cè)器是漸近穩(wěn)定；其次，觀測(cè)器分析的假設(shè)下，所使用的高速信號(hào)與真正的速度是不同的。這相當(dāng)于時(shí)速估計(jì)將用于在試圖獲得傳感器的觀測(cè)（而不是實(shí)際速度）的情況。永磁同步電動(dòng)機(jī)被視為

2、線性時(shí)變系統(tǒng)，利用利亞普諾夫穩(wěn)定性理論分析和觀測(cè)器介紹。它表明，正確的速度下觀測(cè)器收斂。根據(jù)不當(dāng)?shù)乃俣刃盘?hào)，估計(jì)有錯(cuò)誤和設(shè)計(jì)的收益不會(huì)影響這些錯(cuò)誤，但并不能消除它們。 然而，因?yàn)殄e(cuò)誤是比較小的，該方法可以用來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置傳感器的驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)仿真驗(yàn)證理論結(jié)果。關(guān)鍵詞 ：永磁同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)，全階觀測(cè)器，傳感器控制。一、引言永磁同步電動(dòng)機(jī)是一種高性能電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用，由于它的高功率密度和高效率，經(jīng)常被用于在風(fēng)車(chē)系統(tǒng)1 - 3。 這是非常流行的控制矢量控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)，在這種情況下，必須知道轉(zhuǎn)子位置。 可以使用安裝在軸上的編碼器或霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置，然而，這些機(jī)械傳感器降低的永磁同步

3、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的耐用性，并增加了成本。 為了消除機(jī)械傳感器，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些幾個(gè)傳感器的方法4 - 6，這已經(jīng)是一個(gè)成熟的技術(shù)。在無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)控制方法中，轉(zhuǎn)子位置由測(cè)量的變量估計(jì)。 電機(jī)的電壓和電流的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量和計(jì)算所有在控制算法中可能需要的后續(xù)數(shù)量（通常通量，速度和轉(zhuǎn)子位置。可利用幾種轉(zhuǎn)子位置的估算方法。 一般來(lái)說(shuō)，方法是基于觀測(cè)器或使用磁性凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)屬性，或者是基于凸級(jí)磁場(chǎng)之間的dq軸電感的變化和使用信號(hào)注入7 -9。 他們都比較復(fù)雜，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)和移植性較差;然而，他們?cè)诘退俟ぷ鬏^好。估計(jì)轉(zhuǎn)子的位置也可以在靜止?fàn)顟B(tài)10;作為一個(gè)結(jié)果，電機(jī)可以 11從正確的轉(zhuǎn)子位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。 第二

4、類(lèi)估計(jì)方法采用永磁同步電動(dòng)機(jī)模型來(lái)構(gòu)造觀測(cè)器對(duì)狀態(tài)的估計(jì)。 幾個(gè)觀測(cè)器可供選擇：文獻(xiàn)1213中全階觀測(cè)器，和文獻(xiàn)14-16所示降階觀測(cè)器。也可以使用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法估計(jì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)17 18。 根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)模型標(biāo)準(zhǔn)，觀測(cè)器可以估計(jì)通量和電機(jī)的電磁場(chǎng)。 最后，幾個(gè)滑模觀測(cè)器可參照文獻(xiàn)19 - 22。本文提出了完整的全階觀測(cè)器估計(jì)永磁同步電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)和分析。觀測(cè)器是用于風(fēng)車(chē)的應(yīng)用程序和構(gòu)造的基礎(chǔ)上的永磁同步電動(dòng)機(jī)在靜止參照系模型。輸入量是電機(jī)的電流和電壓(測(cè)量),電機(jī)速度。分析中，基于李亞普諾夫的理論，永磁同步電動(dòng)機(jī)被當(dāng)作一個(gè)線性、時(shí)變系統(tǒng),研究了觀測(cè)器的收斂。本文分析了觀測(cè)器

5、的情況下,使用速度等于實(shí)際速度。它展示了如何設(shè)計(jì)等，導(dǎo)致系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的反饋增益。其次,該觀測(cè)器分析的不當(dāng)?shù)氖羌僭O(shè)速度信號(hào)(在真正速度的±30范圍內(nèi))反饋給觀測(cè)器的。對(duì)應(yīng)的速度信號(hào)將符合觀測(cè)器觀測(cè)時(shí)的情況。本文研究顯示在這種情況下獲得的錯(cuò)誤的性質(zhì)。在這種情況下,表明他們不受設(shè)計(jì)收益,然而,由于這些錯(cuò)誤是相對(duì)較小的,此方法可用于轉(zhuǎn)子位置校正情況下的無(wú)傳感器永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)仿真驗(yàn)證了理論結(jié)果。二、命名微分算子轉(zhuǎn)子速度在靜止坐標(biāo)系的電流在靜止坐標(biāo)系的電壓在靜止坐標(biāo)系的通量在靜止坐標(biāo)系的磁通量在靜止坐標(biāo)系的動(dòng)勢(shì)定子電阻同步電感反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)轉(zhuǎn)子位置角三、永磁同步電機(jī)的建模 永磁同步電動(dòng)機(jī)

6、的方程組在靜止坐標(biāo)系和狀態(tài)向量中是輸出方程是 由可以的到： 又由然后,狀態(tài)方程,對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)電流、動(dòng)勢(shì)是: 用矩陣的形式寫(xiě)成：輸出方程為四、全階觀測(cè)器對(duì)電動(dòng)勢(shì)的估計(jì)全階觀測(cè)器在此基礎(chǔ)上給出了上述模型。注意方程(7)、(8)已經(jīng)在規(guī)劃數(shù)學(xué)模型的標(biāo)準(zhǔn)形式。由以上方程和矩陣可以確定，完整的觀測(cè)器的設(shè)計(jì)采用線性控制原則，方程為：4×2矩陣L是一個(gè)矩陣的設(shè)計(jì)所得：隨著觀測(cè)器的發(fā)展，我們認(rèn)為速度是已知的，電壓和電流是可以控制的，根據(jù)以上的方程組，得到：觀察者的收斂性研究方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,不能用特征值(該系統(tǒng)時(shí)變)。相反,選擇李雅普諾夫函數(shù): 取代衍生物分化后,表示為總之,只要把錯(cuò)位是目前

7、l和l非零,V將為負(fù)數(shù)和V1衰減。當(dāng)l= 0,l= 0,停止衰減李亞普諾夫函數(shù),將成為一個(gè)平衡點(diǎn)。如果我們代替l= 0,l= 0,由此而來(lái)的是,在這個(gè)平衡點(diǎn),我們也有e= 0和e = 0。作為一個(gè)結(jié)果,所有錯(cuò)位是零和觀測(cè)器的漸近穩(wěn)定。選擇根據(jù)結(jié)果(16)-(19),方程的觀測(cè)結(jié)果是:在k被選擇時(shí)，k>0.一些觀測(cè)值的特點(diǎn):第一,注意派生的李亞普諾夫函數(shù)在(20)是消極的,即使K = 0。第二,既然的平方和沒(méi)有出現(xiàn)在式子中,它是不可能去寫(xiě)一個(gè)關(guān)系的速度收斂速度不直接取決于K。 和。作為一個(gè)結(jié)果,觀測(cè)值其次,觀察者的行為是研究假設(shè)觀測(cè)值反饋的速度信號(hào)不同于真正的永磁同步電動(dòng)機(jī)速度。目的將是使

8、用一個(gè)速度估計(jì)代替實(shí)際速度,以產(chǎn)生一個(gè)觀測(cè)值和位置傳感器,在這種情況下,速度估計(jì)通常不同于一定范圍內(nèi)的實(shí)際速度。第二節(jié)調(diào)查觀測(cè)值的收斂情況下,試圖獲得的估計(jì)誤差的解析表達(dá)式,探討設(shè)計(jì)所得是否可以用來(lái)減少他們。 認(rèn)為反饋的觀測(cè)值中的速度信號(hào)為：然后,該觀測(cè)值方程對(duì)應(yīng)(10)或(21),除了它們使用以上的速度估計(jì)。原方程整理得:選擇選擇李雅普諾夫函數(shù)，得上式中，第一部分總是負(fù)值，第二部分有未知信號(hào)。調(diào)整電壓知道第一部分和第二部分相等，得到：整理得：?？偛恍业氖?，這不是一個(gè)好的結(jié)果。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的參數(shù)k出現(xiàn)在了上式中，并且不能用于消去之，和和附近的利亞普諾夫函數(shù)解決不受觀測(cè)值的參數(shù)影響，因此，無(wú)法將它們

9、消去。五、模擬結(jié)果觀測(cè)值利用仿真軟件Matlab / Simulink，永磁同步電機(jī)的參數(shù)如下表。在仿真過(guò)程中，永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用速度可控的模式。電動(dòng)機(jī)的速度開(kāi)始為1000每分鐘轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0.1海里。 表1永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)表仿真模型使用PI控制器調(diào)節(jié)d,q軸電流。一個(gè)PI控制器也用于調(diào)速(這產(chǎn)生參考電流)。參考電流的d軸設(shè)置為零,id= 0。仿真模型沒(méi)有使用一個(gè)PWM狀態(tài)機(jī);同時(shí),沒(méi)有研究運(yùn)行通量弱化范圍。仿真了采樣離散時(shí)間50s時(shí)間。在最初的調(diào)查,永磁同步電機(jī)的測(cè)量速度是反饋給觀測(cè)值的。在模擬活動(dòng)中,這些電機(jī)導(dǎo)向與正確的轉(zhuǎn)子位置從一開(kāi)始的運(yùn)動(dòng)(啟動(dòng)、= 0)。觀測(cè)器的并聯(lián)運(yùn)行永磁

10、同步電動(dòng)機(jī)模型及其輸出被捕獲。圖1和圖2顯示了真正的,估計(jì),電流、動(dòng)勢(shì)正確是反饋給觀察器的速度和K = 1000(電動(dòng)機(jī)、價(jià)值選擇的RL(20)是相等的到13888)?？梢钥闯?在結(jié)果中,估計(jì)的收斂,該觀測(cè)值穩(wěn)定,該結(jié)果證實(shí)了理論分析的正確性。圖1 .實(shí)際和估計(jì)的適當(dāng)轉(zhuǎn)速信號(hào)電流 K=1000圖2。實(shí)際的估計(jì)動(dòng)勢(shì)與適當(dāng)?shù)乃俣刃盘?hào),K=1000圖3和圖4為分別獲得不當(dāng)?shù)母咚傩盘?hào)時(shí)被反饋給觀測(cè)值。使用的速度是比真實(shí)速度的30。k=1000和以前一樣?？梢钥闯觯烙?jì)不收斂了。有趣的是，目前的錯(cuò)誤是意義重大，而EMF誤差都比較小。估計(jì)轉(zhuǎn)子位置也顯示，與真正的轉(zhuǎn)子位置-注意，錯(cuò)誤的是大約15-20度，并

11、考慮30的速度不匹配，這是比較小的。k其他一些價(jià)值被嘗試才發(fā)現(xiàn)，他們不改善估計(jì)過(guò)程中顯著或減少錯(cuò)誤。它被發(fā)現(xiàn)時(shí)k增加，EMF的估計(jì)的準(zhǔn)確性保持在目前的估計(jì)增加的錯(cuò)誤。圖3。真實(shí)的估計(jì)電流不當(dāng)速度(-30%),K=1000圖4。真實(shí)的估計(jì)動(dòng)勢(shì)不當(dāng)速度(-30%),K=1000圖5，圖6的仿真是重復(fù)的。反饋給觀測(cè)值的速度比真實(shí)速度增加了30%。獲得EMF的估計(jì)都比較接近，轉(zhuǎn)子位置誤差在15-20度。電流的估計(jì)值比真實(shí)的不同。圖7 .真實(shí)和估計(jì)不當(dāng)速度電流(+ 30%),K=1000圖8。真實(shí)的估計(jì)動(dòng)勢(shì)不當(dāng)速度(+ 30%),K=1000六、結(jié)論本文提出的全階觀測(cè)器的永磁同步電機(jī)的模型在靜止參照系的

12、電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析。 觀測(cè)值的輸入量，電機(jī)的電壓，電流和速度。 永磁同步電動(dòng)機(jī)被視為線性時(shí)變系統(tǒng)，并使用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論分析完成。 觀察者首先分析的假設(shè)下的速度信號(hào)，它展示了如何設(shè)計(jì)漸近收斂的收益。 第二，觀測(cè)值假設(shè)在高速信號(hào)送入觀測(cè)器±30的 錯(cuò)誤進(jìn)行了分析。 在這種情況下，電流和電磁場(chǎng)的估計(jì)不收斂,數(shù)學(xué)分析和模擬表明，估計(jì)誤差不受收益的影響。 然而，它被發(fā)現(xiàn)，EMF誤差都比較小±20度的實(shí)際轉(zhuǎn)子位置估計(jì)轉(zhuǎn)子位置。 這觀測(cè)值可以成功地應(yīng)用于傳感器永磁同步電動(dòng)機(jī)風(fēng)車(chē)驅(qū)動(dòng)器中轉(zhuǎn)子位置校正。傳記米哈依 卡姆斯于1992獲得布加勒斯特理工大學(xué)的電機(jī)工程學(xué)士學(xué)位,分別于2001年和2005年在美國(guó)俄亥俄州大學(xué)獲得他的碩士