交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)

1、指導(dǎo)老師：主講人： 學(xué)號(hào)：目錄目錄 永磁同步電機(jī)（PMSM）PMSM 的控制 無(wú)位置傳感器控制技術(shù)低速和零速中速和高速全速度永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，簡(jiǎn)稱(chēng)PMSM) 是一種采用強(qiáng)抗退磁永磁材料替代勵(lì)磁繞組的同步電機(jī)，由于省去了勵(lì)磁繞組、集電環(huán)和電刷裝置，具有功率密度大、能量轉(zhuǎn)換效率高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、運(yùn)行可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)。 分類(lèi)磁場(chǎng)空間分布永磁體的安裝方式梯形波PMSM(無(wú)刷直流)正弦波PMSM內(nèi)置式PMSM表面插入式PMSM分類(lèi)磁場(chǎng)空間分布永磁體的安裝方式梯形波PMSM(無(wú)刷直流)正弦波PMSM表貼式PMSM分類(lèi)磁場(chǎng)空間分布永

2、磁體的安裝方式磁場(chǎng)空間分布梯形波PMSM(無(wú)刷直流)正弦波PMSM分類(lèi)永磁體的安裝方式磁場(chǎng)空間分布PMSM 控制方法的介紹永磁同步電機(jī)(PMSM)控制系統(tǒng)： 控制其速度、位置 高精度的電機(jī)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子速度控制和位置控制的提出很高的要求，對(duì)傳感器的要求也相應(yīng)地提高。 不需要安裝傳感器，檢測(cè)相關(guān)參數(shù)，利用電氣特性來(lái)反映機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性。PMSM無(wú)位置傳感器控制技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：不改造電機(jī)；省去昂貴的機(jī)械傳感器、降低維護(hù)費(fèi)用；不受工作環(huán)境影響；傳統(tǒng)的方法：缺點(diǎn)： 在電機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)座的位置上安裝電磁或光電傳感器來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，如光電編碼器(Encoder)和旋轉(zhuǎn)變壓器(Resolver)。由于加裝機(jī)械傳感器引起的電機(jī)

3、軸抖動(dòng)、機(jī)械慣量增加； 系統(tǒng)成本增加、體積增大、受工作環(huán)境影響、耐用性和可靠性降低PMSM無(wú)位置傳感器控制技術(shù)文本電機(jī)調(diào)速的本質(zhì)是控制其轉(zhuǎn)矩，包括：開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制方式開(kāi)環(huán)v/f控制在轉(zhuǎn)子上加異步環(huán)，使電機(jī)異步啟動(dòng)，然后牽入同步，控制簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能較差,只控制了電機(jī)氣隙磁通，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩文本閉環(huán)控制：直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制 矢量控制：利用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將電機(jī)三相電流變換為轉(zhuǎn)矩電流，勵(lì)磁電流分量，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的解耦，與直流電動(dòng)機(jī)一樣有著優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能；文本直接轉(zhuǎn)矩控制： 基于電機(jī)定子磁場(chǎng)定向，無(wú)需旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，在定子坐標(biāo)系下即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)磁鏈、轉(zhuǎn)矩的直接觀(guān)測(cè)和控制，控制相對(duì)簡(jiǎn)單

4、，但計(jì)算量大、控制實(shí)時(shí)性要求高PMSM 無(wú)位置傳感器控制的基本思想通過(guò)檢測(cè)定子電流、電壓基波或者高頻分量，利用直接計(jì)算、狀態(tài)觀(guān)測(cè)、參數(shù)辨識(shí)等不同解算方法求取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，并估算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終運(yùn)用到系統(tǒng)的矢量變換和速度反饋當(dāng)中，使控制系統(tǒng)能夠閉環(huán)運(yùn)行。通過(guò)檢測(cè)定子電流、電壓基波或者高頻分量，利用直接計(jì)算、狀態(tài)觀(guān)測(cè)、參數(shù)辨識(shí)等不同解算方法求取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，并估算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終運(yùn)用到系統(tǒng)的矢量變換和速度反饋當(dāng)中，使控制系統(tǒng)能夠閉環(huán)運(yùn)行。零速和低速時(shí)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)電機(jī)低速時(shí)反電勢(shì)信號(hào)較小不易檢測(cè)，難以從反電勢(shì)中獲得轉(zhuǎn)子位置電感測(cè)量法1電壓脈沖法2載波頻率法3低頻信號(hào)注入法4方法方法高頻信號(hào)注

5、人法5PMSM零速和低速無(wú)位置傳感器控制技術(shù)：PMSM的凸極性主要有結(jié)構(gòu)性凸極、飽和凸極，PMSM的凸極性是由電機(jī)本身或外部激勵(lì)產(chǎn)生，與電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)無(wú)關(guān)，故基于轉(zhuǎn)子凸極性產(chǎn)生的定子電感變化來(lái)提取位置信息的方法被廣泛應(yīng)用于低速(零速)運(yùn)行下的永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器矢量控制技術(shù)。原理：零速和低速時(shí)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)2原理：在正常運(yùn)行電壓信號(hào)上疊加特定的測(cè)試電壓脈沖，如在假定的估算轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的估算直軸上施加正、負(fù)電壓脈沖，通過(guò)檢測(cè)該脈沖產(chǎn)生的估算交直軸電流變化情況來(lái)估算轉(zhuǎn)子位置。如果估算轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系與實(shí)際轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系重合，由于是在估算直軸疊加電壓脈沖，不會(huì)在估算交軸產(chǎn)生影響；反之，則會(huì)引起估算交軸電

6、流的變化，該變化量與誤差角大小有關(guān)，通過(guò)提取該變化量，即可得到轉(zhuǎn)子位置角。缺點(diǎn)：精度不高，注入的測(cè)試脈沖是離散的，只能實(shí)現(xiàn)離散位置的檢測(cè)。 11.離線(xiàn)測(cè)量得到三相電感和轉(zhuǎn)子位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系表2.直接測(cè)量電機(jī)定子繞組的電壓、電流，由估算轉(zhuǎn)速計(jì)算電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，3.代入電機(jī)定子各相繞組電壓方程計(jì)算繞組電感值，查表得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置角優(yōu)缺點(diǎn)：方法實(shí)施簡(jiǎn)單，但估算精度有限。零速和低速時(shí)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)4通過(guò)在直軸注入低頻電流信號(hào)，利用交軸產(chǎn)生的電壓響應(yīng)結(jié)合給定電流來(lái)估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速。該方法不依賴(lài)永磁同步電機(jī)的凸極特性，僅利用基波模型就可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速估計(jì)，因此適用于內(nèi)埋式和表面式永磁同步電機(jī)。 1.信號(hào)頻率

7、可選取的范圍較??；2.負(fù)載突變時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大 ； 3. 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢缺點(diǎn)：原理：3 利用定子電流或電壓的載波頻率提取轉(zhuǎn)子位置信息，將逆變器本身的載波頻率信號(hào)作為高頻激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)載波頻率成分電流的包絡(luò)線(xiàn)或電流積分實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置估算。無(wú)需信號(hào)注人，不改變控制結(jié)構(gòu)，利用電機(jī)電信號(hào)的固有高頻開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置。但對(duì)硬件檢測(cè)電路的要求較高，易受電機(jī)凸極比、信噪比的影響優(yōu)缺點(diǎn)：原理：5 激勵(lì)信號(hào)：電壓、電流信號(hào) 注入形式：旋轉(zhuǎn)、脈振形式旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)注入法和脈振高頻電壓信號(hào)注入法高頻信號(hào)注入法實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單靈活，無(wú)需預(yù)先估計(jì)轉(zhuǎn)子位置信息。通過(guò)不同的激勵(lì)方式和信號(hào)檢測(cè)分離技術(shù)來(lái)獲取含有位置信息

8、的電機(jī)凸極信號(hào)，以此估算轉(zhuǎn)子位置。原理：優(yōu)點(diǎn)：不依賴(lài)電機(jī)參數(shù)、可以結(jié)合矢量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)高性能調(diào)速缺 點(diǎn)：分類(lèi)：需要濾波器進(jìn)行信號(hào)辨識(shí)， 注入的高頻信號(hào)會(huì)引入振動(dòng)和噪聲中速和高速時(shí)無(wú)位置傳感器控制 通過(guò)直接或間接地從電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)中提取位置信息。低速下電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)較小，系統(tǒng)中的信號(hào)干擾等因素使得反電動(dòng)勢(shì)的獲取更加困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)零速和低速時(shí)的無(wú)位置運(yùn)行。同時(shí)適用于凸極式和隱極式永磁同步電機(jī)。 人工智能算法4方法方法 觀(guān)測(cè)器法3模型參考自適應(yīng)法2電壓電流檢測(cè)法1中速和高速時(shí)無(wú)位置傳感器控制：中速和高速時(shí)無(wú)位置傳感器控制電壓電流檢測(cè)法1通過(guò)檢測(cè)電機(jī)三相定子繞組的電壓和電流，根據(jù)永磁同步電機(jī)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐

9、標(biāo)系中的電壓、磁鏈方程直接解算得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置；或者根據(jù)兩相靜止坐標(biāo)系中的反電動(dòng)勢(shì)積分得到兩相坐標(biāo)系上的磁鏈分量，再由三角函數(shù)關(guān)系式得到轉(zhuǎn)子位置角。計(jì)算簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但位置估算誤差對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴(lài)性高，需要結(jié)合電機(jī)參數(shù)在線(xiàn)辨識(shí)使用原理：優(yōu)缺點(diǎn)：模型參考自適應(yīng)法2選擇永磁同步電機(jī)本身為參考模型，而將含有待估計(jì)參數(shù)(轉(zhuǎn)子位置、速度)的數(shù)學(xué)模型作為可調(diào)模型。初始假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置計(jì)算出電機(jī)的電氣參數(shù)，與實(shí)際測(cè)量得到的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行比較，采用自適應(yīng)算法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可調(diào)模型的參數(shù)至兩個(gè)模型對(duì)應(yīng)量誤差為零，從而獲得轉(zhuǎn)子位置?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，但其估算精度與參考模型及其參數(shù)的選取有關(guān)，且計(jì)算強(qiáng)度大，運(yùn)算

10、速度要求高原理：優(yōu)缺點(diǎn)：中速和高速時(shí)無(wú)位置傳感器控制 觀(guān)測(cè)器法3 人工智能算法4實(shí)質(zhì)是狀態(tài)重構(gòu)，即重新構(gòu)造一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的輸入信號(hào)是實(shí)際系統(tǒng)的輸入信號(hào)和可測(cè)量得到的其它信號(hào)，如電壓、電流等，該系統(tǒng)可使輸出信號(hào)在一定條件下與實(shí)際系統(tǒng)的輸出信號(hào)等價(jià)，其原則就是使兩者的誤差在動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中漸近穩(wěn)定地趨于零。人工智能算法在永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制中的應(yīng)用處于起步階段，它通過(guò)模仿、跟隨或?qū)W習(xí)等手段，對(duì)非線(xiàn)性系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特征進(jìn)行辨識(shí)，具有較高的自適應(yīng)能力，但也存在著控制算法復(fù)雜、計(jì)算量大等問(wèn)題，離實(shí)用化尚有一段距離。原理：優(yōu)缺點(diǎn)：該方法具有動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)定性高、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但其算法復(fù)雜，計(jì)算量較大，在低速運(yùn)行時(shí)控制效果不理想常見(jiàn)的觀(guān)測(cè)器： 有全階、降階狀態(tài)觀(guān)測(cè)器，滑模觀(guān)測(cè)器和卡爾曼濾波器或擴(kuò)展的卡爾曼濾波器等。全速度范圍內(nèi)無(wú)位置傳感器控制u 在于如何實(shí)現(xiàn)兩類(lèi)方法的平滑切換u 確保切換區(qū)間內(nèi)不出現(xiàn)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速跳變的現(xiàn)象u 維持控制系統(tǒng)穩(wěn)定 從國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì) PMSM 無(wú)位置傳感器控制技術(shù)的研究結(jié)果來(lái)看，沒(méi)有一種單一的方法能使電機(jī)在很寬的調(diào)速范圍內(nèi)平