無位置傳感器伺服系統(tǒng)控制策略的研究ppt課件

1、無位置傳感器伺服系統(tǒng)控制策無位置傳感器伺服系統(tǒng)控制策略的研究略的研究黃飛控制理論與控制工程1.1研究意義l 永磁同步電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品，是多學(xué)科技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它的驅(qū)動、控制更是和電子技術(shù)息息相關(guān)。因此，進(jìn)行永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)的研究對于我國工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)有著重要的意義。永磁同步電動機(jī)控制雖然已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段，但是對其無位置傳感器控制系統(tǒng)的研究還有待進(jìn)一步深入，存在著比較大的發(fā)展空間。本系統(tǒng)實現(xiàn)后能大大減少系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)可靠性，減少系統(tǒng)維護(hù)的工作量。同步電機(jī)傳動系統(tǒng)需要對其速度和位置進(jìn)行控制。高精度的電機(jī)系統(tǒng)對速度控制和位置控制提出很高的要求，相應(yīng)地對傳感器的要

2、求提高。目前，傳感器向小型化、低成本和高分辨率、多功能兩個方向發(fā)展。電機(jī)系統(tǒng)中傳感器的存在阻礙了電機(jī)向高速化、小型化發(fā)展。因此，無傳感器技術(shù)的研究在高速電機(jī)、微型電機(jī)的控制和一些特殊場合具有重要的意義。 l（1）.降低成本l（2）.減小電機(jī)的體積l（3）.提高系統(tǒng)可靠性l（4）.減少維護(hù)量1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀l 由于使用傳感器給永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)帶來很多問題，所以無傳感器的控制系統(tǒng)越來越引起人們的重視。無傳感器控制系統(tǒng)是指利用電機(jī)繞組中的有關(guān)電信號，通過適當(dāng)方法估計出轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，取代傳感器，實現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制。 l 同步電機(jī)無位置傳感器技術(shù)是在數(shù)字信號處理器(DSP)出現(xiàn)后得以發(fā)展的。

3、DSP的高速信息處理能力使無位置傳感器控制技術(shù)的復(fù)雜算法能得以實現(xiàn)。在無位置傳感器技術(shù)方面，許多學(xué)者作出了研究，提出了切實可行的方法。 l主要方法有：l（1）.基于PMSM基本電磁關(guān)系估算位置和轉(zhuǎn)速的方法 l（2）.基于對電機(jī)特殊特性分析基礎(chǔ)上的估計方法 l（3）.基于各種觀測器技術(shù)的位置辨識方法l（4）.人工智能理論基礎(chǔ)上的估算方法 2.1 研究目標(biāo)l 本課題研究的主要目標(biāo)是實現(xiàn)永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制，使得在實際的電機(jī)控制中能夠脫離位置傳感器，降低成本，并且能夠達(dá)到采用位置傳感器控制時一樣的控制效果。2.2永磁同步電動機(jī)無位置傳感器控制中需解決的問題l 無傳感器技術(shù)的應(yīng)用給永磁同步電機(jī)

4、帶來了起動問題。機(jī)械式位置傳感器能探知電機(jī)靜止時轉(zhuǎn)子磁極位置，使電機(jī)和逆變器配合工作于自控同步狀態(tài)，因而電機(jī)起動不會失步。無傳感器技術(shù)無法在電機(jī)靜止時從電機(jī)的電氣特性知道轉(zhuǎn)子的初始位置。只有電機(jī)起動到一定的轉(zhuǎn)速后，電機(jī)才能正常運行于無位置傳感器狀態(tài)下。因此，電機(jī)初始轉(zhuǎn)子位置檢測和起動問題是同步電機(jī)實現(xiàn)無位置傳感器運行的一大問題。2.3 研究安排l理論分析，算法選擇l進(jìn)行MATLAB仿真試驗 l設(shè)計硬件電路l編寫DSP程序l在硬件上進(jìn)行調(diào)試2.4 當(dāng)前工作l當(dāng)前的工作便是如何建立無位置傳感器的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并確定最佳的算法，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確預(yù)估和電機(jī)的矢量控制。3.1 無位置傳

5、感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2擬采取的研究方法及技術(shù)路線 l具體研究過程中將建立永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上深入分析永磁同步電機(jī)的內(nèi)部電磁約束關(guān)系，這些電磁約束關(guān)系對了解永磁同步電機(jī)的原理和研究高性能的控制決策提供了理論依據(jù)。建立適合閉環(huán)控制SVPWM逆變器仿真模型，使用該模型可以大大提高仿真速度，對閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行的仿真研究，驗證模型的正確性。通過仿真，可以深入理解空間電壓矢量的控制原理以及控制效果，同時也可加快實際系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試過程。 3.2.1卡爾曼最優(yōu)估計原理l 采用卡爾曼最優(yōu)估計原理，將其應(yīng)用到交流永磁同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)中，并能夠提出一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的永磁同步

6、電機(jī)(PMSM)無速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)的方法。結(jié)合卡爾曼濾波原理，通過在靜止坐標(biāo)系下對電機(jī)非線性方程進(jìn)行線性化，給出一種對永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速進(jìn)行實時在線最優(yōu)估計的方法。該方法具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)角跟蹤特性和較好的轉(zhuǎn)速跟蹤特性，同時系統(tǒng)要具有較強的抗負(fù)載擾動性能和較佳的控制性能。 l 無位置傳感器控制實質(zhì)上就是調(diào)速系統(tǒng)中由軟件算法遞推得到轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速來代替由外加傳感器實現(xiàn)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速測量部分，其他部分與常規(guī)的調(diào)速系統(tǒng)相同。電機(jī)端電壓和相電流經(jīng)過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化為靜止坐標(biāo)系下的電壓和電流量，輸入到EKF非線性系統(tǒng)的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法中得到轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，經(jīng)過轉(zhuǎn)速修正環(huán)節(jié)，把它送入PI控制器，輸出電機(jī)控

7、制電壓，經(jīng)過逆變器后加到電機(jī)上。l難點：模型復(fù)雜l 設(shè)計參數(shù)較多l(xiāng) 參數(shù)不易得到3.2.2基于估計坐標(biāo)系l基于估計坐標(biāo)系提出PMSM無位置傳感器矢量控制的一種新的狀態(tài)估計方法。能夠?qū)㈦姎夥€(wěn)態(tài)操作概念引入電機(jī)的狀態(tài)估計中，解決暫態(tài)過程中轉(zhuǎn)子速度、位置估計不精確的問題。在討論狀態(tài)估計算法對電機(jī)參數(shù)依賴性的基礎(chǔ)上，給出估計誤差補償算法。 3. 3啟動問題l針對無位置傳感器控制方法檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置問題，提出一種利用恒定的定子磁場將永磁轉(zhuǎn)子進(jìn)行初始定位，然后利用旋轉(zhuǎn)磁場鎖定轉(zhuǎn)子位置的新起動方法。 l 因此，啟動時通過適當(dāng)控制逆變器三橋臂的通斷狀態(tài)，可以將轉(zhuǎn)子初始位置鎖定在0度位置(轉(zhuǎn)子與定子A相重合)。初始定位后為了實現(xiàn)電機(jī)順利啟動，啟動過程程序只處理電流環(huán)(給定恒定的轉(zhuǎn)矩電流)，并產(chǎn)生一個低頻的旋轉(zhuǎn)磁場，由該磁場帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，再切換雙閉環(huán)控制、轉(zhuǎn)速估算，進(jìn)行正常的加速過程。旋轉(zhuǎn)磁場的頻率不能太高，具體值由實驗決定。3.4 硬件實現(xiàn)l在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計永磁同步電動機(jī)全數(shù)字控制硬件平臺，采用DSP28