永磁式同步電動(dòng)機(jī)無傳感器控制技術(shù)簡(jiǎn)述

永磁式同步電動(dòng)機(jī)無傳感器控制技術(shù)簡(jiǎn)述前言：pmsm矢量控制效法直流電機(jī)通過轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量解耦控制獲得了優(yōu)良動(dòng)靜態(tài)性能。打破了高性能電力傳動(dòng)領(lǐng)域直流調(diào)速系統(tǒng)一家獨(dú)大的局面，并逐步邁進(jìn)交流調(diào)速系統(tǒng)時(shí)代。pmsm因其高轉(zhuǎn)矩慣性比、高能量密度、高效率等固有特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航空航天、電動(dòng)車、工業(yè)伺服等領(lǐng)域。伴隨著高性能磁性材料、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，特別是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等高性能控制策略的提出，使得pmsm調(diào)速系統(tǒng)得以迅猛發(fā)展。pmsm矢量控制效法直流電機(jī)通過轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量解耦控制獲得了優(yōu)良動(dòng)靜態(tài)性能。打破了高性能電力傳動(dòng)領(lǐng)域直流調(diào)速系統(tǒng)一家獨(dú)大的局面，并逐步邁進(jìn)交流調(diào)速系統(tǒng)時(shí)代。高性能pmsm控制系統(tǒng)依賴于可靠的傳感器裝置和精確的檢測(cè)技術(shù)。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)多采用光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器等機(jī)械傳感器獲得轉(zhuǎn)子位置信息。但是機(jī)械傳感器安裝維護(hù)困難，不但增加了系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，而且影響了系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能，降低了系統(tǒng)魯棒性和可靠性。pmsm矢量控制系統(tǒng)性能往往受限于機(jī)械傳感器精度和響應(yīng)速度，而高精度、高分辨率的機(jī)械傳感器價(jià)格昂貴，不但提高了驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)成本，還限制了驅(qū)動(dòng)裝置在惡劣條件下的應(yīng)用。機(jī)械傳感器低成本、高精度、高可靠性的自身矛盾根本的解決方法就是去掉機(jī)械傳感器而采取無傳感器技術(shù)。因此，pmsm無傳感器控制技術(shù)的研究迅速成為熱點(diǎn)。pmsm國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外在20世紀(jì)70年代就開展無傳感器控制技術(shù)的研究工作。在其后的20多年里，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)交流電機(jī)的無傳感器運(yùn)行進(jìn)行了廣泛的研究并提出了很多方法。這些研究成果使得無傳感器控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠應(yīng)用于更多的工業(yè)領(lǐng)域中。pmsm無傳感器技術(shù)主要兩個(gè)發(fā)展階段：第一代采用無傳感器矢量控制技術(shù)的交流電動(dòng)機(jī)經(jīng)過近10年的研究和原型機(jī)試驗(yàn)已經(jīng)出現(xiàn)在市場(chǎng)上。第一代無傳感器電動(dòng)機(jī)的調(diào)速精度不高，可以正常工作的速度范圍也有限，在低速、零速時(shí)，機(jī)械特性很軟且誤差變得很大，無法進(jìn)行調(diào)速。第一代無傳感器技術(shù)還很不完善，因此限制了它的使用范圍?，F(xiàn)在正在研制的是第二代無傳感器技術(shù)，人們預(yù)計(jì)將能有更高的精度且在零速時(shí)也能進(jìn)行完全的轉(zhuǎn)矩控制，可與傳統(tǒng)的矢量控制技術(shù)相媲美。第二代無傳感器技術(shù)預(yù)期的應(yīng)用領(lǐng)域與第一代無傳感器技術(shù)基本相同，但有更好的動(dòng)態(tài)特性。pmsm無傳感器控制技術(shù)綜述pmsm無傳感器技術(shù)自榮獲國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注之后，研究進(jìn)展很快，已取得階段性成果，部分技術(shù)已實(shí)用化。從pmsm自身特點(diǎn)的深入挖掘到眾多現(xiàn)代控制理論的引用，pmsm無傳感器控制理論正不斷的推陳出新?，F(xiàn)對(duì)pmsm無傳感器控制主流理論綜述如下?；趐msm基本電磁關(guān)系估計(jì)方法pmsm基本控制思想是實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制，無論是控制電壓、電流或頻率其控制性能的優(yōu)劣最終還是取決于對(duì)磁場(chǎng)的控制好壞?；趐msm基本電磁關(guān)系的無傳感器技術(shù)著眼于pmsm定子磁鏈空間矢量方程、定子電壓矢量方程等，通過檢測(cè)電機(jī)電流、電壓估計(jì)所含轉(zhuǎn)子信息的物理量如磁鏈、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)。基于pmsm基本電磁關(guān)系的無傳感器方法有開環(huán)和閉環(huán)兩種方式。采用定子電壓矢量方程估計(jì)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而以反正切函數(shù)估算出轉(zhuǎn)子位置方法通常為開環(huán)形式。而采用定子磁鏈空間矢量方程首先用電壓矢量積分計(jì)算出定子磁鏈?zhǔn)噶?，然后通過快速迭代計(jì)算出等效同步電感，進(jìn)而估計(jì)出轉(zhuǎn)子位置信息的方法有開環(huán)和閉環(huán)兩種形式。其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小、簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。但是由于該方法是基于pmsm數(shù)學(xué)模型，雖然可以選取不同的數(shù)學(xué)模型，但無論采用什么數(shù)學(xué)模型，都涉及電機(jī)參數(shù)。電機(jī)參數(shù)如定子電阻隨溫度變化，電感隨電機(jī)負(fù)載和磁路飽和程度變化，均影響估計(jì)準(zhǔn)確性。因此，應(yīng)用該方法最好結(jié)合電機(jī)參數(shù)在線辨識(shí)。假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)法假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)法著眼于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下pmsm數(shù)學(xué)模型電壓方程，提出可控參考坐標(biāo)用于無傳感器控制，該坐標(biāo)稱為估計(jì)坐標(biāo)。它不是同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，而是定向于已知的估計(jì)位置，并且可按確定控制規(guī)律自行調(diào)整坐標(biāo)。具體為以檢測(cè)電壓、電流估算位置偏差，通過pll調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)位置偏差估計(jì)使得假轉(zhuǎn)子位置與實(shí)際轉(zhuǎn)子位置趨于一致。該方法保證其估計(jì)精度核心是準(zhǔn)確估計(jì)位置偏差，雖然數(shù)學(xué)模型是精確地，但估計(jì)精度仍然受電機(jī)參數(shù)變化影響，同時(shí)也受電流檢測(cè)精度影響，雖然采用了閉環(huán)控制，但依然沒有完全擺脫對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性。該方法本質(zhì)上也是基于反電動(dòng)勢(shì)的一種估計(jì)方法。因此，難以應(yīng)用于靜止和低速運(yùn)行的無傳感器控制中。盡管如此，該方法所構(gòu)成的控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，由于采用了pll調(diào)節(jié)器，提高了系統(tǒng)的估計(jì)精度和穩(wěn)定性，并能獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(mras)基本思想是將不含未知參數(shù)的方程作為參考模型，將含有估計(jì)參數(shù)的方程作為可調(diào)模型，兩模型不但具有相同輸入量，而且具有相同物理意義的輸出量。并同時(shí)工作，利用輸出量差值根據(jù)合適的自適應(yīng)規(guī)律，以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)估計(jì)參數(shù)，達(dá)到可調(diào)模型跟蹤參考模型的目的。根據(jù)參考模型與可調(diào)模型的不同選擇，可以構(gòu)造多種模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速辨識(shí)模型。最常用的方法基于反電勢(shì)的mras算法，其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)性完全取決于參考模型。但其缺點(diǎn)是在低速時(shí)，對(duì)定子電阻敏感，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速辨識(shí)不準(zhǔn)甚至發(fā)散，同樣無法解決低速問題?；谟^測(cè)器技術(shù)的位置辨識(shí)方法觀測(cè)器實(shí)質(zhì)是一種狀態(tài)重構(gòu)，即重新構(gòu)造一個(gè)系統(tǒng)，利用原系統(tǒng)中可直接測(cè)量的變量作為他的輸入信號(hào)，并使其重構(gòu)狀態(tài)在一定條件下等價(jià)于原系統(tǒng)狀態(tài)。等價(jià)的原則為兩者的誤差在動(dòng)態(tài)變化中能夠漸近穩(wěn)定地趨于零。這個(gè)用以實(shí)現(xiàn)重構(gòu)的系統(tǒng)稱為觀測(cè)器。觀測(cè)器按信號(hào)類型分為確定性觀測(cè)器和隨機(jī)性觀測(cè)器，按系統(tǒng)分為線性觀測(cè)器和非線性觀測(cè)器。觀測(cè)器基本結(jié)構(gòu)是由電機(jī)數(shù)學(xué)模型所構(gòu)成狀態(tài)估計(jì)方程加之以校正環(huán)節(jié)，兩者構(gòu)成閉環(huán)的狀態(tài)估計(jì)，即觀測(cè)器。電氣領(lǐng)域?qū)W者汲取世界眾多科學(xué)領(lǐng)域理論成果，結(jié)合各學(xué)科前沿思想創(chuàng)造性融入觀測(cè)器理論之中，形成諸多有價(jià)值不同控制思想的觀測(cè)器。在pmsm無傳感器技術(shù)中常采用自適應(yīng)全階觀測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器(ekf)和滑模觀測(cè)器(smo)。自適應(yīng)全階觀測(cè)器自適應(yīng)觀測(cè)器是融自適應(yīng)控制于觀測(cè)器理論的一種無傳感器技術(shù)?；舅枷胧菍⒆赃m應(yīng)控制引入觀測(cè)器結(jié)構(gòu)的校正環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制。pmsm自適應(yīng)全階觀測(cè)器首先以pmsm兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓方程構(gòu)建電流觀測(cè)器。然后以經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的pmsm數(shù)學(xué)模型作為參考模型。以構(gòu)建的電流觀測(cè)器為可調(diào)模型，用兩個(gè)模型輸出誤差驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)。在自適應(yīng)規(guī)律作用下，能夠不斷地修正待估參數(shù)，以使兩模型輸出誤差趨于零。自適應(yīng)觀測(cè)器不僅可以用來估計(jì)pmsm轉(zhuǎn)子位置和速度，而且是基于波波夫穩(wěn)定性理論辨識(shí)電機(jī)參數(shù)，減少了參數(shù)變化的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。擴(kuò)展卡爾曼濾波器卡爾曼濾波器同樣也觀測(cè)器的一種。是卡爾曼濾波思想在觀測(cè)器理論的應(yīng)用。擴(kuò)展卡爾曼濾波器同其他觀測(cè)器一樣，能夠跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)，其所不同的是它是非線性的、隨機(jī)的。ekf狀態(tài)估計(jì)分為兩大階段：預(yù)測(cè)階段和校正階段。在預(yù)測(cè)階段由上一次估計(jì)所得結(jié)果推算下一次估計(jì)的預(yù)測(cè)值。在校正階段為利用實(shí)際輸出和預(yù)測(cè)輸出偏差對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行反饋校正?？柭鼮V波實(shí)質(zhì)就是對(duì)預(yù)測(cè)值反饋校正。因此，不僅具有優(yōu)化和自適應(yīng)能力，而且可以更好地抑制測(cè)量噪聲和系統(tǒng)噪聲。但是ekf濾波器缺點(diǎn)在于系統(tǒng)測(cè)量噪聲和系統(tǒng)噪聲的未知，帶來的問題是難于采用確定的辦法選擇ekf濾波器中協(xié)方差矩陣。一般采用試湊法選擇協(xié)方差矩陣，而協(xié)方差矩陣關(guān)系到系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能及其穩(wěn)定性。因此，協(xié)方差矩陣的確定關(guān)乎系統(tǒng)穩(wěn)定與否顯得至關(guān)重要?；Ｓ^測(cè)器滑模觀測(cè)器是滑模變結(jié)構(gòu)控制在觀測(cè)器理論的一種應(yīng)用。其特點(diǎn)是性能完全由其滑模超平面決定，過渡過程不會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)本身參數(shù)變化及外部擾動(dòng)均具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性?；舅枷胧鞘紫雀鶕?jù)pmsm數(shù)學(xué)模型建立滑模電流觀測(cè)器，選擇滑模觀測(cè)器觀測(cè)電流與實(shí)際電流偏差為滑模超平面，該偏差經(jīng)砰砰控制，估算出含高次諧波的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)構(gòu)成系統(tǒng)閉環(huán)，含有高次的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)濾波后計(jì)算得出位置和轉(zhuǎn)速。估計(jì)變量中含有高次諧波是滑模觀測(cè)器的不足之處，這影響了高性能伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，盡管可以進(jìn)行濾波處理，但通常方式的濾波會(huì)引起相位偏差。如前所述卡爾曼濾波器可以考慮噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，可以將滑模觀測(cè)器與卡爾曼濾波有效結(jié)合，成分發(fā)揮卡爾曼濾波的長(zhǎng)處，構(gòu)成更加完善的觀測(cè)器?；趐msm電機(jī)特性估計(jì)方法pmsm無傳感器技術(shù)多數(shù)基于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)得以估計(jì)轉(zhuǎn)子位置。但當(dāng)轉(zhuǎn)速很低或零速時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)趨于零，轉(zhuǎn)子磁極位置難于精確估計(jì)，甚至無法估計(jì)。高頻信號(hào)注入法是基于pmsm電機(jī)特性一一凸極性以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極位置的觀測(cè)，具有很大優(yōu)勢(shì)，其主要方法有旋轉(zhuǎn)電壓矢量法和脈動(dòng)電壓矢量法。旋轉(zhuǎn)電壓矢量法旋轉(zhuǎn)電壓注入法是向插入式pmsm電機(jī)注入三相對(duì)稱的高頻正弦電壓信號(hào)，在電機(jī)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生幅值恒定而高速旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量，空間電壓矢量在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，受到轉(zhuǎn)子凸極周期性地調(diào)制，調(diào)制結(jié)果自然要反映在電流響應(yīng)上，定子高頻電流成為包含有轉(zhuǎn)子位置信息的載波電流，進(jìn)行解調(diào)處理后就可以從中提取出相關(guān)的轉(zhuǎn)子位置信息，以此構(gòu)成各種閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無傳感器的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制。是目前十分受關(guān)注的一種無傳感器控制方法。脈動(dòng)電壓矢量法脈動(dòng)電壓注入法是向永磁同步電機(jī)注入脈動(dòng)電壓矢量，脈動(dòng)電壓矢量與勵(lì)磁磁場(chǎng)疊加，這會(huì)改變勵(lì)磁磁路的飽和程度，使勵(lì)磁磁路具有凸極性，這種凸極特性對(duì)脈動(dòng)電壓矢量產(chǎn)生調(diào)制作用，這種調(diào)制作用隨著脈動(dòng)電壓偏離勵(lì)磁磁極軸線變化而變化，這種變化反映在高頻電流響應(yīng)中，因此在這個(gè)電流響應(yīng)中便會(huì)載有轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差的信息。兩者均利用電機(jī)的凸極特性調(diào)制，但是旋轉(zhuǎn)電壓注入法的凸極性是屬于結(jié)構(gòu)性凸極，即應(yīng)用于插入式pmsm。而脈動(dòng)電壓注入法凸極性主要是飽和性凸極，結(jié)構(gòu)性凸極對(duì)高頻電壓調(diào)制作用微弱。即可應(yīng)用于面裝式pmsm，而旋轉(zhuǎn)電壓注入法卻不能。兩種方法均適用于低速估計(jì)，也可用于初始位置估計(jì)，均利用pmsm的凸極性，而不依賴于電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)。脈動(dòng)電壓輸入法特點(diǎn)在于不依賴于電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，可以工作在全速域內(nèi)，甚至零速狀態(tài)下。基于人工智能理論的估算方法基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能理論估算轉(zhuǎn)子位置方法是以mras為大背景而提出，目的在于利用其模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單，穩(wěn)定，改善mras在低速區(qū)速度估計(jì)精度并提高其對(duì)電機(jī)參數(shù)敏感程度。隨著人工智能理論的不斷發(fā)展和完善，研究無傳感器技術(shù)應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取代pmsm電流模型轉(zhuǎn)子觀測(cè)器，并以誤差方向傳播算法取代比例積分自適應(yīng)進(jìn)行位置估計(jì)。網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出具有明確的物理意義。網(wǎng)絡(luò)權(quán)值為電機(jī)參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程就是速度和位置估計(jì)過程。極具理論意義，但其理論研究尚不成熟，硬件實(shí)現(xiàn)也有一定的困難。現(xiàn)智能控制理論如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊控制在電力傳動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用方面論文屢有發(fā)表，但實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化尚有一段距離。pmsm無傳感器控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)pmsm無傳感器控制是目前pmsm控制理論發(fā)展方向，其理論成果拓寬了pmsm應(yīng)用領(lǐng)域。pmsm無傳感器控制基本思想都是通過檢測(cè)電壓、電流引用相應(yīng)控制理論實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子信息的估計(jì)。但尚無一種pmsm無傳感器控制可實(shí)現(xiàn)pmsm系統(tǒng)全速運(yùn)行。一方面由于高頻信號(hào)注入法在零低速領(lǐng)域的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，使其有望成為pmsm系統(tǒng)全速運(yùn)行的一種方法，但是由于高頻信號(hào)注入法本身帶來的一些問題尚需更進(jìn)一步的研究，是眾多學(xué)者專攻的一個(gè)方向。另一方面人們基于觀測(cè)器分析方法引入現(xiàn)代控制理論如自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制以及非線性控制形成眾