基于状态观测器的永磁同步电动机超低速控制
极低速区永磁同步电机无速度传感器控制方法比较
3P2ψ
2 m
I
c
2Jωc
sin(ωct)
(3)
其中， ε 为转子位置误差，P 为电机极对数，
J 为转动惯量，ψ m 为永磁磁链。
由(3)式可以看出，q 轴反电势脉动包含转
子位置误差信息。因此，采取与高频信号注入
法类似的方法，可构造如下误差信号：
{ } Fε = LPF ecq (t) sin(ωct)
θ% r
其中，BSF 表示带阻滤波，滤除 cos(2ωht) 。
由(2)式可以看出，若 iθ%r 为零，则意味着
θ%r 为零。因此，可以通过控制误差信号 iθ%r 为
零，使得转子位置误差为零，从而获得准确的
转子位置，并进而获得准确的估计转速。
图 (1) 为 基 于 上 述 高 频 信 号 注 入 法 的
极低速区永磁同步电机无速度传感器控制方法比较
Comparison of Speed Sensorless Control Methods of PMSM at Very Low Speeds 清华大学电机系 吴姗姗 李永东
Email: wuss03@、liyd@
为避免上述高频信号注入法存在的问 题，文献[8]提出了一种基于低频信号注入的 方法。该方法仅利用永磁同步电机的基波模 型，不依赖电磁凸极，所以不受电机结构影 响，具有普遍的适用性。但该方法动态响应性 能有待提高。
本文在表面贴论分析、仿真及实验验证,比较了高、低 频信号注入法在极低速区的 SMPM 无速度传感 器控制性能，并得出一定结论。
(b)
图 7 空载，转速突变 75rpm->-75rpm->75rpm
图 7 为 SMPM 极低速空载运行时转速突 变的实验波形。从图中可以看出，实际转速和 估计转速均能跟随参考转速变化，稳态误差较 小。高频信号注入法的动态响应速度比低频信 号注入法稍快，但由于注入信号幅值较大，使 得稳态转速高频脉动较大。
《永磁同步电机全速度范围无位置传感器控制技术的研究与实现》范文
《永磁同步电机全速度范围无位置传感器控制技术的研究与实现》篇一一、引言永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）是一种重要的电动传动系统部件，因其具有高效率、高功率密度和良好的调速性能等优点，被广泛应用于工业、汽车、航空航天等领域。
然而，传统的PMSM控制系统通常需要使用位置传感器来获取电机的位置信息，这不仅增加了系统的复杂性和成本，还可能降低系统的可靠性和稳定性。
因此，无位置传感器控制技术成为了近年来研究的热点。
本文旨在研究并实现永磁同步电机全速度范围无位置传感器控制技术，以提高电机控制系统的性能和可靠性。
二、永磁同步电机基本原理永磁同步电机的基本原理是利用永磁体产生的磁场与定子电流产生的磁场相互作用，产生转矩，使电机转动。
PMSM的转子不需要外部供电，具有结构简单、运行可靠等优点。
然而，要实现电机的精确控制，必须准确获取电机的位置和速度信息。
传统的PMSM控制系统通过位置传感器来获取这些信息，但无位置传感器控制技术则通过电机内部的电气信号来估算电机的位置和速度。
三、无位置传感器控制技术无位置传感器控制技术主要通过电机内部的电气信号来估算电机的位置和速度。
常见的无位置传感器控制技术包括基于反电动势法、模型参考自适应法、滑模观测器法等。
本文采用基于反电动势法的无位置传感器控制技术，通过检测电机的反电动势来估算电机的位置和速度。
四、全速度范围无位置传感器控制策略为了实现永磁同步电机全速度范围的无位置传感器控制，需要采用合适的控制策略。
本文采用基于矢量控制的策略，通过实时调整电机的电压和电流来控制电机的位置和速度。
在低速阶段，采用初始位置估算和误差补偿技术来提高位置的估算精度；在高速阶段，则采用反电动势法来准确估算电机的位置和速度。
此外，还采用了自适应控制技术来应对电机参数变化和外部干扰的影响。
五、实验与结果分析为了验证本文所提出的无位置传感器控制技术的有效性，进行了实验验证。
基于模型参考自适应的永磁同步电机速度观测器中PI参数调节方法
基于模型参考自适应的永磁同步电机速度观测器中PI参数调节方法刘小俊;张广明;梅磊;王德明【摘要】永磁同步电机(PMSM)在有感控制方案中需安装编码器或霍尔传感器,增加了系统的设计成本,因此,研究PMSM的无感控制方案就显得有必要性.随着现代控制理论的发展,无传感器技术也日益发展.以磁场定向控制为控制策略,以模型参考自适应理论为基础,设计了一种速度观测器.侧重用现代控制理论知识分析了观测器的稳定性,并用传统控制理论知识分析了一种新的观测器中PI调节器参数整定方法.这种方法具有很强的适应性和移植性.最后,验证了这种方法的准确性和可行性.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2016(043)007【总页数】6页(P1-6)【关键词】永磁同步电机;无感控制;模型参考自适应系统;稳定性;参数整定【作者】刘小俊;张广明;梅磊;王德明【作者单位】南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京210009;南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京210009;南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京210009;南京工业大学电气工程与控制科学学院,江苏南京210009【正文语种】中文【中图分类】TM341近年来，随着电力电子技术的发展，交流伺服系统越来越受到人们的关注。
其中永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor， PMSM)具有体积小、效率高、功率密度高等特点，在交流伺服系统中占据着重要的地位，在高性能驱动系统中得到了广泛的应用[1-3]。
目前，PMSM的驱动通常使用磁场定向控制(Field Oriented Control， FOC)或者直接转矩控制(Direct Torque Control，DTC)。
但是，无论是针对哪种控制策略，都需要用到转速和转子位置角信息。
当然，这两个参数知道其中一个即可。
目前，对于这两个参数的获取有两种方案，即有传感器和无传感器。
永磁同步电机在低速下运行的研究
永磁同步电机在低速下运行的研究摘要:永磁同步电机一般在高速运转时，转速平稳，波动小，但在低速运行时会产生很大转矩波动，本文以电梯中使用的永磁同步电机为例，详细介绍和分析了无齿轮低速永磁同步电动机(以下简称PMSM) 产生转矩波动的原因和消除转矩波动的种种对策。
关键词:低速永磁同步电动机;电梯;纹波转矩;齿槽转矩电力电子技术、钕铁硼永磁材料,以及具有快速运算能力的信号处理器DSP 的发展,为永磁同步电动机带来新的契机。
现代电梯所用的低速无齿轮永磁同步电动机就是一种新的曳引技术。
转子上的位置传感器,实时给出转子位置信息,在专用变频器供电下,始终实时控制定子电流综合矢量在q 轴上,从而使PMSM获得与直流电动机一样优良的转矩特性。
为了获得准确的平层精度,电动机必须在极低的转速甚至接近零转速时,保持运转平稳,且振动小,噪声低。
低速平稳性是宽调速永磁同步电动机一个重要的技术指标,因此对电动机设计带来严格要求。
1.PMSM谐波转矩产生的原因本设计是针对现代高性能电梯开展的,因此对电梯的平层精度、对乘客的舒适感、对减小驱动电机的振动和噪声,尤其对低速甚至在接近零转速时驱动电机运转的平稳性均有高的要求。
为此,必须尽可能减小转矩的脉动。
为产生恒定转矩,PMSM的感应电动势和电流应为正弦波。
但在实际电动机中,永磁转子的励磁磁场或定子绕组的空间分布都不是理想的正弦波,此外给定子供电的变频装置,虽已采用了快速电流跟踪控制技术,尽可能跟踪正弦波,但定子电流还不免含有高次谐波。
因感应电势和定子电流波形畸变所产生的谐波转矩称为纹波转矩。
而因定子齿槽的存在引起的脉动转矩,称为齿槽转矩。
以下分析上述两种谐波转矩产生的原因并讨论减小谐波转矩的措施。
1. 1 纹波转矩产生的原因以下定量分析磁场定向控制PMSM的纹波转矩。
假定:(1) 磁路不饱和,忽略交轴电枢反应的影响;(2) 不考虑转子永磁钢和转子铁心的阻尼效应;(3) 定子绕组三相对称,连接型式为Y型无中线,定子电流中不含3 次和3 次倍数的谐波,定子电流中亦不含偶次谐波。
永磁同步电动机调速控制系统的设计
永磁同步电动机调速控制系统的设计引言一、控制系统结构设计1.速度控制回路速度控制回路中一般采用PID控制器进行控制。
PID控制器由比例、积分和微分三个控制参数组成。
根据实际的反馈信号和设定的目标转速进行比较，PID控制器输出控制信号，调节电机的输入电压，从而实现对电机转速的精确控制。
2.电流控制回路电流控制回路中一般采用电流矢量控制算法进行控制。
电流矢量控制是一种通过控制电机的相电流矢量方向和大小，实现对电机转矩的精确控制的方法。
在永磁同步电动机中，通常通过调节电机的电压和频率来控制电流。
二、电机参数辨识与模型建立在控制系统设计前，需要对永磁同步电动机的参数进行辨识。
参数辨识是通过对电机的测试实验数据进行分析和处理，得到电机的相关参数，如电感、电阻、转矩常数等。
通过辨识得到的电机参数，可以建立电机的数学模型，用于控制系统设计和仿真分析。
1.参数辨识方法参数辨识可以使用多种方法，如静态法、动态法和频率扫描法等。
静态法是通过给电机施加不同的电压和载荷，测量相应的电流和转矩，根据测量数据拟合得到电机的参数。
动态法是通过给电机施加特定的电压和频率，测量相应的响应数据，利用系统辨识的方法得到电机的参数。
频率扫描法是通过改变电机的频率，测量相应的电流和转矩，根据传递函数的理论计算得到电机的参数。
2.永磁同步电动机模型建立三、控制策略设计对于永磁同步电动机的调速控制系统，可以采用多种控制策略，如传统的PI控制、模糊控制和模型预测控制等。
1.PI控制PI控制是最常用的控制策略之一，通过调节比例和积分系数来实现对电机转速的控制。
PI控制简单可靠，但对于电机模型的误差和扰动比较敏感。
2.模糊控制模糊控制是一种基于经验和模糊推理的智能控制方法，通过建立模糊规则和模糊推理机制，实现对电机的转速控制。
模糊控制能够在不确定性和非线性环境中实现较好的控制效果。
3.模型预测控制模型预测控制是一种基于模型预测和优化求解的控制方法，通过建立电机的预测模型，并进行优化求解，实现对电机的转速控制。
基于状态观测器的永磁同步电动机超低速控制
… ‘
触 持电棚 ２１ 第ｏ ｏ 年 １期 １
ｔ … 一一 － ＿… － … － 一… ・ ～ … … 一 … … … … … … － … … … … … … … … … ． 二… … … … … … ． ＿… ． … … …
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基
基 于 状 态 观 测 器 的 永 磁 同 步 电 动 机 超 低 速 控 制
ｔ ｌｓｓｅ ｉ ｔ ｂ Ｓｍｕ ｉｋ ｗ ｓｃ ｎ ｔ ｃｅ ． ｉ ｌ ｎ ｕ ａ ｏ ｅ ｓ ｔ ｎ ｍｅ ｕ ｅ ｗ ｓ ｄ ｓｇ ｅ ｏ ｆｒｈ ｒｉ ｒ ｖ ｒ ｙ ｔｍ ｎ Ｍａｌ ／ ｉ ｌ ａ ｏ ｓｒ ｔｄ Ａｎ ｓｍｐ ｅ ａ ｇ ｌｒ ｃ ｍｐ ｎ ａｉ ａ ｒ ａ ｅ ｉｎ ｄ ｔ ｕ ｔｅ ｍｐ ｏ ｅ ｏ ａ ｎ ｕ ｏ ｓ
０引 言
永磁 同步 电动机 （ 以下 简称 Ｐ Ｓ 具 有结 构简 Ｍ Ｍ）
了一种进一步改善低速性能的角度补偿措施。 １平均 测 速 方 法 分 析
基 于增 量式 编码 器 的常用 平均测速 方法有 ：
单、 体积小、 功率密度高、 控制性能优越等诸多优点， 因此 被广 泛 应 用 于航 空 、 天 、 业 等¨ 高性 能 控 航 工
ＸＩ Ｈｏ ｇ－ ｐｕ， ＩＨｏ ｇ， Ｅ ｎ Ｌ ｎ ＺＨＥＮＧ ｌ ｙ ０
（ ｏｔｗ ｓ ｒ ｏ ｔ ｈ ｉ ｌ ｎｖｒ ｔ， ｉ ｎ７ ７ ， ｈｎ ） Ｎ ｒ ｅｔ ｎＰ ｌ ｅ ｎ ａ Ｕ ｉ ｓｙ Ｘ ０ ２ Ｃ ｉａ ｈ ｅ ｙｃ ｃ ｅｉ ａ １ ０
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｕ ｄ ｒｌｗ ｓ ｅ ｄ ｃ ｎ ｉ ｏ ｓ ａ ｓ ｎ ａ ｅ ｕ ｐ ｅ ｓｉ ｔ ｎ ｓ ｈ ｍｅｂ ｓ ｄ ｏ ｔｔ ｂ ｅ ｖ ｒｗ ｓｐ ｏ ｏ ｅ ｓｒ ｃ ： ｎ ｅ ｐ ｅ ｏ ｄ ｔ ｎ ， ｎ ｉ ｔ ｔ ｎ ｏ ｓｓ ｅ ｄ ｅ ｔ ｏ ｉ ｎ ａ ｍａｉ ｃ ｅ ａ ｅ ｎ ｓａｅ ｏ ｓ ｒｅ ａ ｒｐ ｓ ｄ ｏ
永磁同步电机超低速下的转速检测及控制
种基 于 Ｄ Ｐ的转速 测量 方 法流程 ，给 出 了实 验结果 ，验证 了理论 分析 的正确 性。 Ｓ
关 键词 ：永 磁 同步 电机 ；超低速 ；转速 检测 ；交流伺 服
Ｓ ｕ ｆＳｐｅ ｄ Ｄｅ ｅ ｔｏ ｎｄ ｎｔ ｏ ｅ ｈＯ ｔ ｄｙ ｏ ｅ ｔｃｉｎ ａ Ｃｏ ｒ ｌＭ ｔ ｄ ＯｆＰＭ ＳＭ Ｕｎｄｅ ｔ ａ １ ｒ Ｕｌｒ －ｏＷ ｐｅ ｄ Ｓ ｅ
万 山明，吴 芳 ，黄 声华
（ 中科技 大学 电气 学院 ，武汉 华 ４０７ ） ３０ ４
摘
要 ：研 究 了永磁 同步 电机 的转速检 测 ，证 明 了在 极 低速 下无 论 是 Ｔ法还 是 Ｍ／ Ｔ法都 会 因为
采样 延 时过大 而影 响 系统 的性能 ，指 出 Ｍ 法 测速 不 仅 适合 于高 速 段 ，而且 也适 合 于低 速 段 转速 的测 量 ，可 以保 证永 磁 同步 电机低 速 运 行 性 能 。指 出 了锁 相 环 技 术和 Ｍ 法 之 间的异 同。介 绍 了
交流伺服系统已取代 了直流伺服系统 ，在数控机
床 、航 空 航 天等 领 域 得 到 了广 泛 应 用 。 在 这 些 应 用场 合 ，调速 比一般 都 在 １ ０ ０甚 至 １ ０ ０ ：５０ ：１０ ０ 以上 ，经 常需 要 电机 平 稳 运 行 在 低 速 甚 至 超 低 速 下而 不 出 现抖 动 、爬 行 等 现 象 。 因此 研 究 电机 在
要 意 义 。永 磁 同步 电 机 的 磁 场 定 向控 制 需 要 检 测 电机转 子 的位 置 ，因 此一 般 采 用 在 电机 轴 上 安 装 位 置 传 感 器 ，而 通 过 位 置 的 微 分 获 取 转 速 的 方 式 。综 合 来 看 ，高 性 能 速 度 计 算 的 研 究 基 于 两 类 方 法 ：一 种 是 直 接 微 分 和 跟 踪 滤 波 ，另 一 种
A High-Speed Sliding-Mode Observer for the Sensorless Speed Control of a PMSM
4069
A High-Speed Sliding-Mode Observer for the Sensorless Speed Control of a PMSM
detected by a resolver or by an absolute encoder. However, these sensors are expensive and very sensitive to environmental constraints such as vibration and temperature [2]. To overcome these problems, instead of using position sensors, a sensorless control method has been developed for control of the motor using the estimated values of the position and velocity of the rotor [3]–[12]. In a conventional sliding-mode observer (SMO), a low-pass filter and an additional position compensation of the rotor are used to reduce the chattering problem commonly found in SMOs using a signum function. Currently, a sigmoid function is used for the SMO as a switching function. The observer has fast responses and has a robustness inherent in the design parameters [13], [14]. In this observer, the chattering, which happens at the observer using the signum function, has been reduced significantly [15]. The stator resistance needs to be estimated by the Lypunov function intermediate equations so as to prove the stability of the observer. The stator resistance changes during motor operation, which deteriorates the control performance, unless it is compensated for in real time [8]. The cascade control method has been proposed for the achievement of an accurate tracking performance [16], and high-gain observers have been designed to estimate the states under a scalar disturbance [17]. A hybrid terminal SMO design method is proposed to achieve sensorless drive for a PMSM [18], and a tuning method is proposed in order to obtain high-speed and high-accuracy positioning systems [19]. The general schemes of sliding-mode control have been well surveyed recently [20]. Most of the observer designs focus on the fast response and high tracking accuracy. For the fast response, the use of a sigmoid function in a boundary layer is popular. However, the observer error cannot be guaranteed to converge to zero within the boundary layer [18], [21], [22], [24]. This paper proposes a new sensorless control algorithm for a PMSM based on the new SMO which uses a sigmoid function as a switching function with variable boundary layers. Using this SMO, the position and velocity of the rotor can be calculated from the estimated back EMF [25]. Also, to overcome the sensitivity of the parameter variations in the sensorless control and to improve the steady-state performance, the stator resistance is estimated using an adaptive control scheme. The superiority of the proposed algorithm has been proved by comparison with the conventional SMO through real experiments. This paper consists of five sections, including the introduction. Section II introduces the conventional SMO, and Section III proposes the new SMO. Section IV illustrates the experimental
一种基于状态观测器的PMSM速度观测算法
一种基于状态观测器的PMSM速度观测算法一种基于状态观测器的永磁同步电机（PMSM）速度观测算法可以通过使用状态观测器来估计电机的转速。
这种算法可以使用电机的电压和电流作为输入，并通过观测电机的状态变量（例如电流、角度和速度）来推断电机的转速，从而实现无传感器的速度观测。
下面是一种基于状态观测器的PMSM速度观测算法的详细步骤：
1.建立PMSM的数学模型，包括动态和状态空间方程。
这可以通过使用电机的电压和电流以及转子磁链方程来实现。
2.设计一个状态观测器，用于估计电机的状态变量。
可以使用扩展卡尔曼滤波器（EKF）或无迹卡尔曼滤波器（UKF）等滤波器来实现。
3.根据电机的电压和电流测量值，使用观测器来更新状态变量的估计值。
观测器可以使用电机模型和测量值之间的差距来计算状态变量的估计值。
4.使用观测器估计的状态变量，计算电机的输出速度。
这可以通过根据估计的状态变量使用电机的状态空间方程来实现。
5.通过与实际测量的电机速度进行比较，评估观测器的性能，并进行调整。
可以使用观测器的输出和实际测量值之间的误差来计算观测器的性能指标，例如均方根误差（RMSE）。
该观测算法的优点包括无需额外传感器、成本低廉和较高的可靠性。
然而，它也存在一些缺点，例如在低速和高负载情况下的性能下降，对电机参数变化的敏感性等。
在实际应用过程中，可以通过调整观测器的参数来提高性能，并且还
可以结合其他方法来进一步改进速度观测的精度和稳定性。
总体而言，基
于状态观测器的PMSM速度观测算法是一种简单有效的无传感器解决方案，可用于许多应用领域，例如电动汽车、机器人和工业自动化等。
基于扩张状态观测器的永磁同步电机二自由度PI控制
基于扩张状态观测器的永磁同步电机二自由度PI控制张海洋，李继方，熊军华，尹俊，李雪(华北水利水电大学电力学院，河南郑州450045)摘要：针对永磁同步电机(PMSM)系统速度环采用传统的PI控制时，无法兼顾转速超调量与响应快速 性要求的问题，提岀采用二自由度(2-D0F)PI控制策略设计速度环控制器。
同时，为减小负载转矩、电机参数化等扰动的影响，将其作为动,利用扩张状态观测器(ES0)进行观测,并观测值进行前o，采用的2-D0FPI控制，转速的超调量，提转速的性能和系统的动性能。
采用ES0的2-D0F PI控制，进一步提系统的动性能，同时转速的快速响应和无超调控制。
所提控制策略的性性得到。
关键词：永磁同步电机;转速超调；抗扰动;二自由度PI控制；扩张状态观测器;前馈补偿中图分类号：TM351文献标志码：A文章编号：1673-6540(2021)05-0040-06doi：10.12177/e=ca.2021.015Control Strategy for Permanent Magnet Synchronous Motor with2-DOF PI Control Based on ESOZHANG Haiyang，LI J'ang，XIONG Junhua，YINJun，LI Xue (School of Electric Power，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou450045，China)Abstract:When the traditional PI speed control sCategy is adopted fos permanenr rnagnet synchronouo motos (PMSM)，the requirements of small overshoot and quick responso cannot be balanced at the same time.In ordes to solve this problem，a control siategy based on two deyees of freedom(2-D0F)PI control is presented.In addvion，the load torque changes，motor paometeio veriation and otheo disturbance factoio are egaOed as totai disturbance of the system.A disturbancc observeo based on extended stato observeo(ES0)is designed to observe the totai disturbancc.The observed value is used O s feed-forward compensation.Simulation resulto show that the speed overshoot can be reduced，the speed tracking peeormancc and the system capacity of anti-load disturbancc can be irnpoved by the proposed2-D0F PI control method.It is alse demonstrated that the capacity of anti-load disturbancc can be fuither irnproved by the proposed control stategy of2-D0F PI control based on ES0.The system als。
一种基于状态观测器的pmsm速度观测算法
2.1 数学模型的前提条件 本文以表贴式的PMSM作为研究对象，由于在工程
使用过程当中，PMSM有非线性、约束条件多的特点， 所以为了便于分析和研究，在对PMSM基本数学模型进 行建立的时候需要做一定的假设：
1）不计铁芯以及磁路的饱和程度； 2）忽略电机中电枢铁芯的涡流损耗； 3）通入空间相隔120电角度的对称三相电。 2.2 PMSM数学模型
Fund Projects Showing 设计应用 测试测量
一种基于状态观测器的PMSM速度观测算法
A PMSM speed observation method based on state observer
王远洋 王 卫 （湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412008）
摘 要：为了改善低线数码盘的测速精度及码盘固有的相位滞后问题，提出了一种基于状态观测器的速度观测 算法。该算法以电机转矩电流和机械角度作为输入量，根据电机的数学模型和机械特征方程，构建速度观测 器，来实现对永磁同步电机速度的精确控制。仿真及实验结果表明：该方法与码盘M法测速相比，测得的速度 更加精确，并且超调量小，响应快，能起到相位补偿的作用，解决了码盘固有的相位滞后问题，同时，在负载 发生变化时系统仍然能保持很好的稳定性和控制精度。 关键词：永磁同步电机；码盘；速度观测器；状态观测器；M法测速
PMSM的电机的转矩和运动学方程为：
Te −= Tl
Jm
dωr dt
+
M ωr
（2）
dθr dt
= ωr
（3）
= Te 1.5pn (ϕ f iq + (Ld − Lq )i= diq ) 1.5 pnϕ= f iq ktiq （4）
基于无功功率观测器的永磁同步电机矢量控制
中图 分 类 号 ： Ｔ Ｍ ３ ０ １ ． ２ ： Ｔ Ｍ ３ ５ １ 文献标志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１ ６ ７ ３ － ６ ５ ４ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ － ０ ０ ２ ４ － ０ ３
Ｖｅ ｃ ｔ ｏ ｒ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｐ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｅ ｎ ｔ Ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ Ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ Ｍｏ ｔ ｏ ｒ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｒｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｐ ｏ ｗｅ ｒ Ｏｂ ｓ ｅ ｒ ｖ ｅ ｒ ｍΒιβλιοθήκη ｔ ｏ ｒ ｃ ｏｎｔ ｒ ｏｌ
０ 引 言
在 同步 电机 矢 量 控 制 中 ， 通 常采 取 两 类 控 制 策略 ： 一类 是 转 子磁 场 定 位 （ Ｆ Ｏ Ｃ） ； 另 一 类 是 定 子磁链 跟踪 。在 转 子 磁 场 定 位控 制 方 式 中 ， 需 要
在 定子 磁链 跟 踪控 制 方 式 中 ， 同样 存 在受 电 机 电阻参数 影 响 大 的 问题 ， 所 以很 多研 究 都 是针 对 参数 自适应 方 面 的 ， 以弥补 这一 弱点 。 同时 ， 在
基于自适应扩展卡尔曼滤波器的永磁同步电机超低速控制
基于自适应扩展卡尔曼滤波器的永磁同步电机超低速控制丁信忠;张承瑞;李虎修;于乐华;胡天亮【摘要】In order to realize the high performance speed control under ultra-low conditions with a low-resolution encoder, an online state estimation technique of servo system for instantaneous speed, position and disturbance load torque in a random noisy environment was presented. In the proposed algorithm, an optimal state estimator based on the extended Kalman filter was built. Meanwhile, the model reference adaptive system was incorporated to identify the variations of inertia moment real-timely, and the identified inertia was used to adapt the EKF for accurate, instantaneous and stable estimations. The simulation and experimental results showed a precise speed control over the low range of speeds and the proposed system was robust to modeling error and system noise.%在使用低精度编码器的条件下,为获得永磁同步电机良好超低速控制性能,提出了一种适用于宽转速、高噪声环境下,获得伺服驱动系统瞬时转速、角位移和等效负载转矩的在线估计方法.通过构建基于扩展卡尔曼滤波器的最优状态估计器,在线辨识系统转动惯量及迭代更新估计器系数矩阵,实现了准确、实时和稳定的状态估计.仿真和试验结果表明,该算法可获得良好的低速控制性能,并对环境噪声和系统建模误差具有良好的鲁棒性.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2012(039)009【总页数】6页(P24-29)【关键词】超低速控制;扩展卡尔曼滤波器;状态估计;模型参考自适应系统;参数辨识【作者】丁信忠;张承瑞;李虎修;于乐华;胡天亮【作者单位】山东大学机械工程学院,山东济南250061;山东大学机械工程学院,山东济南250061;山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室,山东济南250061;山东大学机械工程学院,山东济南250061;山东大学控制科学与工程学院,山东济南250061;山东大学机械工程学院,山东济南250061;山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室,山东济南250061【正文语种】中文【中图分类】TM3510 引言永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)精确的速度及位置反馈是实现高性能低速控制的重要保证。
基于磁链观测的永磁同步电机无位置传感器控制
基于磁链观测的永磁同步电机无位置传感器控制摘要：本文从同步旋转坐标系的电机模型出发，推导了永磁同步电机定子磁链计算方法，应用一种速度自适应积分器，从理论上消除了积分器的直流偏置和初始相位问题。
搭建了基于磁链观测器的无位置传感器控制系统模型，分别对磁链观测器的磁链观测、速度和转子位置估算、动态和负载突变过程进行仿真分析，验证了该磁链观测器算法的可行性。
搭建了基于RT-LAB的控制系统实验平台，分别对启动过程、磁链观测以及速度和位置估算进行了实验验证，验证了磁链观测算法的正确性。
仿真和实验结果表明：该磁链观测器能够快速、准确地跟随电机转子的位置和速度，系统响应快、鲁棒性强。
关键字：永磁同步电机；磁链观测器；无位置传感器；RT-LAB引言永磁同步电机因其具备高效率、高精度、结构简单、转动惯量低等特点，近年来在电动汽车、航空航天、工业自动控制领域获得了广泛应用。
但是，电机机械传感器限制了永磁同步电机在高性能场合的应用，因此永磁同步电机无位置传感器控制技术成为研究重点。
电机无位置传感器控制系统是指利用电机绕组中的相关电信号，结合永磁同步电机数学模型，应用合适算法来估算转子的位置和转速，从而代替机械传感器来实现电机的控制。
本文应用磁链观测器来估算PMSM速度和转子位置，同时采用速度自适应环节来补偿纯积分环节的直流漂移和相位延迟，给出了基于磁链观测器的PMSM无位置传感器矢量控制系统，分别对磁链观测器的磁链观测、速度和转子位置估算、动态和负载突变过程进行仿真分析，验证了该磁链观测器的可行性；搭建基于RT-LAB的PMSM无位置传感器控制系统的平台，分别对启动、磁链观测、位置和转子速度估算进行了实验研究，验证了该磁链观测器的正确性。
1永磁同步电机磁链观测器1.1磁链观测器在同步旋转dq0坐标系下，PMSM数学模型的电压表达式为：1.2转子位置估算误差的补偿为了解决纯积分环节引入的问题，常用的方法是用一阶低通滤波器来替换纯积分环节。
永磁同步电机控制系统的
03
永磁同步电机控制策略
Chapter
矢量控制策略
总结词
矢量控制是一种广泛应用于永磁同步电机控制的高 效控制策略，通过将电流分解为两个正交分量，实 现转矩和磁通的控制。
详细描述
矢量控制的核心思想是将三相电流分解为两个正交 分量，即直轴电流和交轴电流。通过控制这两个分 量，可以独立控制电机的转矩和磁通，从而实现高 性能的电机控制。
02
永磁同步电机控制系统
Chapter
永磁同步电机控制系统的组成
01
控制器
用于发出控制指令， 以控制电机的转速和 扭矩。
02
驱动器
将控制器发出的指令 转化为电机的实际运 转。
03
传感器
检测电机的转速、位 置和电流等参数，反 馈给控制器。
04
电源
为整个系统提供电力 。
永磁同步电机控制系统的原理
通过控制器控制驱动器，使电机按照预设的转速和扭矩运 转。
发展
随着电力电子技术、微处理器技术和控制理论的发展，永磁 同步电机的性能不断提高，应用领域也不断扩大。
永磁同步电机的基本结构
01
02
03
定子
定子是电机的固定部分， 主要由铁心、绕组和机壳 组成。
转子
转子是电机的旋转部分， 主要由永磁体、导磁体和 转轴组成。
控制器
控制器是电机的控制系统 ，主要由电力电子器件、 微处理器和传感器组成。
Chapter
永磁同步电机控制系统的发展趋势与展望
要点一
总结词
要点二
详细描述
永磁同步电机控制系统在新能源领域具有广泛的应用 前景。
基于滑模变结构的表面式永磁同步电机速度与位置控制
基于滑模变结构的表面式永磁同步电机速度与位置控制一、本文概述本文旨在探讨基于滑模变结构的表面式永磁同步电机（Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM）速度与位置控制的研究。
滑模变结构控制作为一种先进的非线性控制方法，具有快速响应、强鲁棒性和易于实现等优点，在电机控制领域得到了广泛应用。
SPMSM作为一种高性能的电机类型，具有高功率密度、高效率和优良的动态性能，因此在工业自动化、电动车辆和航空航天等领域具有广泛的应用前景。
本文将详细介绍基于滑模变结构的SPMSM速度与位置控制策略，包括滑模变结构控制的基本原理、SPMSM的数学模型、滑模控制器的设计以及实验验证等方面。
通过理论分析和实验研究，本文旨在揭示滑模变结构控制在SPMSM速度与位置控制中的有效性，并为其在实际应用中的推广提供理论依据和技术支持。
本文还将对滑模变结构控制在实际应用中可能遇到的问题和挑战进行探讨，以期为未来相关研究提供参考和借鉴。
二、滑模变结构控制理论基础滑模变结构控制（Sliding Mode Variable Structure Control，简称SMVSC）是一种非线性控制方法，具有对系统参数摄动和外部干扰不敏感的特性，因此在电机控制领域得到了广泛应用。
SMVSC的核心思想是通过设计合适的滑模面和控制律，使系统状态在滑模面上做滑动运动，从而实现对系统的高性能控制。
对于表面式永磁同步电机（Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor，简称SPMSM）的速度与位置控制，滑模变结构控制能够有效地处理系统中的不确定性和非线性因素，提高系统的鲁棒性。
在SPMSM的控制中，滑模面通常设计为电机速度和位置的函数，通过调整控制律使得系统状态在滑模面上滑动，从而实现速度和位置的精确控制。
鲁棒性强：滑模变结构控制对系统参数摄动和外部干扰具有很强的抑制能力，因此在实际应用中能够保持良好的控制性能。
永磁同步电机的调速控制研究与探讨
永磁同步电机的调速控制研究与探讨摘要:永磁同步电机相对于其它电机而言有着优异的性能，能够在石油、煤矿、大型工程机械等比较恶劣的工作环境下运行,这不仅加速了永磁同步电机取代其它电机的速度，同时也为永磁同步电机的发展提供了广阔的空间。
目前，永磁同步电机（PMSM）以其高功率密度、高性价比等独特优点受到国内外的普遍重视，因此，对永磁同步电机的调速控制研究具有非常重要的意义。
论文首先介绍了永磁同步电机的各种控制策略，接着分析了永磁同步电机的结构及其特点。
然后从矢量控制理论出发，重点分析了永磁同步电机的数学模型，并在此基础上，探讨了空间电压矢量控制方法。
关键词：调速控制系统;空间矢量控制;永磁同步电机1永磁同步电机的结构及其特点1.1永磁同步电机概述永磁同步电机的转子采用高性能的稀土永磁材料，使得电机尺寸减小；由于发热主体在定子侧，散热也比较容易；同时，其结构简单、效率和功率因素高及输出转矩大等特点，这些优点使得永磁同步交流伺服系统已成为现代伺服系统的主流，在很多驱动领域己经取代直流电机。
1.2永磁同步电机的结构永磁同步电机是用装有永磁体的转子取代绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷以电子换向器，实现无刷运行。
PMSM 的定子与绕线式同步电动机基本相同，要求输入定子的电流仍然是三相正弦的，所以称为三相永磁同步电机。
永磁同步电机的定子是电枢绕组，转子是永磁体。
就整体结构而言，永磁同步电机可以分为内转子和外转子式；就磁场方向来说，有径向和轴向磁场之分；就定子的结构而论，有分布绕组和集中绕组以及定子有槽和无槽的区别。
1.3永磁同步电机的特点虽然永磁同步电动机转子结构差别较大，但由于永磁材料的使用，永磁同步电机具有如下共同的特点：（1）、体积小、质量轻。
（2）、功率因数高、效率高，节约能源。
（3）、磁通密度高、动态响应快。
（4）、可靠性高。
（5）、具有严格的转速同步性和比较宽的调速范围。
基于降阶观测器的永磁直流电机低速控制
基于降阶观测器的永磁直流电机低速控制姚伟星;窦爱玉;朱明祥;黄玮【摘要】针对永磁直流电机低速运行存在齿槽转矩扰动的问题,设计了一种基于降阶观测器和复合非线性控制器的永磁直流电机低速控制方案.考虑到齿槽转矩是一个快速的时变干扰并具有周期性特点,故针对其建立了一个非线性变参数高阶模型.基于非线性变参数高阶模型,设计了一个降阶观测器来估计齿槽转矩,并分析了观测器的鲁棒性.应用复合非线性方法设计了转速控制器,以获取较优的控制性能.最后,进行了永磁直流电机低速运行试验,试验结果验证了新型控制具有较高的控制精度.%Aiming at the problem of cogging torque disturbance in low speed operation of permanent magnet DC torque motor,a low speed control scheme of permanent magnet DC torque motor based on reduced order observer and nonlinear complex controller was designed. Considering that the cogging torque is a fast time-varying interference and has periodic characteristics,a high-order model of nonlinear variable parameters was established. Based on the high order model of nonlinear variable parameters,a reduced order observer was designed to estimate the cogging torque and the robustness of the observer was analyzed. Then,a nonlinear complex controller was designed to control the speed to obtain a better control performance. Finally,the low-speed operation test of permanent magnet DC torque motor was carried out. The experimental results verify that the new control has high control precision.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2017(047)012【总页数】7页(P17-23)【关键词】永磁直流电机;降阶观测器;周期谐波;齿槽转矩;低速【作者】姚伟星;窦爱玉;朱明祥;黄玮【作者单位】南京师范大学泰州学院电力工程学院,江苏泰州225300;南京师范大学泰州学院电力工程学院,江苏泰州225300;南京师范大学泰州学院电力工程学院,江苏泰州225300;国网江苏泰州供电公司运营计量部,江苏泰州,225300【正文语种】中文【中图分类】TM383永磁直流电机（PMDC）被广泛应用于各种自动伺服控制领域［1-3］。
基于瞬时速度估计算法的PMSM控制研究
C = [1 0 0]
上述式子中 A，B 和 C 是连续时间系 统的系统矩阵，ωm ，θ m ，τ d ，τ e ，Bm 和 J m 分别代表电机角速度，电机角位移，等效 扰动转矩，转矩控制输入的参考值，转动 惯量以及粘滞摩擦系数。当采用基于转子 磁通磁场定向控制时，通过控制 q 轴定子 电流，可以获得瞬时电磁转矩：
算方法。其中，采用降阶扰动转矩观测器 的瞬时速度估算方法具有结构简单和易 于应用的优点[3,4]，但是由于实际应用场 合中系统噪声和震荡的存在，使得观测器 和控制器增益难以提高。近来，基于卡尔 曼滤波器的全阶速度状态观测算法已被 提出[5,6]，但是这种方案由于运算量大， 实现起来较困难。 为了解决伺服系统低速运行状态的 速度检测问题，本文提出了一种采用全阶 状态观测器的瞬时速度估计算法。并且， 由于实际系统中转动惯量未知或变化产 生的影响会降低速度控制器的性能，采用 了基于递归广义最小二乘算法的转动惯 量辨识。通过实验验证了该方法的有效 性， 实验采用的是 750W 的永磁同步电机， 运用 TMS320LF2407 DSP 来实现全阶速
ωm ( z ) = (1-z -1 ) Z
1 τ e ( s) −τ d ( s) s Bm + J m s
g3
1 s 图 2 全阶状态观测器的方框图
τˆd
=
c1 τ e ( z ) − τ d ( z ) z − c2
(15)
该方程可以表示为： g J + Bm 2 g 2 J m + g1 Bm g s3 + 1 m s + s − 3 = 0（12) Jm Jm Jm
1. 引言
由于永磁同步电机具有较高的功率 密度、转矩惯量比和效率，已经在交流伺 服系统得到了广泛的应用。目前，增量式 编码器具有较高的性价比，已成为伺服系 统中最受欢迎的速度和位置传感器。这种 编码器是通过计算单位时间内所检测到 的脉冲数来计算转速[1,2]，这种方法检测 计算到的是平均转速，因此具有一定的检 测死区时间。特别是在低速工作场合中， 当所检测到脉冲信号的宽度要大于速度 环的控制周期时，速度检测死区时间经常 会使控制器变得不稳定。 为了改善由于这种检测死区时间所 引起的系统性能变差的状况，一些学者提 出了许多基于观测器理论的瞬时速度估
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幼驱动笋螋矿
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加１１年第ｌｏ期
ｐ。）；则在第Ⅳ３个脉冲与第Ⅳ４个脉冲之间的每个运
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ｍｉｎ时，无论采用Ｍ法还是Ｔ法测速，电机调速性能
算周期内角度增加为△ｐ＝旦（ｐ为编码器的分辨
ｐ３
都变得很差。从图９可以看出，当采用状态观测器 法测速时，ＰＭｓＭ在５０ ｒ／ｍｉｎ有较好的调速性能，其
稳态误差小于０．２
Ｏ引
言
永磁同步电动机（以下简称ＰＭｓＭ）具有结构简
了一种进一步改善低速性能的角度补偿措施。
ｌ平均测速方法分析
基于增量式编码器的常用平均测速方法有： （１）Ｍ法‘４１。即记取一个采样周期内旋转编 码器发出的脉冲个数来计算出转速的方法。其误差 率最大值艿一：
６０Ｍｌ
单、体积小、功率密度高、控制性能优越等诸多优点， 因此被广泛应用于航空、航天、工业等…高性能控 制领域。为了实现永磁同步电动机控制系统的高精 度、高动态性能控制，闭环控制系统检测到的转子位 置和转速必须是实时和精确的。目前，普遍采用增 量式光电编码器来检测转子位置，然后通过对位置 的微分得到转子转速旧Ｊ。受转子位置测量精度和 量化误差的影响，直接微分得到的转速值往往有较 大的误差并且包含大量的微分噪声，所以，常常还需 要使用低通滤波器来滤除这些噪声，但是这样又造
一
收稿日期：２０ｌｌ一０３一１５
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可表示：
根据式（４）设计全维状态观测器，其动态方程
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式中：Ｌ＝［Ｚｌ
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影响的问题，本文提出了一种简单易行且不用增加 任何硬件的补偿方法，仿真结果表明该方法能明显 改善ＰＭｓＭ的超低速性能。
参考文献
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社．１９９７． ［２］
尉ｃｋｌｌｌ Ｈ，Ｋｗａｎ曲∞Ｎ．Ａ ｄｉｓｔｕｆｈａｎｃｅ
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Ｓｔａｔｅ Ｏｂ鸵ｒｖｅｒ
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Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ
Ｐｅ珊ａ耻ｎｔ Ｍａ印ｅｔ Ｓｙ眦ｈｒｏｎｏ憾Ｍｏｔｌ叫Ｂ蛾ｄ ｏｎ
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（Ｎｏｒｄｌｗｅｓｔｅｍ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓ崎，Ｘｉ，肌７１００７２，Ｃｈｉｎａ）
（ａ）采用Ｍ法测速曲线
（ｂ）采用Ｔ法测速曲线
对在超低转速下输入状态观测器中的转子位置信息 得不到及时的更新而使观测器的输出值的精度受到
基于状态观测器的永磁同步电动机超低速控制—■
万方数据
图８
５０
ｒ／ｎＩｉｎ时的转速曲线图
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检测法。采用ＭａｔｋＩｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ搭建了控制系统的仿真模型；为了迸一步改进超低速性能，设计了一种简单易行的角 度补偿措施；仿真结果表明，采用基于状态观测器的转子瞬时转速检测法能有效改善永磁同步电动机在超低转速 下的调速性能。 关键词：永磁同步电动机；低速；状态观测器；增量式编码器 中图分类号：ＴＭ３４ｌ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０咐一７０１８（加１１）ｌＯ一∞鹌一¨
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下得不到及时的更新；同时转速也随着编码器位置
图６角度补偿的两种情况示意图
４仿真模型的建立及结果分析
采用Ｍａｄａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ搭建了控制系统的仿真
模型，如图７所示，ＰＭＳＭ采用空间矢量脉宽调制
脉冲的周期而发生周期性变化。图ｌＯｃ与图１０ｄ为
采用角度补偿措施后的转子转速和位置曲线图，转 速给定为ｌ一３ ｒ／ＩＩｌｉｎ，可以看出估计的转子位置和
当电机在超低转速下运行时，由于光电编码器 的精度有限，输人状态观测器中的转子位置信息必 然得不到及时的更新，此时观测器的输出值的精度
会受到影响。
为了解决上述问题，本文提出了一种基于转子
位置的补偿方法，即通过以前的转子转速信息预测 （３） …７
现在的转子位置［７］。设系统转子位置信息运算周 期为丁，在第Ⅳ。个脉冲与第Ⅳ２个脉冲的时间间隔 为ｆ，，第Ⅳ２个脉冲与第Ⅳ３个脉冲的时间间隔为ｔ：，
ｒ／ｍｉｎ。
率）；在第Ⅳ４个脉冲到来之前，若角度值达到了第 Ⅳ４个脉冲表示的角度，则输入观测器中的角度值保 持不变，直到第Ⅳ４个脉冲到来，如图６ａ所示；若第 Ⅳ４个脉冲到来时，角度值仍未增加到第Ⅳ４个脉冲 表示的角度，则输入观测器中的角度值为第Ⅳ４个脉 冲表示的角度，如图６ｂ所示。依次递推，直到在一 个运算周期内检测到的脉冲数大于ｌ。采用此方法 简单易行且不必增加任何硬件。
压稳定。图１２为电网电压维持３ ｓ跌落８０％时采
注入电网的能量，有利于低电压穿越运行； （４）电网电压跌落时，采用桨距角控制，实现机 侧和网侧的功率平衡，有利于永磁直驱风电系统低
电压穿越。 参考文献
［１］中国风能信息中心．国家电网公司风电场接入电网技术规定 ［Ｍ］．修订版．２００９． ［２］
取桨距角控制的低电压穿越波形。当机侧功率和网 侧功率相等时，Ｃｈｏｐｐｅｒ电路切出。
ｒ／ｍｉｎ
法的研究是十分必要的旧Ｊ。
针对上述通过直接对转子位置微分得到平均转
速值的缺陷，本文采用状态观测器观测转子的瞬时 位置和转速。增量式编码器的精度有限，在超低速 下送入状态观测器的转子位置信息得不到及时的更
基于状态观测器的永磁同步电动机超低速控制
新，状态观测器的精度会受到影响，因此，本文提出
（２）Ｔ法。即测出旋转编码器两个输出脉冲之 间的间隔时间来计算出转速。图２为采用Ｔ法测速 的转速曲线图。转速越低，测速精度越高，但延时也
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Ｃ彻ｖｃ甩ｉ∞，２０００，１５（４）：３６６—３７１．
作者简介：谢红普（１９８８一），男，硕士研究生，研究方向为现代： 电力电子技术、永磁同步电动机及其控制。
［４】阮毅，陈维（上接第３２页） 落，可以增大桨距角，减小捕获的风能，维持母线电
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Ｊ
（６）
Ｚ３］７
引入状态观测器后的电机模型如图５所示。
图５状态观测器结构图
这里，口为增量式编码器输出的转子位置。从 图５中可以看出，状态观测器的基本原理是取角度
的实际值和观测值的差值与增益矩阵Ｌ的积作为 修正项，反馈到重构系统中，使得估计状态逐渐趋近
真实状态。
３超低转速下补偿措施的设计
成了速度检测的相位延迟和误差的进一步扩大，尤 其是在低速条件下，这种延迟和误差甚至会导致控 制系统振荡。因此，基于增量式编码器瞬时测速方
＝２
６０（肘Ｉ—１）
×１００％＝嘉×１００％
』，１’
（１）
式中：％为采样周期，斗ｓ；膨。为时间瓦内的脉冲个 数；ｚ为旋转编码器每转输出的脉冲个数。 这里给定转速曲线为斜坡函数，％＝４００炉；ｚ ５００个／转。从式（１）可知，当Ｍ。＝０时，６～趋近 于无穷大，此时测出的转速没有意义。从图ｌ中可 以看出，当转速低于某一值（仿真结果为１５ ｒ／“ｎ） 时，在一个采样周期内可能检测不到编码器脉冲，即 膨ｌ－０；因此，当采用Ｍ法测速时，电机在１５ 以下将不能良好的运行。
实际转速 Ｌ
／
妻
＼
给定转速
／
测量转速 ＾－＇Ⅲ目毒飞
（ａ）采用观测器法测速曲线 图９
５０
（ｂ）测速曲线局部图
ｒ／Ｉｌｌｉｎ时采用观测器法的转速曲线图
图１０ａ为在给定转速为ｌ ｒ／ｍｉｎ时ＰＭＳＭ采用
状态观测器法测速的转子位置曲线图。图１０ｂ为此 时的转速曲线图，可以看出，送入控制系统的转子位