基于扩展卡尔曼算法的永磁同步电机无速度传感器控制系统仿真
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《 冶金自动化》 !##$ 年 ("
基于扩百度文库卡尔曼算法的永磁同步电机 无速度传感器控制系统仿真
李文斐， 谭国俊， 陈益凯， 马少才
（ 中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 !!"##$ ） 摘要： 介绍了一种基于扩展卡尔曼滤波算法的永磁同步电机无速度传感器控制方案。通过对电机的三相定子 电流测量及 ! % " 系重构电压， 利用卡尔曼滤波模型对永磁同步电机的转速 # 和转角 $ 进行实时在线估计， 利 用空间矢量脉宽调制对系统进行调速控制。仿真结果表明， 所提出的永磁同步电机无速度传感器控制方法具 有较强的鲁棒性和满意的性能。 关键词： 永磁同步电动机； 无速度传感器控制； 扩展卡尔曼滤波； 仿真
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选取状态变量：
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卡尔曼滤波是一种线性最优递推滤波方法， 它是在最小方差意义上求状态或参数的最优估计 值。对于电机及其控制系统， 它们的状态估计是 采用状态方程作为系统模型的， 由于其非线性化 特性， 需要对电机模型进行非线性滤波的线性化 处理。 扩展卡尔曼滤波即为应用于非线性系统的最 优估计， 假定非线性状态方程描述如下： !（ " #）8 $［ "（ #） ］9 % ・&（ #）9 ’ （ #） (（ # ) ）8 *（ "（ #) ） ）9 +（ #) ） （ "） （ !）
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输出变量； ’（ #） 和 +（ #) ） 为零均值高斯白噪声， 它 们的协方差分别为 , （ #） 和 -（ #) ） ， ’（ #） 是包括系 +（ #) ） 为测量 统扰动和模型不一致性的系统噪声， 噪声。在 ! % " 坐标系下对电机的非线性化方程 进行线性化处理， &’(’ 电机方程为： 8 [& & ] [
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《 冶金自动化》 0((U 年 4’
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可以通过 8,<+,= 的 6EJ/-KAD 模块中的频谱分析获 （ %） 得。另外同样是由于采样时间的不同， 在电机控 制系统的数据进入 GHI 模块和 GHI 模块估算数 据进入电机闭环时需要分别使用 L/-E?M-$/- NE+$ 模块和 OBD< 9/+,P 模块。为了使提高闭环性能， 可 以适当的缩小速度调节器的限幅值来削弱 GHI 在 系统速度给定突变和突加负载时的估算误差对闭 （ ’( ） 环的影响。 （ 1 ）基于 GHI 的 6848 调速系统在极大程度 上依赖方差阵 -、 $ 和 .( 、 /( 。选取的原则是在保
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收稿日期： !##2B"!B"C
作者简介： 李文斐（ "C$>B） ， 男， 河北邢台人， 硕士研究生， 主要研究方向为电力电子与电力传动。
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《 冶金自动化》 1%%: 年 )$
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其中， & !& ( % ( 、 ( 轴系之间电压解耦项， !& " % " 为 "、 !" ) 为反电动势前馈补偿项。 ! ) !" ! # " 轴系电压重构 定子电压的 *+,-./ 变化式如式（ ’’ ） 所示： ’ 0 1 ( ’ & 0 1 ! 0 ’ & !2 0 !3 1 & ! !* 0
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!" 引言
永磁同步电动机（ &’(’ ） 矢量控制系统具有 一系列优点， 而如何获得精确的转子位置和速度 信号是其关键所在。在转子轴上安装机械式传感 器的方法在测量信号的同时给调速系统带来了环 境适应性不强、 系统的鲁棒性降低、 增加了电机与 控制系统之间的连接线和接口电路、 传感器的输
"］ 出信号容易受到各种扰动信号的污染等问题 ［ 。
取采样时间为 3 & ， 则将方程（ 3） 离散化后得：
从而驱动永磁同步电机。
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由连续 系 统 离 散 化 原 理， 1， 1 # $， %（ 1 # )［ $） ］ 是系数矩阵 - 的自然指数幂。
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李文斐， 谭国俊， 陈益凯， 马少才
（ 中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 !!"##$ ） 摘要： 介绍了一种基于扩展卡尔曼滤波算法的永磁同步电机无速度传感器控制方案。通过对电机的三相定子 电流测量及 ! % " 系重构电压， 利用卡尔曼滤波模型对永磁同步电机的转速 # 和转角 $ 进行实时在线估计， 利 用空间矢量脉宽调制对系统进行调速控制。仿真结果表明， 所提出的永磁同步电机无速度传感器控制方法具 有较强的鲁棒性和满意的性能。 关键词： 永磁同步电动机； 无速度传感器控制； 扩展卡尔曼滤波； 仿真
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收稿日期： !##2B"!B"C
作者简介： 李文斐（ "C$>B） ， 男， 河北邢台人， 硕士研究生， 主要研究方向为电力电子与电力传动。
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《 冶金自动化》 1%%: 年 )$
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其中， & !& ( % ( 、 ( 轴系之间电压解耦项， !& " % " 为 "、 !" ) 为反电动势前馈补偿项。 ! ) !" ! # " 轴系电压重构 定子电压的 *+,-./ 变化式如式（ ’’ ） 所示： ’ 0 1 ( ’ & 0 1 ! 0 ’ & !2 0 !3 1 & ! !* 0
表 $" 开关状态与相电压的对应关系
开关状态 ( ’ ’ ( ( ( ’ ’ ( ( ’ ’ ’ ( ( ’ ( ( ( ( ’ ’ ’ ’ *# ( 0 + 1 * 9* ! ’ : ; * 9* ! &! ’ : ; * 9* &! 0 : 1 * 9* &! ’ : ; * 9* ’ : ; * 9* ! ( *$ ( ( ’ : 0 * 9* ! ’ : 0 * 9* ! ( &! ’ : 0 * 9* &! ’ : 0 * 9* (
!" 引言
永磁同步电动机（ &’(’ ） 矢量控制系统具有 一系列优点， 而如何获得精确的转子位置和速度 信号是其关键所在。在转子轴上安装机械式传感 器的方法在测量信号的同时给调速系统带来了环 境适应性不强、 系统的鲁棒性降低、 增加了电机与 控制系统之间的连接线和接口电路、 传感器的输
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取采样时间为 3 & ， 则将方程（ 3） 离散化后得：
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由连续 系 统 离 散 化 原 理， 1， 1 # $， %（ 1 # )［ $） ］ 是系数矩阵 - 的自然指数幂。