永磁同步电机无位置传感器矢量控制
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b)电机恒转速运行，负载突变。
给定电气角速度400rad/s，初始负载转矩5 N•m，t=0.2s时提高到15 N•m，t=0.4s时降低到10 N•m。
解耦C 后s =的Gd1 qs
轴L电s =流G波1 形s
Байду номын сангаасI s+
02 仿真对比研究
a) 电机恒转矩运行，转速突变。 波动幅度高达+23N•m
波动幅度为+19N•m
结论：表明本文所设计的复合控制器在转速突变时能够实现高性能的 矢量控制。
基于传统PI调节器的仿真结果
本文所设计的复合控制器的仿真结果
02 仿真对比研究
的L0 高LsL频inco2信s 2r 号r 为ddditt正 弦
Rs
i i
+2r
L信波Lcsois器号n22来，rr 实需LL现要csoins信使22号rr用 分ii多 离个。r滤f
f sinr cosr
01 主要工作
转速环
电流环
r*
控制器
PI
iq*s
控制器
PI
d , q u
②
r
扩波展法dd卡it尔曼滤RLss 优 系 缺i统 点点噪 ：：L1声 计能s u算够； 量抑大制L1、测s 复量e杂噪度声高和。
在两相静止坐标轴下，PMSM的抗电扰压动方能程力：
脉振高频 注入法
适用于凸极率较小 PMSM（饱和性凸极）
d强i
u u
=
L0 +L cos 2r
L sin 2注r 入
电动汽车永磁同步电机无位置传感器 矢量控制研究
目录
CONTENTS
• PART 01 • 背景与意义 • PART 02 • 永磁同步电机矢量控制系统控
制器设计
• PART 03 • 基于自适应二阶滑模观测器的 中高速段无传感器矢量控制
• PART 04 • 基于脉振高频方波信号注入法 的低速段无传感器矢量控制
02 PMSM基于PI调节器的矢量控制系统
r*
r
没有摆脱对 电机模型和 参数的依赖， 当扰动过大 时，其无法 满足调速要 求。
转速环
控制器
PI
iq*s
id*s 0
电流环 控制器
PI
PI
iqs ids
rel
机械位置 传感器
d , qudu+
u
+ SV
PWM
U
1
dc
Rs s三Ls 相逆 变器
• PART 05 • 结论及展望
01
PART ONE
背景与意义
01 研究背景
01 研究背景
部不分同新类能型源电汽机车特驱点动比电较机类型列表
国电家机类型
比较项目
车直流型电机 丰田Pruis
异步混电合机动类力型汽开车关电磁机阻永磁电机同永类步电磁型电机同机步
功率密度（kW/kg） 本田Ins差ight
日本
转矩稳
低速 本田思好域
定性能
高速 日产聆好风
混好合动力汽车好 永磁同步很电好机 混好合动力汽车一般 永磁同步很电好机 很好纯电动 一般 永磁同步很电好机
可靠性
特斯拉m差odels
美国
NVH（振动噪声舒适性）雪佛兰一V般olt
很好纯电动 很好 异步感应电好机 很好纯电动 一般 永磁同步很电好机
运行效率
解耦。内模控制框图
内模等效控制框图
其中：C s 为内模控制器，Y s*为
其等效控制器为：
控制系统的输入给定，Y s 为控
制反系对统角的线输积分出项，对G 交s 叉为耦被合控项对起象到，
G了ˆ 补s 偿为作内用模。模型。
未解耦的dq 轴电流波形
F s = I -C sGˆ s1 C s
内模控制器可以设计为：
转速阶跃给定时dq 轴电流瞬态波形
随着转速的升高，交直轴电流的 动态过渡过程越来越长。
02 电流环控制器设计
电流环+ 等效控C s制 器U为s ： Gs
Y s
+
- Y s*
Y s*
U s C s
Gs Y s
- - F s =F结PI s论 +F：dec表s明= qRs轴s +0上 L的s 电Gˆ s流Rs s 0+波 L动s +对d0轴sr L电s 流无0sr L影s 响，实现GFˆ 了ss dq轴电流的
在中高速段，研究id*s了 0
u
④ 针对P全I 速范围 内
一种具有电机参数在 的无位置传感器
① 改进了U转dc 速环控制器和 电流环控制器，提高了
PSWVM系统抗扰三变相动器逆能力。
③ 在低速段，研究了 两种基于无滤波器
线估计的基于自适应 二阶滑模观测器的转 子位置检测方法。 创新点：有效抑制了滑
控iq制s ，研究d了, q一 i ids种复合控制算 法。i
abc
信i号a 分离策略的脉
振高频方波电压注
入i法b 。
rel
创新点：采用方波信号
模抖振，避免了滤波器 的使用，提高了转子位
无机位械位置置传 感传器感控器制
注入，实现了无滤波器 信号分离P，M提SM高了转子
置估计精度。
PMSM矢量位控置制估框计图精度。
02
PART TWO
永磁同步电机矢量控制系统控制器设计
r Ls
id
仅实现了静
d , q i 耦合i项ar态没Ls 解有耦消，除并动
i
uq +
-a b c
ib 态耦合关系。
1
iq
-
r f
Rs sLs
PMSM
PMSM矢量控制框图
02 电流环控制器设计
为 了 观 察 电 机 d-q 轴 电 流 的 耦 合
影响，进行了仿真分析。图所示 的工况为初始转速为零，在0.2s 时 刻 转 速 阶 跃 给 定 为 0-300rad/s ， 在0.4s时刻给定 300-600 rad/s 的 转 速 阶 跃 ， 在 0.6s 时 刻 给 定 600900 rad/s转速阶跃。
宝马差i3
高效率（德8国5%）运行区
所占比例
大众e—-u—p
混好合动力汽车好 永磁同步很电好机 高 纯电动 高 永磁同步很电高机
01 研究意义
转子磁铁
定子绕组
机械位置传感 器在实际应用 中存在的问题
成本较高
×降低可靠性 同心度问题
性能不稳定
位置传感器
无位置传感 器控制技术
01 研究现状
e = r f sinr
无位置传感器控制
e方 =法r f cosr
特点
方法
特点
滑模中观高测速器法段—优 缺点 点—： ：基算 存波法在数简滑单模学、抖模鲁振型棒。法性好； 旋注低转入高 法速频（零适 PM速用SM于（）凸结段极构—率性—较凸大极高的）频信对号电机注参入数法
摄动不敏感、
模应在状型法d两态d参it相方考静程自止：适RL坐ss 优 缺 依i标点 点 赖轴： ： 较估在须L下1抗 对 大s使高计，u扰模。用S频的能型P滤M力参噪参L1波S强数s 声数M器；的的中，e准。电确存必流度
给定电气角速度400rad/s，初始负载转矩5 N•m，t=0.2s时提高到15 N•m，t=0.4s时降低到10 N•m。
解耦C 后s =的Gd1 qs
轴L电s =流G波1 形s
Байду номын сангаасI s+
02 仿真对比研究
a) 电机恒转矩运行，转速突变。 波动幅度高达+23N•m
波动幅度为+19N•m
结论：表明本文所设计的复合控制器在转速突变时能够实现高性能的 矢量控制。
基于传统PI调节器的仿真结果
本文所设计的复合控制器的仿真结果
02 仿真对比研究
的L0 高LsL频inco2信s 2r 号r 为ddditt正 弦
Rs
i i
+2r
L信波Lcsois器号n22来，rr 实需LL现要csoins信使22号rr用 分ii多 离个。r滤f
f sinr cosr
01 主要工作
转速环
电流环
r*
控制器
PI
iq*s
控制器
PI
d , q u
②
r
扩波展法dd卡it尔曼滤RLss 优 系 缺i统 点点噪 ：：L1声 计能s u算够； 量抑大制L1、测s 复量e杂噪度声高和。
在两相静止坐标轴下，PMSM的抗电扰压动方能程力：
脉振高频 注入法
适用于凸极率较小 PMSM（饱和性凸极）
d强i
u u
=
L0 +L cos 2r
L sin 2注r 入
电动汽车永磁同步电机无位置传感器 矢量控制研究
目录
CONTENTS
• PART 01 • 背景与意义 • PART 02 • 永磁同步电机矢量控制系统控
制器设计
• PART 03 • 基于自适应二阶滑模观测器的 中高速段无传感器矢量控制
• PART 04 • 基于脉振高频方波信号注入法 的低速段无传感器矢量控制
02 PMSM基于PI调节器的矢量控制系统
r*
r
没有摆脱对 电机模型和 参数的依赖， 当扰动过大 时，其无法 满足调速要 求。
转速环
控制器
PI
iq*s
id*s 0
电流环 控制器
PI
PI
iqs ids
rel
机械位置 传感器
d , qudu+
u
+ SV
PWM
U
1
dc
Rs s三Ls 相逆 变器
• PART 05 • 结论及展望
01
PART ONE
背景与意义
01 研究背景
01 研究背景
部不分同新类能型源电汽机车特驱点动比电较机类型列表
国电家机类型
比较项目
车直流型电机 丰田Pruis
异步混电合机动类力型汽开车关电磁机阻永磁电机同永类步电磁型电机同机步
功率密度（kW/kg） 本田Ins差ight
日本
转矩稳
低速 本田思好域
定性能
高速 日产聆好风
混好合动力汽车好 永磁同步很电好机 混好合动力汽车一般 永磁同步很电好机 很好纯电动 一般 永磁同步很电好机
可靠性
特斯拉m差odels
美国
NVH（振动噪声舒适性）雪佛兰一V般olt
很好纯电动 很好 异步感应电好机 很好纯电动 一般 永磁同步很电好机
运行效率
解耦。内模控制框图
内模等效控制框图
其中：C s 为内模控制器，Y s*为
其等效控制器为：
控制系统的输入给定，Y s 为控
制反系对统角的线输积分出项，对G 交s 叉为耦被合控项对起象到，
G了ˆ 补s 偿为作内用模。模型。
未解耦的dq 轴电流波形
F s = I -C sGˆ s1 C s
内模控制器可以设计为：
转速阶跃给定时dq 轴电流瞬态波形
随着转速的升高，交直轴电流的 动态过渡过程越来越长。
02 电流环控制器设计
电流环+ 等效控C s制 器U为s ： Gs
Y s
+
- Y s*
Y s*
U s C s
Gs Y s
- - F s =F结PI s论 +F：dec表s明= qRs轴s +0上 L的s 电Gˆ s流Rs s 0+波 L动s +对d0轴sr L电s 流无0sr L影s 响，实现GFˆ 了ss dq轴电流的
在中高速段，研究id*s了 0
u
④ 针对P全I 速范围 内
一种具有电机参数在 的无位置传感器
① 改进了U转dc 速环控制器和 电流环控制器，提高了
PSWVM系统抗扰三变相动器逆能力。
③ 在低速段，研究了 两种基于无滤波器
线估计的基于自适应 二阶滑模观测器的转 子位置检测方法。 创新点：有效抑制了滑
控iq制s ，研究d了, q一 i ids种复合控制算 法。i
abc
信i号a 分离策略的脉
振高频方波电压注
入i法b 。
rel
创新点：采用方波信号
模抖振，避免了滤波器 的使用，提高了转子位
无机位械位置置传 感传器感控器制
注入，实现了无滤波器 信号分离P，M提SM高了转子
置估计精度。
PMSM矢量位控置制估框计图精度。
02
PART TWO
永磁同步电机矢量控制系统控制器设计
r Ls
id
仅实现了静
d , q i 耦合i项ar态没Ls 解有耦消，除并动
i
uq +
-a b c
ib 态耦合关系。
1
iq
-
r f
Rs sLs
PMSM
PMSM矢量控制框图
02 电流环控制器设计
为 了 观 察 电 机 d-q 轴 电 流 的 耦 合
影响，进行了仿真分析。图所示 的工况为初始转速为零，在0.2s 时 刻 转 速 阶 跃 给 定 为 0-300rad/s ， 在0.4s时刻给定 300-600 rad/s 的 转 速 阶 跃 ， 在 0.6s 时 刻 给 定 600900 rad/s转速阶跃。
宝马差i3
高效率（德8国5%）运行区
所占比例
大众e—-u—p
混好合动力汽车好 永磁同步很电好机 高 纯电动 高 永磁同步很电高机
01 研究意义
转子磁铁
定子绕组
机械位置传感 器在实际应用 中存在的问题
成本较高
×降低可靠性 同心度问题
性能不稳定
位置传感器
无位置传感 器控制技术
01 研究现状
e = r f sinr
无位置传感器控制
e方 =法r f cosr
特点
方法
特点
滑模中观高测速器法段—优 缺点 点—： ：基算 存波法在数简滑单模学、抖模鲁振型棒。法性好； 旋注低转入高 法速频（零适 PM速用SM于（）凸结段极构—率性—较凸大极高的）频信对号电机注参入数法
摄动不敏感、
模应在状型法d两态d参it相方考静程自止：适RL坐ss 优 缺 依i标点 点 赖轴： ： 较估在须L下1抗 对 大s使高计，u扰模。用S频的能型P滤M力参噪参L1波S强数s 声数M器；的的中，e准。电确存必流度