永磁同步电动机无传感器矢量控制技术研究_图文.

郑州大学
硕士学位论文
永磁同步电动机无传感器矢量控制技术研究姓名:郑宝周
申请学位级别:硕士
专业:检测技术与自动化装置
指导教师:陈铁军
20060501
・郑州大学硕士论文
.
其中
fVd=月;‘一m。

∥g+p∥d {lV口=R‘一珊。

yd+pyg (2.16
厶、厶为定子绕组的直轴电感和交轴电感。

电机的转矩方程为:
t=只(y。

‘一∥,L=只.I沙,‘+(厶一‘L‘l (2.17
其中:以=三(譬],n为电机极对数。

由PMsM的数学模型可以得到它在d一口坐标系下的等效电路㈣如图2.4所示。

图2-4永磁同步电机在d.q坐标系下等效电路图
Fig.24PMSM’s equjvalent circuit diagmm in d-q coordillate
在永磁同步电机中,转子磁通恒定不变,所以大多采用转子磁通定向方式来控制永磁同步电动机。

由上面推导过程可知永磁同步电动机的电磁转矩基本上取决于定子d轴电流分量和q轴电流分量。

2.2永磁同步电机矢量控制技术
近二十多年来随着电动机的矢量控制、直接转矩控制等技术的问世和计算机人工智能技术的进步,电动机控制理论和控制技术上升到一个新的高度。

目前,永磁同步电动机调速系统以矢量控制为主。

m +.0.~
厶k il
=d g y y
3基于自适应戳链观铡器的无位置传感器检测技术’
依据3+1节介绍的观测器状态方程和速度自适应收敛率,用Simulink建立的观测器仿真模型如图3.4所示。

电机的定子电阻、电感等取表3.1中相应值,另取女
=1.25,调节器参数.i}。

=8,七.=2.5。

四个输入变量分别为两相静止坐标系下定予电流和定子电压:‘,f。

,k,y。

,输出为速度估计值面,和转子位置估计值臼。

图3.4自适应磁链观测器仿真结构图
C0nstrucn鹏ofAdaptive Flux Linkage Observer
Fig.3.4Simulation
图3.5是采用自适应磁链观测器进行矢量控制的系统仿真图。

图中子系统MARS是图3.4所示的磁链自适应观测器;子系统PwM Invener将电流调节器输出的电流值调制成永磁同步电机定子三相电压。

予系统dqtoabc将旋转坐标系下的定子电流和电压‘,‘,K,屹转换成静止坐标系下定子电流和电压名,‘,屹,%,作为磁链观测器的输入信号。

图3.5采用白适应磁链观测器进行矢量控制的仿真系统结构图
Fi93.5constructure of、,ector controlled syst锄with Ad印tivc Flux Linkage Observer
用图3.5所示的仿真模型来估算电机的速度和位置。

首先分析低速时估算结果的精度。

测试条件是每隔O.1秒改变一下转速的方向,转速大小是正负100转/
郑州大学硕士论文
分(电角速度为200转/分。

图3.6是转子位置和位置估计值对比曲线图,图3.7是转速实际值和转速估计值的对比曲线图。

图3.6低速时转子位置的估计值与实际值对比图
Esbmation蚰d The Value of Position in Low Spced
Fig.3,6111e
图3.7低速时速度的估计值与实际值对比图
Fig.3.7The Estimation蚰d T如e value of speed in Low speed
由图3.7可知速度的估算值最终收敛在真实值上;位置估算结果始终有误差,当电机旋转方向改变时误差增大。

但对于精度要求较低的调速系统,基本上能满足要求。

经分析知,在电机刚起动的O.01秒内速度估计值为o,而实际转速上升为150转/分,此起始速度估计误差造成位置估计值滞后实际转子位簧一个角度。

由于电机中的参数如定子电感、定子电阻等很难准确测量,并且集肤效应、温度变化以及磁路饱和等现象使参数值与实际值无法完全吻合,这就要求估算方法有一定的鲁棒性,即能够自动动由消除参数误差产生的影响。

下面观察电机参数变化时对估算结果的影响,分析系统的鲁棒性。

图3.8参数无偏差时速度估算误差图3.9参数有偏差时速度估计误差
Hg.3.8TheErrofofSpeed with ReaIP啪meterF嘻39TheE玎orofSpeedwifhparameteremr
3基于自适应磁链观测器的无位置传感器检测技术
图3.10参数无误差时1:{=置估计误差图3.Il参数有误差时位置估计误差
Wim Real Par啪eter Fig.3.11Posmon Error Wim parameter error Fig.3.{O nle Error ofPosition
仿真中假定电机参数月=1.5R=2.26Q,￡=o.7三=o.336H。

对比图3.8和图
3.9可知,当电机参数有误差时,速度估算误差在电机转速变化时增大,当转速稳定时误差收敛到零,也就是参数误差只对转速估算的动态误差有影响。

参数有误差时,位置估计误差始终比参数准确时大,这是由于转速动态误差增大造成的。

现在分析在较高转速时,矢量控制系统的转速估计误差和位置估计误差。

仿
真条件是:电机转速为正负500转/分(合电角速度1000转/分,每隔O.5秒改变一次旋转方向。

图3.12是在此条件下转速估计误差曲线图。

图3.13是位置估计值和实际位置的对比曲线图。

图3.12高速时速度估计误差信号
Fi93.12TheE丌orofSpeedinHigh Speed
幽3.13较高速时位置估计值和实际值对比图
Fi93.13111e Estimation and Real value ofPosmn in H诎speed 由匕图分析可知,电机在较高转速时(1000转/min,转速估计误差和位置估计误差比低速时(200转/min时小的多。

在起动时,需要大约o.02妙使整个系统由起动时的不规则状态收敛到稳定运行状态。

从图中可以看出动态时转速误差小于±15r/m,相对误差小于±1+5%;稳态时,转速误差有±l的微小波动,转子位置估计误差小于±5。

,可以使用在精度要求不很高的场合。

图5-3凸极跟踪观测器仿真模型
Fi95_3The Simulation Model of Saliency1hcking Observer
5_2仿真中遇到的问题及其解决方法
永磁同步电机属非线性环节,因此simulink仿真环境中只能选用变步长的解算器。

受永磁同步电机的参数厶、乞的限制,解算器的运算步长不能太大,相对误差上限不能太小。

另一方面,为保证仿真系统滤波器的性能,最大步长和最小步长的值越接近越好,滤波器的采样频率和运算步长有关系。

经过多次调试,最小步长选为
O.00000l s,初始步长选为o.ooo001s,最大步长选为O,0000012s。

相对误差上限取为O.002。

现简单介绍仿真模型中滤波器的设计。

采用s蟾nalProccssingBlockset工具箱里的Filter Desi印s设计滤波器。

带通滤波器采用FIR最小方型滤波器,滤波器参数如图5.4所示。

.郑州大学硕士论文
图5.4带通滤波器的参数值
Par呦eters
Fig.5.4B锄d Pass Filter
一般要求解算器的运算步长和滤波器的采样频率Fc相对应。

在本仿真系统中,一方面永磁同步电机属非线性环节,要求解算器的运算步长不能太大,也就是系统的采样频率不能太低(大于1MHz:另一方面,注入的高频电压信号频率为4000Hz,这就要求带通滤波器能够从较宽的频带内(1MHz提取出频率为4000Hz的信号。

试验表明,单个滤波器很难兼顾有用信号幅度衰减小和相位滞后小两方面的要求。

低通滤波器同样存在这个问题。

为了保证仿真系统有效运行,首先要满足系统对运算步长的要求,然后再提高滤波器性能。

滤波过程在一定程度上会引起负相序高频电流分量的相位滞后,(本仿真系统使用的单个带通滤波器相位滞后达150度以上,因此转子位置估计值必然会滞后于实际值一定的电角度。

为了获得精确的转子位置信号,必须对滤波器进行改进来减小滞后的相位,并且对转子位置跟踪观测器的输出进行补偿。

对于单个带通滤波器,一方面对阻带内信号衰减不够大,另一方面对通带内信号相位滞后大(150度以上,滤波效果不理想。

本仿真系统把两个相同的滤波器串接,作为一个新的组合滤波器。

对于组合滤波器,通带内信号的滞后相位叠加,减小到5度以内;阻带内信号幅值衰减为原信号幅值的1/200。

串接滤波器的同时会造成通带内
有用信号幅值衰减比较大,因此需要对滤波后的信号进行适当的放大,经过这样的处理,组合滤波器能同时保证幅度和相位满足仿真系统的要求。

对于低通滤波器,可以采用同样的方法,多次调试后可以达到较理想的效果。

图5.4是比较单个滤波器和组合滤波器滤波效果的仿真结构图。

图5.5是交轴电流经单个带通滤波器滤波后的曲线图,图5.6是交轴电流经组合滤波器滤波后曲线图。

比较图5.5和图5.6后发现,组合滤波器比单个滤波器有更好的滤波效果。