永磁同步電機無位置傳感器矢量控制

永磁同步電機無位置傳感器矢量控制第1頁/共33頁PART01PART

02PART03PART04PART05背景與意義永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)控制器設(shè)計基于自適應(yīng)二階滑模觀測器的中高速段無傳感器矢量控制基于脈振高頻方波信號注入法的低速段無傳感器矢量控制結(jié)論及展望目錄CONTENTS第2頁/共33頁01PARTONE背景與意義第3頁/共33頁01研究背景第4頁/共33頁01研究背景

電機類型比較項目直流電機異步電機開關(guān)磁阻

電機永磁同步電機功率密度（kW/kg）差好好很好轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性能低速好好一般很好高速好很好一般很好可靠性差很好很好好NVH（振動噪聲舒適性）一般很好一般很好運行效率差好好很好高效率（85%）運行區(qū)所占比例

——高高很高不同類型電機特點比較部分新能源汽車驅(qū)動電機類型列表國家車型類型電機類型日本豐田Pruis混合動力汽車永磁同步電機本田Insight混合動力汽車永磁同步電機本田思域混合動力汽車永磁同步電機日產(chǎn)聆風純電動永磁同步電機美國特斯拉models純電動異步感應(yīng)電機雪佛蘭Volt純電動永磁同步電機德國寶馬i3混合動力汽車永磁同步電機大眾e-up純電動永磁同步電機第5頁/共33頁01研究意義性能不穩(wěn)定機械位置傳感器在實際應(yīng)用中存在的問題同心度問題成本較高降低可靠性無位置傳感器控制技術(shù)×

位置傳感器

定子繞組轉(zhuǎn)子磁鐵第6頁/共33頁01研究現(xiàn)狀無位置傳感器控制中高速段——基波數(shù)學(xué)模型法低速（零速）段——高頻信號注入法在兩相靜止坐標軸下，SPMSM的電流狀態(tài)方程：在兩相靜止坐標軸下，PMSM的電壓方程：方法特點旋轉(zhuǎn)高頻注入法適用于凸極率較大的PMSM（結(jié)構(gòu)性凸極）對電機參數(shù)攝動不敏感、抗擾動能力強脈振高頻注入法適用于凸極率較小PMSM（飽和性凸極）注入的高頻信號為正弦信號，需要使用多個濾波器來實現(xiàn)信號分離。方法特點滑模觀測器法優(yōu)點：算法簡單、魯棒性好；缺點：存在滑模抖振。模型參考自適應(yīng)法優(yōu)點：抗擾能力強；缺點：對模型參數(shù)的準確度依賴較大。擴展卡爾曼濾波法優(yōu)點：能夠抑制測量噪聲和系統(tǒng)噪聲；缺點：計算量大、復(fù)雜度高。估計的參數(shù)中存在高頻噪聲，必須使用濾波器。第7頁/共33頁PMSM矢量控制框圖電流環(huán)控制器轉(zhuǎn)速環(huán)控制器主要工作改進了轉(zhuǎn)速環(huán)控制器和電流環(huán)控制器，提高了系統(tǒng)抗擾動能力。無位置傳感器控制01在低速段，研究了兩種基于無濾波器信號分離策略的脈振高頻方波電壓注入法。創(chuàng)新點：采用方波信號注入，實現(xiàn)了無濾波器信號分離，提高了轉(zhuǎn)子位置估計精度。在中高速段，研究了一種具有電機參數(shù)在線估計的基于自適應(yīng)二階滑模觀測器的轉(zhuǎn)子位置檢測方法。創(chuàng)新點：有效抑制了滑模抖振，避免了濾波器的使用，提高了轉(zhuǎn)子位置估計精度。針對全速范圍內(nèi)的無位置傳感器控制，研究了一種復(fù)合控制算法。第8頁/共33頁02PARTTWO永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)控制器設(shè)計第9頁/共33頁02PMSM基于PI調(diào)節(jié)器的矢量控制系統(tǒng)PMSM矢量控制框圖電流環(huán)控制器轉(zhuǎn)速環(huán)控制器沒有擺脫對電機模型和參數(shù)的依賴，當擾動過大時，其無法滿足調(diào)速要求。僅實現(xiàn)了靜態(tài)解耦，并沒有消除動態(tài)耦合關(guān)系。耦合項第10頁/共33頁02電流環(huán)控制器設(shè)計為了觀察電機d-q軸電流的耦合影響，進行了仿真分析。圖所示的工況為初始轉(zhuǎn)速為零，在0.2s時刻轉(zhuǎn)速階躍給定為0-300rad/s，在0.4s時刻給定300-600rad/s的轉(zhuǎn)速階躍，在0.6s時刻給定600-900rad/s轉(zhuǎn)速階躍。轉(zhuǎn)速階躍給定時dq軸電流瞬態(tài)波形隨著轉(zhuǎn)速的升高，交直軸電流的動態(tài)過渡過程越來越長。第11頁/共33頁02電流環(huán)控制器設(shè)計內(nèi)模控制框圖內(nèi)模等效控制框圖其中：為內(nèi)?？刂破?，為控制系統(tǒng)的輸入給定，為控制系統(tǒng)的輸出，為被控對象，其等效控制器為：為內(nèi)模模型。內(nèi)?？刂破骺梢栽O(shè)計為：電流環(huán)等效控制器為：反對角線積分項對交叉耦合項起到了補償作用。未解耦的dq

軸電流波形解耦后的dq

軸電流波形結(jié)論：表明q軸上的電流波動對d軸電流無影響，實現(xiàn)了dq軸電流的解耦。第12頁/共33頁02仿真對比研究電機恒轉(zhuǎn)矩運行，轉(zhuǎn)速突變?；趥鹘y(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的仿真結(jié)果本文所設(shè)計的復(fù)合控制器的仿真結(jié)果波動幅度高達+23N?m波動幅度為+19N?m結(jié)論：表明本文所設(shè)計的復(fù)合控制器在轉(zhuǎn)速突變時能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的矢量控制。第13頁/共33頁02仿真對比研究b)電機恒轉(zhuǎn)速運行，負載突變?；趥鹘y(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的仿真結(jié)果本文所設(shè)計的復(fù)合控制器的仿真結(jié)果波動幅度高達-80rad/s給定電氣角速度400rad/s，初始負載轉(zhuǎn)矩5N?m，t=0.2s時提高到15N?m，t=0.4s時降低到10N?m。波動幅度只有-10rad/s結(jié)論：表明本文所設(shè)計的復(fù)合控制器抗擾動能力強，穩(wěn)速效果好。第14頁/共33頁03PARTTHREE基于自適應(yīng)二階滑模觀測器的中高速段無傳感器矢量控制第15頁/共33頁觀測器結(jié)構(gòu)框圖自適應(yīng)二階滑模觀測器位置跟蹤觀測器03自適應(yīng)二階滑模觀測器設(shè)計建立定子電流狀態(tài)估計方程：其中：符號“”代表估計值，“”代表誤差值。電機的電流狀態(tài)方程：第16頁/共33頁03自適應(yīng)二階滑模觀測器設(shè)計根據(jù)電流誤差狀態(tài)方程建立二階滑模觀測器方程：選擇

滑模超平面。用等效控制法來獲得

：收斂時其中：第17頁/共33頁其中：，，。03自適應(yīng)二階滑模觀測器設(shè)計采用模型參考自適應(yīng)法估計反電動勢：參考模型可調(diào)模型采用李亞普諾夫方程進行穩(wěn)定性分析：選取李亞普諾夫函數(shù)如下:若，則系統(tǒng)穩(wěn)定。修正第18頁/共33頁03仿真對比研究0電機恒轉(zhuǎn)矩運行，轉(zhuǎn)速突變。傳統(tǒng)SMO仿真波形圖ASMO仿真波形圖轉(zhuǎn)速估計到的轉(zhuǎn)速中不含高頻噪聲第19頁/共33頁03仿真對比研究0電機恒轉(zhuǎn)矩運行，轉(zhuǎn)速突變。傳統(tǒng)SMO仿真波形圖ASMO仿真波形圖反電動勢估計到的反電動勢中不含高頻噪聲第20頁/共33頁03仿真對比研究0電機恒轉(zhuǎn)矩運行，轉(zhuǎn)速突變。傳統(tǒng)SMO仿真波形圖ASMO仿真波形圖轉(zhuǎn)子位置估計到的轉(zhuǎn)子位置角中不含高頻噪聲結(jié)論：本文提出的轉(zhuǎn)子位置檢測方法有效地抑制了滑膜抖振，估計到的所有參數(shù)中均不含高頻噪聲。第21頁/共33頁03仿真對比研究b)電機恒轉(zhuǎn)速運行，負載突變。實際轉(zhuǎn)子角速度與估計轉(zhuǎn)子角速度實際轉(zhuǎn)子位置角與估計轉(zhuǎn)子位置角負載轉(zhuǎn)矩突變時的STA-ASMO仿真波形圖結(jié)論：在負載突變時，本文提出的觀測器也能準確地估計出電機的轉(zhuǎn)速和位置。第22頁/共33頁04PARTFOUR基于脈振高頻方波信號注入法的低速段無傳感器矢量控制第23頁/共33頁04傳統(tǒng)脈振高頻正弦電壓信號注入法實際同步旋轉(zhuǎn)坐標系與估計同步旋轉(zhuǎn)坐標系示意圖傳統(tǒng)脈振高頻信號注入法原理框圖向軸注入如下電壓信號：會限制電流控制器的帶寬，降低雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。對位置跟蹤觀測器造成時間延遲，使得估計出的轉(zhuǎn)子位置存在滯后現(xiàn)象。第24頁/共33頁04無濾波器信號分離策略信號分離過程框圖幅值相等、符號相反基波分量高頻分量保持不變改進后的信號處理過程框圖第25頁/共33頁04仿真對比研究傳統(tǒng)脈振高頻正弦電壓注入法仿真結(jié)果方波電壓注入估計同步旋轉(zhuǎn)坐標系的脈振高頻信號注入法仿真結(jié)果方波電壓注入靜止坐標系的脈振高頻信號注入法仿真結(jié)果穩(wěn)態(tài)時，估計出的轉(zhuǎn)速較為平滑第26頁/共33頁04仿真對比研究傳統(tǒng)脈振高頻正弦電壓注入法仿真結(jié)果方波電壓注入估計同步旋轉(zhuǎn)坐標系的脈振高頻信號注入法仿真結(jié)果方波電壓注入靜止坐標系的脈振高頻信號注入法仿真結(jié)果估計到的轉(zhuǎn)子位置存在明顯滯后結(jié)論：所提出的基于無濾波器信號分離策略的方波信號注入法所估計出的轉(zhuǎn)子位置基本不存在滯后現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子位置估計精度較高。第27頁/共33頁04電機無位置傳感器全速范圍運行復(fù)合觀測器結(jié)構(gòu)框圖加權(quán)控制函數(shù)轉(zhuǎn)子角速度轉(zhuǎn)子位置角所設(shè)計的復(fù)合觀測器實現(xiàn)了脈振高頻方波電壓信號注入法與自適應(yīng)二階滑模觀測器法之間的平滑切換切換，估計的轉(zhuǎn)速輸出平滑。第28頁/共33頁05PARTFIVE結(jié)論及展望第29頁/共33頁05結(jié)論改進了轉(zhuǎn)速控制器和電流控制器，提高了系統(tǒng)的抗擾動能力，改善了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，為無位置傳感器控制奠定了堅實的基礎(chǔ)。在無位置傳感器運行的中高速階段，提出了一種具有電機參數(shù)在線估計的基于自適應(yīng)二階滑模觀測器的轉(zhuǎn)子位置檢測方法，避免了低通濾波環(huán)節(jié)的使用，有效地抑制了滑模抖振，提高了轉(zhuǎn)子位置觀測精度。在無位置傳感器運行的低速階段，提出了基于無濾波器信號分離策略的脈振高頻方波電壓注入法，簡化了信號處理過程，避免了濾波環(huán)節(jié)的使用，提高了轉(zhuǎn)子位置的估計精度。研究了一種復(fù)合控制算法，實現(xiàn)了脈振高頻方波電壓注入法與自適應(yīng)二階滑模觀測器法的有效融合。第30頁/共