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永磁同步电机转子位置与速度预估.pdf

永磁同步电机转子位置与速度预估

joyride
2012-12-28 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《永磁同步电机转子位置与速度预估pdf》,可适用于工程科技领域

©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet第卷 第期年月 电 机 与 控 制 学 报ELECTRIC MACHINES AND CONTROL VolNoSep      永磁同步电机转子位置与速度预估刘家曦, 李铁才, 杨贵杰(哈尔滨工业大学电气工程学院,黑龙江哈尔滨)摘 要:针对永磁同步电机(PMSM)无位置估算算法复杂,易受干扰的问题,提出一种基于滑模观测器(SMO)来预估转子位置和速度的新方法。通过对静止坐标系下反电势(EMF)分量的估算,提取了转子位置信息,采用锁相环(PLL)的方法得到转子位置和速度,补偿了角度预估中产生的相位滞后,构建了Lyapunov函数证明滑模观测器的收敛性,解决了无位置预估算法中鲁棒性差、算法复杂的问题。通过建立PMSM全数字无位置传感的矢量控制系统平台,对该方法做了详细验证。实验结果表明:该方法解决了系统在暂态下估算转子位置不准确且容易受到干扰的问题,具有很好的鲁棒性,预估转子位置准确且易于工程实现。关键词:永磁同步电机无位置传感滑模观测器锁相环中图分类号:TM文献标志码:A文章编号:X()RotorpositionandspeedestimationforPMSMLIUJiaxi,LITiecai,YANGGuijie(DepartmentofElectricalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin,China)Abstract:Fortraditionalsensorlessalgorithmofpermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)isofcomplexityanddisturbance,anovelwaytoestimatetherotorpositionandspeedofPMSMbasedonslidingmodeobserver(SMO)ispresentedThroughestimatingtheelectromotiveforce(EMF)inthestationaryreferenceframe,therotorpositionandspeedweregainedbythephaselockloop(PLL),whichwerecontainedintheEMFandthismethodcompensatedforthephaselagcausedbytheangleestimationThenaLyapunovfunctionwasestablishedtoprovetheslidingmodeobserverconvergenceThismethodalsoimprovedtherobustnessandmadethealgorithmeasyItisthoroughlytestedbyestablishinghighperformancefulldigitalsensorlessvectorcontrolsystemofthePMSMTheexperimentsshowthatthismethod,whichcansolvetheuncertaintyanddisturbanceinestimatingrotorpositioninthetransientstate,ismorerobustandeasiertobeappliedKeywords:permanentmagnetsynchronousmotorssensorlessslidingmodeobserverphaselockloop收稿日期:作者简介:刘家曦(),男,博士研究生,研究方向为永磁同步电机伺服驱动控制系统杨贵杰(),男,博士生导师,教授,研究方向一体化电机驱动控制系统李铁才(),男,博士生导师,教授,研究方向为电机控制的集成数字化设计以及智能IP核研究。 引言  传统驱动永磁同步电机必须要确定转子的位置,而使用检测转子位置的传感器增加系统的体积和成本、降低系统的可靠性。因此,PMSM无位置传感技术成为电气传动领域一个重要的研究方向。无位置传感技术的核心是转速和位置的估算。总体来说,预估方法分为以下两类:①利用电机凸极效应的高频信号注入法,,,②利用反电势或磁链估算转子的磁极位置,,,。©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet第一类方法利用电机的凸极效应,对凸极效应明显的内嵌式永磁同步电机(IPMSM)注入高频信号,使电机电感成为转子位置的函数,实现转子位置估算。这类方法在低速或零速下有很好的性能,但是高速下性能不好而且对电机结构的依赖比较大,因此这类方法具有一定的局限性。第二类方法则利用PMSM的基本电磁关系,即反电势或者磁链是转子位置的函数来估算转子位置达到检测转子磁极目的。这种方法结构简单,适合各种PMSM,高速性能比较好。但是低速性能差而且对电机参数变化敏感。然而,这类方法可以利用现代控制方法建立的状态观测器来提高预估的准确性和鲁棒性。文献,给出采用扩展卡尔曼滤波(EKF)算法来预估转子位置,但是由于建立的状态观测器模型比较复杂,因此实现起来比较困难。在基于状态观测器模型的方法中,基于滑模观测器的估算方法,(slidingmodeobserver,SMO),该方法既适用表贴式PMSM,也适用内嵌式PMSM,而且估算转子位置准确,结构简单、容易实现、鲁棒性强。综上所述,本文以空调压缩机系统为实验背景,提出一种基于静止坐标系下的滑模观测器,通过对观测电流和实测电流之间的偏差构成滑模平面来预估转子反电势,利用反电势预估转子位置,采用PLL方法来提高估算位置和速度的鲁棒性,对角度预估中产生的相位滞后采用变剪切频率的方法做了补偿,而且构造Lyapunov函数验证滑模观测器(SMO)的正确性。采用升压升频的方法实现电机零速起动,建立基于SMO的PMSM全数字矢量控制系统,最后采用TI公司的DSP芯片TMSF和IGBT模块实现整个驱动控制系统。 滑模观测器的分析与设计PMSM定子采用三相对称绕组,转子为永磁体结构。在两相静止坐标系αβ坐标系下,PMSM的数学模型可表示为diαdt=RLiαLvαLeα,diβdt=RLiβLvβLeβ,eα=ψfωesin(θe),eβ=ψfωecos(θe)。()其中:iα,iβ,vα,vβ,eα,eβ为静止坐标系下的电流、电压和反电势θe为转子位置角R,L为定子相电阻、相电感ωe为转速ψf为转子永磁体产生的磁势。根据电机在静止坐标系下的方程,采用等效控制逼近方法的滑模观测器模型di^αdt=RLi^αLvαlLsgn(i^αiα),di^βdt=RLi^βLvβlLsgn(i^βiβ)。()其中:i^α、^iβ分别为iα、iβ的估计值l为滑模增益。将电机的数学模型和滑模观测器模型做差,可得动态误差估算方程dieαdt=RLieαLeαlLsgn(ieα),dieβdt=RLieβLeβlLsgn(ieβ)。()其中:ieα=i^αiαieβ=i^βiβ。根据滑模观测器理论,定义定子电流误差为滑模开关平面x=ieα,ieβT。构造滑模系统Ûx=ΑxBu,x∈Rn,A,B∈Rn×m,u∈Rm。()定义开关平面s(x)=Cx。()控制函数u=u,s(x)>,u,s(x)<。()滑模控制方法需要找到输入量ueq使得状态轨迹能够停留在开关平面上。在s(x),Ûs(x)=情况下,ueq(x)=sxBsxAx。()根据式()和式(),得出的滑模控制器的参数A=RLRL,B=LL。()由ieα,ieβ=以及Ûieα,Ûieβ=,可知ueqα=(lsgn(ieα))eq=eα,ueqβ=(lsgn(ieβ))eq=eβ。()由此,滑模面上的开关的特性zα(t)=eα(t)Δ(t),zβ(t)=eβ(t)Δ(t)。()其中:zα(t)、zβ(t)是用电流估计值和测量值之间误差的开关信号eα(t)、eβ(t)是反电势信号Δ(t)是扰动信号。对反电势低通滤波得e^α=τszα,e^β=τszβ。()其中:τ为低通滤波器的时间常数e^α,e^β为反电势的估算值。为证明滑模观测器的收敛性,定义李雅第期永磁同步电机转子位置与速度预估©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet普诺夫函数,V=(ieαieβ)。()将式()代入李雅普诺夫函数的微分中,得到式(),当ÛV<时,观测器收敛,即ÛV=RL(ieαieβ)L(eαieαeβieβl|ieα|l|ieβ|)。()由式()可知,只需保证微分方程中的第二项小于零即可,因此可以取离散输入量l>max(|eα|,|eβ|),保证观测器的收敛。 位置与速度估算已知反电势在静止坐标系下的分量,利用反三角函数直接预估转子位置,时,由于滑模开关的切换,位置检测受外界电磁噪声的影响较大,因此直接转换方法不适合应用在外界电磁噪声比较大的场合。为提高系统的鲁棒性,采用PLL方法估算转子的速度和位置。图为采用锁相环的滑模观测器实现框图。检测静止坐标系下的电压和电流,通过式()算出滑模观测量,经低通滤波得到反电势信号。其中输入角度和预估角度偏差通过三角函数运算得到,即Err=eαcos^θeueβsinθ^eu=ψfωesin(θeθ^eu)。()其中:θ^eu为转子位置的预估值当实际位置和转子预估位置比较接近时,sin(θeθ^eu)趋近于θeθ^eu,因此式()变为Err=ψfωe(θeθ^eu)。()图 滑模观测器Fig ThediagramofSMO误差Err经过PI调节器得到预估速度ω^e。如果转子角度θ^eu直接由速度积分获得,则速度信号的微小直流偏差也会产生比较大的累积误差,从而导致积分结果漂移甚至饱和,从而影响位置精确度,因此和用一阶低通滤波器的方法代替纯积分,分别为ω^e=kpkisErr,()θ^eu=τsω^e。()其中:τ为低通滤波器的时间常数。低通滤波器的使用导致预估的转子位置有相位滞后,为消除相位滞后采用剪切频率可变的补偿方法来校正转子位置,即θ^e=θ^euarctan(ω^eTf)。()其中:Tf为常数。通过电机实验确定电机转速和滞后角度之间的对应关系来确定Tf的值,然后将Tf写入软件的查找表中,在电机处于不同转速时调用。 实验研究研究算法主要应用在空调压缩机上。为了验证无位置预估方法的可行性和有效性,选择与空调压缩机相似的表贴式PMSM进行实验,实验电机参数为:额定功率kW额定电压V额定电流A额定转速rmin额定转矩N·m定子电阻Ω定子电感mH极对数。驱动控制系统采用DSP和IGBT结合的方式来实现。其中,控制元件采用TI公司的电机专用DSP,即TMSF来实现系统的算法,驱动元件采用的是单元功率模块,实验框图如图所示。其中,滑模观测器的电流采用HALL传感器测出,电压直接从IPARK变换中计算得到。图 PMSM驱动控制系统原理Fig ThediagramofPMSMdrivesystem 电机的起动运行当有传感器时,转子位置可以测出,电机每次都可以平稳起动在无位置系统中,起动时并不知道转子位置,如果转子位置和定子轴线之间角度过大,会造成电流过大或者起动失败。实际应用中,空调压缩机空载起动,其负载属于逐渐加载,考虑到电机运行的平稳性、可靠性,采用先预定位再升压升频起动方法。具体方法分为步:)控制功率器件的状态,使电机端的相电流由A相流入,B、C相流出。此状态保持一定时间后,在三相电流产生的合成定子磁势的作用下,转子位置和A相重合电 机 与 控 制 学 报             第卷 ©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet)使系统处于电流环的工作状态,给定微小的电流矢量iqref,同时该电流矢量送到斜坡函数模块中,该电流矢量的幅值和斜坡信号的频率成正比,然后逐渐加大电流矢量,此时电流给定增大,斜坡位置信号的频率增加,电机转速逐渐加快)当电机转速超过rmin以后,切换到电机估算的位置信号。此时,电机系统进入速度闭环模式,如图所示。 软件设计主程序用来完成DSP内部配置,驱动控制系统的初始化以及各个控制模块的参数设定,在系统主中断内,实现电机零速起动、转子位置预估、速度环、电流环以及SVPWM等功能,开关频率设定为kHz。图为中断服务流程图。图 中断服务程序流程Fig Softwareflowchartofinterruptserviceprogram 实验结果分析在电机实验平台上,同轴安装光电码盘,测试实际位置波形,波形通过串行DA板读出。通过实测波形与估算波形的比较来验证实验结果正确性。图为电机在rmin时采用不同预估方法下的预估位置和实际位置波形的局部放大对比。由图可以看出,由于SMO中抖振的存在,使得采用直接法得到的位置信息中包含有明显的抖动成分,而采用PLL的方法基本上不受输入信号噪声影响。此外,由于使用了低通滤波器,实际位置和预估位置有ms延时,在rmin左右时,有°左右的电角度误差。产生此误差的主要原因是电机从零速起动,起动负载很小,根据电压电流计算得误差比较大,随着转速升高,负载加大,滞后角度逐渐变小。图 采用不同方法预估转子位置和实际位置波形展开对比Fig Differentwaysusedtocomparethewavesofestimatedandactualrotorangle  图是电机从零速起动到无位置时的角度与速度波形。在切换位置点b,预估速度有小幅波动,但立刻变成稳定状态,最后系统稳定在rmin。  a点为开始计算转子位置和速度的起始时刻b点为由斜坡位置切换成预估位置的时刻。图 电机切换到无位置时的速度与位置对比波形Fig Comparativewavesoftheestimatedandactualrotoranglefromzerotosensorlessstate  图为电机在额定转速时的预估位置、实际位置以及之间的角度差。从图中可以看出,在稳态时,预估位置能很好的跟踪实际位置,从而验证该方法的可行性。图 额定转速下预估位置和实际位置对比Fig Comparativewavesoftheestimatedandactualrotorangleintheratedstate第期永磁同步电机转子位置与速度预估©ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:wwwcnkinet 结论本文提出一种基于滑模观测器预估转子位置的方法,从理论到实验对该方法做了细致分析,得出以下结论:)基于滑模观测器预估转子位置以及速度的方法估算准确,易于工程实现。)采用PLL的方法能够增加控制系统的鲁棒性,解决位置估算易受外界电磁干扰影响的问题。)电机起动采用先预定位再升压升频的方法起动平稳,很好的解决了由零速向额定转速起动时的平稳性问题。参考文献: VADIMIUtkinSlidingmodecontroldesignprinciplesandapplicationstoelectricdrivesJIEEETransonIndustrialElectronics,,(): MATTHEWJCorley,ROBERTDLorenzRotorpositionandvelocityestimationforasalientPolepermanentmagnetsynchronousmachineatstandstillandhighspeedsJIEEETransonIndustryApplications,,(): BOLOGNANIS,OBOER,ZIGLITTOMSensorlessfulldigitalPMSMdrivewithEKFestimationofspeedandrotorpositionJIEEETransonIndustrialElectronics,,(): CHENZhiqian,TOMITAMutuwoNewadaptiveslidingobserversforpositionandvelocitysensorlesscontrolsofbrushlessDCmotorsJIEEETransonIndustrialElectronics,,(): LIChangsheng,ELBULUKMAslidingmodeobserverforsensorlesscontrolofpermanentmagnetsynchronousmotorsCIndustryApplicationsConference,SeptOct,Chicago: HYUNBAEK,HARKEMC,LORENZRDSensorlesscontrolofinteriorpermanentmagnetmachinedriveswithzerophaselagpositionestimationJIEEETransonIndustryApplications,,(): SPITERIStainesC,CILIAJ,MICALLEFBetalSensorlessvectorcontrolofasurfacemountPMSMusinghighfrequencyinjectionCPowerElectronicsMachinesandDrives,June,UK: KANGKyeLyong,KIMJangMokSensorlesscontrolofPMSMinhighspeedrangewithiterativeslidingmodeobserverCAPECNineteenthAnnualMeeting,March,Korea: RASMUSSENH,VADSTRUPP,BORSTINGHAdaptivesensorlessfieldorientedcontrolofPMmotorsincludingzerospeedCIEEEInternationalSymposium,May,France: 王丽梅,郑建芬,郭庆鼎基于载波注入的凸极永磁同步电动机无传感器控制J电机与控制学报,,(): WANGLimei,ZHENGJianfen,GUOQingdingSensorlesscontrolofsalientpolepermanentmagnetsynchronousmotorbasedoncarriersignalinjectionJElectricMachinesandControl,,(): 秦峰,贺益康两种高频信号注入法的无传感器运行研究J中国电机工程学报,,(): QINFeng,HEYikangComparativeinvestigationofsensorlesscontrolwithtwohighfrequencysignalinjectionschemesJProceedingsoftheCSEE,,(): 陈益广,李响,傅涛基于推广卡尔曼滤波算法的永磁同步电机无位置传感器控制J微电机,,(): CHENYiguang,LIXiang,FUTaoPositionsensorlesscontrolforpermanentmagnetsynchronousmotorbasedonextendedkalmanfilterJMicromotors,,(): 郭清风,杨贵杰,晏鹏飞SMO在无位置传感器PMSM驱动控制系统的应用J电机与控制学报,,(): GUOQingfeng,YANGGuijie,YANPengfeiApplicationofSMOforsensorlessdrivenandcontrollingsystemofPMSMJElectricMachinesandControl,,(): 祝晓辉,李颖晖基于扰动滑模观测器的永磁同步电机矢量控制J电机与控制学报,,(): ZHUXiaohui,LIYinghuiVectorcontrolforPMSMbasedondisturbanceSMOJElectricMachinesandControl,,(): 苏健勇,杨贵杰,李铁才PMSM扩展状态滑模观测器及转子位置和速度估算J电机与控制学报,,(): 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