【導(dǎo)讀】決實際問題的能力；③工作量的大??；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤寫作的規(guī)范程度；體積輕便、運行效率很高，在工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。只有知道了精確的轉(zhuǎn)子位。置信息，才能實現(xiàn)永磁同步電動機轉(zhuǎn)子磁場定向的運動控制。在傳統(tǒng)的永磁同步電動機運。動控制系統(tǒng)中，通常采用光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器來檢測轉(zhuǎn)子的位置。增加了系統(tǒng)的成本，并且降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，無傳感器檢測永磁同步電動機轉(zhuǎn)子。位置已逐漸成為熱點。介紹了永磁同步電動機轉(zhuǎn)子位置檢測的常用方法分兩種：即直接方式檢測和間。直接方式可分為：旋轉(zhuǎn)變壓器法、磁編碼器法、光電編碼器法；間接方式可。對于這個問題,本文又分析了永磁同步電機定子。磁體N/S極極性的方法，解決了常規(guī)高頻注入法所存在的估算結(jié)果可能反向的問題。

　　

【正文】 推Δ，再采用自同步技術(shù) 使Δ為零即可得實際位置。 文獻 [11]采用瞬時電壓作為狀態(tài)變量。在理想條件下，假定位置估計值與實際值相等，控制器據(jù)此及測得的電流值由瞬時電壓方程算出電壓指令（理想值），而實際電壓可以測量得到；也可以根據(jù) PWM 方式，功率管的死區(qū)時間和直流側(cè)電壓值計算出來，這樣可免去電壓傳感器。這種算法在Δ≥ 65176。時電機不能穩(wěn)定啟動。 文獻 [12]則考慮了由溫度變化引起的參數(shù)（如電動勢常數(shù) KE）改變對電機的影響。在假想的γ δ坐標(biāo)系下，根據(jù)實際電機與模型之間的電流差來校正速度和電動勢常數(shù)，位置則由速度的積分得到。這種算法的穩(wěn)態(tài) 誤差在 %以內(nèi)，不過在 80r/min以下時無效。 文獻 [13]在電機動態(tài)運行控制中引入了“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”的概念。假定在每個估算周期內(nèi)電流，位置均不變，在估計坐標(biāo)系 deqe下可得“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”電壓方程，再由這個方程可以很容易地反解出Δ，估算式中的電機參數(shù)只有定子電阻一項，計算量大為減少。這種算法不會引起誤差積累，可補償參數(shù)變化和非線性帶來的影響，有較強的魯棒性。 4） 基于各種觀測器的估算方法 觀測器的實質(zhì)是狀態(tài)重構(gòu)。其原理是對給定線性時不變被觀測系統(tǒng)∑，構(gòu)造與∑具有相同屬性的一個系統(tǒng)即線性時不變系統(tǒng) ?∑ ，利用原系統(tǒng)∑中可直接測量的變量如輸出量 Y 和輸入量 u 作為 ?∑ 的輸入信號，并使 ?∑ 狀態(tài)或其變換 x? 在一定指標(biāo)提法下等價于原系統(tǒng)∑的狀態(tài) x。等價指標(biāo)的提法通常取為漸近等價，即： l im ( ) l im ( )ttt x tx?? ? ? ?? 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 通常，稱 ?∑ 狀態(tài) x? 為被觀測系統(tǒng)∑狀態(tài) x 的重構(gòu)狀態(tài)或估計狀態(tài)，所構(gòu)造系統(tǒng)?∑ 為被觀測系統(tǒng)∑的一個狀態(tài)觀測器。這種方法具有穩(wěn)定性好、魯棒性強、適用面廣的特點。但由于它算法比較復(fù)雜，計算量較大，受到計算機或微處理器計算速度的限制。近年來，隨著微型計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了高性能的微處理芯片和數(shù)字信號處理器 (DSP)，大大地推動了這一方法在無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。基于觀測器的估算方法又可細 分為下面四種方法： ① 自適應(yīng)觀測器方法 它是基于穩(wěn)定性設(shè)計的參數(shù)辨識方法，存在自適應(yīng)律的合理選擇問題。如何替代廣泛使用的 PI 自適應(yīng)律，在提高收斂速度的同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和對參數(shù)的魯棒性是這種方法需要深入研究的方向。 ② 全階狀態(tài)觀測器方法 全階狀態(tài)觀測器需要在電機高速和低速時采用不同的增益矩陣，而且由于狀態(tài)觀測器受電機參數(shù)變化的影響較大，還需要另外一個狀態(tài)觀測器來估計電機的參數(shù)，這樣使無傳感器調(diào)速系統(tǒng)的估計算法變得比較復(fù)雜。同時系統(tǒng)還存在對負(fù)載變化比較敏感等問題。 ③ 滑模觀測器方法 滑模觀測器是把狀態(tài)觀測器中的控 制回路修改成滑模變結(jié)構(gòu)的形式，而滑模變結(jié)構(gòu)控制的本質(zhì)是滑模運動，通過結(jié)構(gòu)變換開關(guān)以很高的頻率來回切換，使?fàn)顟B(tài)的運動點以很小的幅度在相平面上運動，最終運動到穩(wěn)定點?；＿\動與控制對象的參數(shù)變化以及擾動無關(guān)，因此具有很好的魯棒性，但是滑模變結(jié)構(gòu)控制在本質(zhì)上是不連續(xù)的開關(guān)控制，因此會引起系統(tǒng)發(fā)生抖動，這對于矢量控制在低速下運行是有害的，將會引起比較大的轉(zhuǎn)矩脈動。 觀測器的穩(wěn)定性直接影響到位置估計的準(zhǔn)確性，因此現(xiàn)在單純的觀測器很少直接用于位置估計。文獻 [14]采用靜止 αβ 坐標(biāo)系下的定子電流作為狀態(tài)變量，建立了包含 參數(shù)變化等擾動在內(nèi)的狀態(tài)方程，由此構(gòu)造一個滑模觀測器，令電流估計值和實際值之差為開關(guān)函數(shù) S， S=0 即為滑動超平面。由滑動模的存在條件可解出開關(guān)增益的范圍。此文獻還給出了最惡劣情況下滑模存在的開關(guān)增益表達式及仿真結(jié)果。 文獻 [15]針對機器人手臂直接驅(qū)動系統(tǒng)是非線性的特點，設(shè)計了一個非線性速度觀測器對速度進行觀測，再利用融合了被測積分器反步法和非線性阻尼的部分狀態(tài)反饋控制其對位置和速度進行閉環(huán)控制，形成一個位置 速度跟蹤系統(tǒng)。該文證明了其跟蹤誤差是全局指數(shù)穩(wěn)定的。實驗表明，這個系統(tǒng)對正弦軌跡的跟蹤誤差僅為PD 控制器的 10%。其致命缺點是需要整個電機系統(tǒng)的精確模型知識。 ④ 卡爾曼濾波器法 卡爾曼濾波器是動態(tài)非線性系統(tǒng)在最小二乘意義下的最優(yōu)狀態(tài)估計器，也即狀 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 態(tài)變量的最小方差估計器。對于含零均值白高斯噪聲項的系統(tǒng)狀態(tài)方程及測量方程，卡爾曼濾波器通過預(yù)測 濾波兩步驟，可以很好地消除噪聲影響，給出最優(yōu)狀態(tài)估計值?？柭鼮V波器法中的協(xié)方差矩陣初值要憑經(jīng)驗試湊得出，可先由計算機仿真得到較接近的值。另外，由于矩陣中含有大量的零元，必須采取特殊的存儲技術(shù)和算法，以節(jié)省內(nèi)存和時間，從而降低成本。 擴展卡爾曼濾波器可以從隨機噪聲信號中 得到最優(yōu)觀測，但它的算法復(fù)雜，需要矩陣求逆運算，計算量相當(dāng)大。文獻 [16]采用了擴展卡爾曼濾波器來對電機的轉(zhuǎn)子、速度等進行狀態(tài)估計。兩者均以定子在靜止 αβ 坐標(biāo)系下的兩個分量 iα、 iβ，轉(zhuǎn)子角速度 ω和位置 θ 作為狀態(tài)變量，建立起系統(tǒng)的擴展?fàn)顟B(tài)方程，這樣電流的導(dǎo)數(shù)與電流、電壓呈線性關(guān)系。為滿足實時控制的要求，需要用高速、高精度的數(shù)字信號處理器，這使無傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)的硬件成本提高。另一方面，擴展卡爾曼濾波器要用到許多隨機誤差的統(tǒng)計參數(shù)，由于模型復(fù)雜，涉及因素較多，使得分析這些參數(shù)的工作比較困難，需要通過大量 調(diào)試才能確定合適的隨機參數(shù)。 5） 高頻注入法 為解決低速時轉(zhuǎn)子位置和速度估算不準(zhǔn)的問題，美國 wisconsin 大學(xué)的 和 提出了高頻注入的方法。這種方法采用在電動機出線端注入高頻電壓 (或電流 )信號的方法，跟蹤電動機內(nèi)部固有的或認(rèn)為的不對稱性 (凸極性 )，檢測高頻電流 (或電壓 )響應(yīng)來獲取轉(zhuǎn)子位置和速度信息。由于依賴外加高頻激勵信號來顯示凸極性，與電動機運行工況無關(guān)，使得這種方法能夠應(yīng)用在很寬的速度范圍內(nèi)，解決低速甚至零速下轉(zhuǎn)子位置和速度的估計問題，具有良好的應(yīng)用前景[1 18]。 6） 人工智能理論基礎(chǔ)上的估算方法 進入 20 世紀(jì) 90 年代，人們提出了基于人工智能的無傳感器控制方法，它們不需要系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，并且可被應(yīng)用于非線性系統(tǒng)?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法 ： 用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代電流模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器，用誤差反向傳播算法取代比例積分自適應(yīng)律進行速度和位置估計，網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值為電機參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出具有明確的物理意義。網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程就是速度和位置估計過程，而且是在線進行。這種方法實際上是利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對定量化信息的處理能力。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于速度和位置估計，另一種有意義的做法是用單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器取代線 性比例積分自適應(yīng)律進行速度和位置估計。單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器的作用可以看成是一個變系數(shù)的非線性 PID調(diào)節(jié)器，因此在其作用下，狀態(tài)與速度和位置估計的收斂過程相當(dāng)快，而系統(tǒng)仍然是穩(wěn)定的。雖然這些方法對參數(shù)變化和測量噪聲具有較強的魯棒性，但是復(fù)雜的算法、繁重的計算量及對系統(tǒng)控制所需的專家知識卻大大限制了這些方法在實際中的應(yīng)用。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 22 頁 第五章 旋轉(zhuǎn)高頻注入法的原理及應(yīng)用 永磁同步電動機具有三相定子分布繞組和永磁轉(zhuǎn)子，在磁路結(jié)構(gòu)和繞組分布上保證其電樞反電勢波形為正弦，外施的定子電壓和電流一般靠 PWM 變頻器來提供。變頻器供電 的永磁同步電動機加上轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制便構(gòu)成自控式永磁同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)，通過檢測轉(zhuǎn)子的磁極位置，控制變頻器輸出電流的相位和頻率，使定子和轉(zhuǎn)子磁動勢保持確定的相位關(guān)系，就可以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子位置自檢測技術(shù)能利用電動機繞組的有關(guān)電信息，通過特定的算法來估計電動機轉(zhuǎn)子的空間位置和旋轉(zhuǎn)速度，基于轉(zhuǎn)子位置自檢測技術(shù)的自控式永磁同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)可稱之為無位置傳感器永磁同步電動機控制系統(tǒng)。 永磁同步電動機轉(zhuǎn)子位置自檢測技術(shù)根據(jù)能否在零速和極低速下應(yīng)用分兩大類，第一類方法基于基波激勵下電動機的數(shù)學(xué)模型，不 適合低速下的應(yīng)用，而第二類方法基于高頻信號注入、利用電動機的凸極效應(yīng) (固有或飽和 )跟蹤轉(zhuǎn)子的位置，擺脫了運行狀況的限制，是本章重點討論的內(nèi)容。高頻注入法從注入信號的性質(zhì)來分，可以分為旋轉(zhuǎn)高頻信號注入法和脈振高頻信號注入法；而從信號前饋的位置來分，可以分為高頻電壓信號注入法和高頻電流信號注入法。本章在詳細分析旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號注入下永磁同步電動機數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，深入研究基于高頻信號注入的轉(zhuǎn)子位置自檢測方法，討論轉(zhuǎn)子位置信息提取的過程 。 旋轉(zhuǎn)高頻信號激勵下永磁同步電機數(shù)學(xué)模型 旋轉(zhuǎn)高頻信號注入法是在基波激 勵上疊加一個三相平衡的高頻電壓或電流激勵，然后檢測電動機中對應(yīng)的電流或電壓響應(yīng)并通過特定的信號處理過程來獲取轉(zhuǎn)子位置信息的自檢測方法。要探討旋轉(zhuǎn)高頻信號注入法的原理，必須首先建立旋轉(zhuǎn)高頻信號激勵下永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型。 在 節(jié)討論了永磁同步電機在同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，利用 PARK變換可以得到永磁同步電機在兩相靜止 αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下： 00c o s 2 s in 2s in 2 c o s 2su i iL L LRpu i iL L L? ? ?? ? ?????? ? ?? ? ? ? ? ?????? ? ? ? ? ???? ? ???? ? ? ? ? ? s ins in 2 c o s 22c o sc o s 2 s in 2 frr fiLLi ???????????? ? ? ???????? ?????????? ?? ?? （ ） 由于注入的是高頻電壓信號，其電流響應(yīng)也應(yīng)為高頻，因此式中的變壓器電勢項 00c o s 2 s in 2s in 2 c o s 2 iL L Lp iL L L ??????? ? ? ???? ????? ? ??? ??在電壓降中占有主導(dǎo)地位，在忽略定子電阻和旋轉(zhuǎn)電壓及感應(yīng)電動勢影響的情況下，可近似地將定子電壓方程表示為 00c o s 2 s in 2s in 2 c o s 2uiL L Lp L L L????????? ? ?? ? ? ????? ? ? ???? ? ???? ? ? ? （ ） 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 23 頁 在同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系中電機的電壓方程 000 0d d d d drqsq q q q q r frdu i L o i iLRpu i L i iL ? ??? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （ ） 同理，在忽略定子電阻和旋轉(zhuǎn)電壓及感應(yīng)電動勢 影響的情況下，式 ()可近似表示為 0d d dq q qu L o ipu L i? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ ） 旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號注入法原理 向永磁同步電機內(nèi)注入三相對稱的高頻正弦電壓信號，則在電機內(nèi)會產(chǎn)生幅值恒定而高速旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量，它在靜止αβ坐標(biāo)系下可表示為 ? ? ()c o s ( ) s i n ( ) c c ijtc c cc c i c c iu u t j t u e ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? （ ） 式 中， ωc 為注入高頻電壓信號角頻率； cu 為旋轉(zhuǎn)電壓矢量幅值； θci為注入高頻電壓信號的初始相位；下標(biāo)“ αβ”表示兩相靜止坐標(biāo)系。圖 為電機及空間矢量示意圖，圖中 θri是轉(zhuǎn)子初始位置角。 ? ?A ?B C? 0uc??c? r?r i r t???c i c t??? 圖 51 永磁同步電動機坐標(biāo)軸系及空間矢量圖 電壓矢量 cu?? 在電機內(nèi)產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場，其速度 ωc要遠高于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度 ωr，一定會受到轉(zhuǎn)子凸極周期性地調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果自然要反映在電流響應(yīng)上，使定子高頻電流成為包含有轉(zhuǎn)子位置信息的載波電流，進行調(diào)解處理后就可 從中提取出相 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 24 頁 關(guān)的轉(zhuǎn)子位置信息，以此來構(gòu)成各種閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)無傳感器的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制。下面將對如何提取轉(zhuǎn)子凸極位置信息進行分析研究。 先將電壓矢量 cu?? 變換到同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系中，由圖 51 和式 ()可得 ( / 2 ) ( / 2 )r r i c r r i c ij t j t tc c cdqu u e u e? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ??? （ ） 根據(jù)式 ()可得 ? ?? ?c o ss incc dd c r c i r i dqccq c r c i r i qdiu u t Ldtdiu u t Ldt? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ????????? ? ? ? ? ??????? （ ） 從中解出 id， iq 得： ? ?