【正文】 rita Universidad Aut243。nguez, R. Maya, R. Alvarez, L. Cortez, G. Mu241。電氣傳動，2007，37 [18] 周曉敏、王長松、齊昕。電工技術(shù)學(xué)報 [7] and Novel Position Sensor Elimination Technique forthe Interior PermanentMagnet Synchronous Motor Transactions on Industry Applications [8] and Approach to RealTime Position Estimation at Zeroand Low Speed for a PM Motor Based on Transactions on Industry Applications [9] and Position and Velocity Estimation for aSalientPole Permanent Magnet Synchronous Machine at Standstill and High Transactions on Industry Applications [10] and Position Estimation Scheme of a Permanent MagnetSynchronous Machine for High Performance Variable Speed of27thIEEE Industry Applications Society Annual Meeting [11] and DC Motor Control without Position and Speed Sensor. IEEE Transactions on Industry Applications [12] and Brushless DC Motor Drives with EMFConstant Identifier. Proceedings of IEEE 20ndInternational Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation [13] Kim JoohnSheok and Sul Approach for High Performance PMSM Drives without Rotational Position Transactions on Power Electronics [14] , and . A PositionandVelocity Sensorless Control for Brushless DC Motors Using an Adaptive Sliding Mode Observer. IEEE Transactions on Industrial Electronics [15] , and Control of a Brushless DC Motor without Velocity Measurements. IEEE ProceedingsElectric Power Applications [16] , and FullDigital PMSM Drive with EKF Estimation of Speed and Rotor Position. IEEE Transactions on Industrial Electronics [17] 繆學(xué)進(jìn)、李永東、肖曦。參考文獻(xiàn) [1] 宋春昕 式永磁同步電動機低速運行無傳感器控制 [2] 陳春光 磁同步電動機轉(zhuǎn)子磁場分析與計算 哈爾濱理工大學(xué) [3] 張益男 基于DSP的永磁同步電動機高性能控制 江蘇大學(xué) [4] 楊順昌 電機的矩陣分析[M]. 重慶, 重慶大學(xué)出版社 1988 [5] 林輝、史富強 永磁同步電動機控制策略綜述 [6] 任雷、崔芮華、王宗培，等。結(jié)合本文提出的永磁體N/S極極性判定方法對轉(zhuǎn)子位置估算結(jié)果進(jìn)行校正，有效解決了估算反向問題。這樣我們就可以準(zhǔn)確得到轉(zhuǎn)子的位置信息了。當(dāng)定子通有旋轉(zhuǎn)電流矢量時會對轉(zhuǎn)子d軸的兩端產(chǎn)生相反的影響：電流矢量掠過N極時起助磁作用，磁路更趨飽和，定子電感降低；電流矢量掠過S極時起去磁作用，磁路飽和度降低，定子電感增大。在無傳感器控制技術(shù)中，轉(zhuǎn)子位置的檢測是首要解決的關(guān)鍵問題。圖57為完整的轉(zhuǎn)子初始位置估算流程框圖[20]。 通過以上分析可知，檢測電流矢量幅值達(dá)到最大時計算出電流此時的相位即可判斷出轉(zhuǎn)子永磁體N極的位置θN。圖56 考慮電流對磁路飽和影響時定子電流矢量軌跡 與圖52的橢圓不同之處在于，原本位于d軸上的橢圓長軸兩端長度變化了。圖55 面貼式永磁同步電動機電感變化曲線、S極由上節(jié)分析可知高頻電流矢量在一個周期內(nèi)，掠過轉(zhuǎn)子N極時電流幅值達(dá)到最大，因此檢測電流矢量幅值達(dá)到最大值時的相位即可得到轉(zhuǎn)子N極的位置。當(dāng)在定子繞組上施加高頻旋轉(zhuǎn)電壓信號時，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電流頻率遠(yuǎn)高于電機基波頻率，由于轉(zhuǎn)子各處阻抗不均勻，旋轉(zhuǎn)電流矢量的幅值將會被調(diào)制。圖54 d軸定子磁鏈和定子電流的關(guān)系 由圖54我們可以看出，在dq坐標(biāo)系中，定子d軸電流對定子鐵芯飽和程度有一定影響，當(dāng)id產(chǎn)生磁通方向與轉(zhuǎn)子磁通方向一致時會加劇定子鐵芯飽和程度，當(dāng)id產(chǎn)生磁通方向與轉(zhuǎn)子磁通方向相反時會減弱定子鐵芯飽和程度。下面分析當(dāng)定子繞組通有電流時繞組磁勢對繞組電感變化的影響。 由式()我們可以看出，利用傳統(tǒng)的高頻注入法檢測時，其負(fù)序電流分量包含轉(zhuǎn)子的位置信息，但是由于θri以π為周期變化，因此我們無法從中得到永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁極的極性信息，需要利用定子鐵芯飽和作用來進(jìn)一步獲得轉(zhuǎn)子極性信息。在其它提取轉(zhuǎn)子位置信息的方法中，所用的外差法及文獻(xiàn)[17]所提的鎖相環(huán)檢測方法等，也都存在由于進(jìn)行三角函數(shù)運算而使得估算結(jié)果存在多解的問題，位置估算結(jié)果同樣可能反向。坐標(biāo)系中后得到 （） 利用低通濾波器濾除前一項后得到 （） 由于負(fù)序分量的角速度不同，那么在進(jìn)行帶通濾波及低通濾波時截至頻率的設(shè)置就有所不同：進(jìn)行速度估算時帶通濾波器要通過的分量角頻率為，轉(zhuǎn)子初始位置檢測時帶通濾波器要通過的分量角頻率為；進(jìn)行速度估算時用低通濾波器濾去角頻率為的高頻分量，通過角頻率為的低頻分量，需要對低通濾波造成的相位滯后進(jìn)行補償，而轉(zhuǎn)子初始位置檢測時低通濾波器要通過的是直流分量，無需做相位補償。q39。同樣在將定子電流矢量由靜止兩相坐標(biāo)系變換到－ωc以同步旋轉(zhuǎn)的d 39。轉(zhuǎn)子初始位置檢測即是當(dāng)ωr=0時的轉(zhuǎn)子位置檢測，故也可以采用旋轉(zhuǎn)高頻注入法。針對基于常規(guī)的高頻注入法在檢測永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置時，存在位置估算結(jié)果可能反向的問題，根據(jù)定子鐵心的非線性磁化特性，本文提出了一種轉(zhuǎn)子永磁體N/S極極性判定和轉(zhuǎn)子初始位置檢測的方法。因此利用該法進(jìn)行位置估算時，需要提前測得轉(zhuǎn)子初始位置角，否則估算結(jié)果可能是錯誤的。但是，如果電機的凸極性不明顯，那么反映轉(zhuǎn)子凸極位置的信號就很弱，信號噪聲比過低，會影響估計精度。式()表明，負(fù)序電流矢量的幅值是否準(zhǔn)確并不重要。于是，由與的矢量積便可獲取位置誤差信息，即有： （）誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到電磁轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)分量，通過電機運動方程得到電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速繼而得到位置信息。如果=，那么兩個電流矢量與的方向應(yīng)該一致。坐標(biāo)系中，這相當(dāng)于將式()兩邊同乘以變換因子，即有 （）利用低通濾波器(Low Pass Filter，LPF)將上式中的第一項濾掉后，可以得到 （）從式()可以看出，此分量的相位中含有轉(zhuǎn)速信息，并且在已知轉(zhuǎn)子初始位置角θri的情況下可以得到轉(zhuǎn)子的位置信息。q39。為消除ip，可將定子電流矢量由靜止兩相坐標(biāo)系變換到以－ωc同步旋轉(zhuǎn)的d 39?；l電流、低次諧波電流、PWM開關(guān)諧波電流與高頻電流響應(yīng)的頻率相差較大，前兩者頻率遠(yuǎn)低于注入頻率，后者與逆變器功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率有關(guān)，比注入頻率要高得多，它們都可以通過常規(guī)的帶通濾波器(Band Pass Filter，BPF)予以濾除。從負(fù)序電流矢量中提取轉(zhuǎn)子凸極位置信息的方法有基于矢量變換的估計系統(tǒng)、基于外差法的估計系統(tǒng)、鎖相環(huán)估計系統(tǒng)[19]等，本章分析研究采用基于矢量變換結(jié)合外差法的估計系統(tǒng)。圖52 定子電流矢量運動軌跡但是，直接從這個橢圓軌跡中提取位置信息是比較困難的，因為橢圓長軸與短軸的比例為如果這個比例接近于1，則橢圓度會比較低，在實現(xiàn)中會產(chǎn)生較大偏差。事實上，橢圓的長軸與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，位置處于不斷變化之中。先將電壓矢量變換到同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中，由圖51和式()可得 （）根據(jù)式()可得 （）從中解出id，iq得： （）得電流矢量形式為 （）變換回靜止αβ坐標(biāo)系中，得 （） 上式表明，定子電流矢量可以分解成兩個分量，一個是以角速度ωc正向旋轉(zhuǎn)的正序電流矢量ip；另一個是以角速度反向旋轉(zhuǎn)的負(fù)序電流矢量in，在負(fù)序電流矢量in中包含有轉(zhuǎn)子凸極的速度及位置信息。圖51 永磁同步電動機坐標(biāo)軸系及空間矢量圖電壓矢量在電機內(nèi)產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場，其速度ωc要遠(yuǎn)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(jìn)行調(diào)解處理后就可從中提取出相關(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。，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： （）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 （）在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中電機的電壓方程 （） 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 （）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 （），ωc為注入高頻電壓信號角頻率；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。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。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。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)。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。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。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?；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(jìn)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。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[118]。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。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。文獻(xiàn)[16]采用了擴展卡爾曼濾波器來對電機的轉(zhuǎn)子、速度等進(jìn)行狀態(tài)估計。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。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。其致命缺點是需要整個電機系統(tǒng)的精確模型知識。該文證明了其跟蹤誤差是全局指數(shù)穩(wěn)定的。此文獻(xiàn)還給出了最惡劣情況下滑模存在的開關(guān)增益表達(dá)式及仿真結(jié)果。文獻(xiàn)[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?；＿\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。同時系統(tǒng)還存在對負(fù)載變化比較敏感等問題。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。近年來，隨著微型計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了