1、重庆大学硕士学位论文基于旋转高频注入法的永磁同步电机转子初始位置检测研究姓名：沈朗申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：廖勇20090524重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要永磁同步电机(P e r m a n e n tM a g n e tS y n c h r o n o u sM a c h i n e，P M S M)I 由于无需励磁电流、体积轻便、运行效率和功率密度都很高，在工业领域得到越来越广泛的应用。在传统的运动控制系统中，通常采用光电编码器或旋转变压器来检测转子的位置和速度。然而，这些机械式的传感器增加了系统的成本，并且降低了系统的可靠性。因此，电动机无速度传感器控制系统的
2、研究具有重大意义和价值，已经成了近几年来的研究热点。目前，永磁同步电动机无位置传感器控制技术的研究已经取得了丰硕的成果，但大多依赖于对电动机基波方程的分析，不适于低速下应用，尤其是在转子初始位置检测方面有很多不足。针对这种现状，本文主要进行以下几个方面的研究工作：1 论文在阐述永磁同步电机基本结构并构建其数学模型的基础上，推导了基于凸极跟踪的旋转高频注入法估算转子位置的原理，建立仿真模型分析探讨了该法在永磁同步电机矢量控制中的应用，验证该法进行转子速度及位置检测的有效性。2 深入分析电机定子电感的饱和效应，建立仿真模型对旋转高频注入法在永磁同步电机转子初始位置检测中的应用进行了仿真研究。仿真实
3、验结果表明，旋转高频注入法能够准确跟踪转子凸极位置，但其存在不能确定估算结果是N 极还是S 极位置的问题。针对该问题，论文分析了永磁同步电机定子电流对电机磁路饱和度的影响，根据旋转电流矢量幅值变化特性，提出了一种判定转子永磁体N S极极性的方法，解决了常规高频注入法所存在的估算结果可能反向的问题。3 搭建了基于d S P A C E 实时仿真系统的实验平台，利用旋转高频注入法结合本文提出的转子永磁体N S 极极性检测方法进行了转子初始位置检测实验研究。实验结果表明，改进后的旋转高频注入法能够准确估算出转子初始位置。本文所做的研究工作，为包括具有结构性凸极及饱和性凸极在内的永磁同步电机转子初始位
4、置检测研究提供了一定的参考依据，并为永磁同步电机无传感器控制系统全速范围运行奠定了基础。关键词：永磁同步电机，高频注入，转子初始位置检测，N S 极性重庆大学硕士学位论文英文摘要A B S T R A C TP e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e(P M S M)h a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r yd u et ot h e i ri n d e p e n d e n to ne x c i t a t i o nc u r r e n t,l i
5、 g h tv o l u m e，h i 曲e f f i c i e n c y,a n dh i 曲p o w e rd e n s i t y I nc o n v e n t i o n a lm o t i o nc o n t r o ls y s t e m s，o p t i c a le n c o d e r so rr o t a r yt r a n s f o r m e ra r eu s e df o rt h i sp u r p o s e H o w e v e r,t h e s ea d d i t i o n a ls e n s o r si n
6、c r e a s et h eC O S T So ft h es y s t e ma n dd e c r e a s et h er e l i a b i l i t y T h e r e f o r e，i ti sv e r ys i g n i f i c a t i v et oc a r r yo u ts t u d yo ns e n s o r l e s sc o n t r o ls y s t e m s I nl a s ts e v e r a ly e a r s，t h e r eh a v eb e e nn u m e r o u sp u b l
7、 i c a t i o n so ns e n s o r l e s so p e r a t i o n,b u tm o s to ft h e s et e c h n i q u e so n l yr e l yo nt h ef u n d a m e n t a lm a c h i n ee q u a t i o n s，w h i c hl i m i t st h el o ws p e e do p e r a t i o no ft h em a c h i n ea n da r ed e f i c i e n c yo ni n i t i a lr o t
8、 o rp o s i t i o nd e t e c t i o ne s p e c i a l l y W i t ht h i sb a c k g r o u n d,t h es t u d yi sc a r r i e do u ta sf o l l o w si nt h i st h e s i s F i r s t l y,t h es t r u c t u r ea n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fP M S Ma r ed e s c r i b e d B a s e do nt h i s，t h et
9、 h e s i sd e d u c e st h ep r i n c i p l eo fs a l i e n c yd e t e c t i o nu s i n gh i 曲f r e q u e n c ys i g n a li n j e c t i o na n ds i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e dt or e s e a r c hh o wt h em e t h o di su s e di nv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fP M S M T h er
10、 e s u l t sv 耐匆i t sa v a i l a b i l i t yi np o s i t i o na n dv e l o c i t ye s t i m a t i o n S e c o n d l y,a c c o r d i n gt os a t u r a t i o ne f f e c to fw i n d i n gi n d u c t i o n,as i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e dt or e s e a r c hh o wt h em e t h o di su s
11、 e dt od e t e c ti n i t i a lr o t o rp o s i t i o n T h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o di se f f e c t i v ei ns a l i e n c yd e t e c t i o n，b u ti n c a p a b l ei nt h eN Sp o l a r i t yd i s t i n g u i s h i n g A i m e da t t h i sp r o b l e m,t h et h e s i sa n a l y z e
12、st h ei n f l u e n c eg e n e r a t e db ys t a t o rc u r r e n ti I lw i n d i n gi n d u c t a n c e A c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec u r r e n tr a n g e，am e t h o dh a sb e e np r o p o s e dt od i s t i n g u i s hN Sp o l a r i t y,w h i c hs
13、o l v e st h ep r o b l e mt h a te s t i m a t er e s u l tw o u l db er e v e r s ew i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o db a s e do nh i g hf r e q u e n c ys i g n a li n j e c t i o n F i n a l l y,a l le x p e r i m e n tp l a t f o r mb a s e do nd S P A C Er e a l t i m es i m u l a t i
14、 o ns y s t e mf o ri n i t i a lr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nW a sd e v e l o p e dt ov e r i f yt h ep r o p o s e dm e t h o d T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e dm e t h o di se f f e c t i v et od e t e c ti n i t i a lr o t o rp o s i t i o nc
15、 o r r e c t l y T h er e s u l t si nt h i st h e s i sw i l lb eh e l p f u lt oi n i t i a lr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nf o rb o t hs t r u c t u r a ls a l i e n c yP M S Ma n ds a t u r a t e ds a l i e n c yP M S M，a n dh a v el a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h es e n s o r l
16、 e s sc o n t r o li nw h o l es p e e dr e g i o n 重庆大学硕士学位论文英文摘要K e y w o r d s：P e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e，H i g hf r e q u e n c y 岫e c t i o n，I n i t i a lr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o n,N Sp o l a r i t ym学位论文独创性声明本人声一交的圾士学位圳茎豢燃竺竺三是我个人在导师指导下进行的研究工作
17、及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：泊乞1 j导师签名：签字日期：加9。岁弓，签字日期：卅r；学位论文使用授权书本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中鬻兹 专淼交溢篡麓黧渊下简称“章程”)，愿意将本人的强士学位论文竺笔坚篡谶五鬟茹鏊提交中国学术期刊(光盘版)电子杂志社(C N K I)在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学
18、位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入C N K I中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。作者签名：芝幻!釜氏导师签名：殍墨多仍歹年J 月多日备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书一，须填写以下内容：该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。说明：本声明及授权书生逝装订在提交的学位论文最后一页。重庆大学硕士学位论文1 绪论1 绪论1 1 课题研究背景和意
19、义随着生产技术的发展，对电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量地使用调速系统。由于直流电动机的调速性能和转矩控制性能良好，自诞生之日起就受到人们的关注，并且在工业和生活中得到了广泛的应用。但是，换向器的存在，使直流电动机的工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。2 0 世纪7 0 年代的能源危机促使人们研究交流调速系统，特别是随之而来的计算机和微处理器的快速发展、电力电子器件的日新月异、现代控制理论和智能控制方法的成熟，使得交流调速系统的开发和应用如日中天。采用半导体变流技术、大规模集成电路和高速处理器等实现的交流
20、调速控制系统，加之矢量控制、直接转矩控制及智能控制等先进控制方法的应用，使得交流调速控制系统逐步实现了宽的调速范围、高的稳态精度、快的动态响应以及在四象限可逆运行等良好的控制性能，在调速性能方面堪与直流电机媲美。在运动控制领域，交流调速系统已经上升到主导地位，并有逐步取代直流调速系统的趋势，其中永磁电机得到了人们越来越多的青睐【1 捌。永磁同步电机是近几年来发展比较快的一类新型电机，其电机结构上类似于同步电机，只是在转子结构上去掉了直流励磁绕组，并在转子上放置永磁体代替转子励磁绕组产生恒定的转子磁场，从而省去了转子滑环和碳刷装置，大大减少了电机铜耗。永磁电机的发展与永磁材料工业的进步密切相关。
21、目前永磁电机采用的永磁材料包括有A l N i C o(铝、镍、钴铁磁性合金)，C e r a m i c(陶瓷)、R a r e E a r t h(稀土材料)，F e r r i t e s(铁氧体磁性材料)，N d F e B(钕铁硼)，B a r i u m(钡)或S t r o n t i u m(锶)等铁磁性材料。1 9 8 3 年问世的钕铁硼永磁材料，由于其优异的磁特性、成本低廉和来源充足等原因，得到了广泛的应用和开发。在永磁电机中，永磁直流无刷电动机、永磁同步电机、永磁交流同步伺服电动机与永磁直流电动机是当前发展的主流，其中永磁直流无刷电动机是功率较小、类型品种多、应用广的产品
22、，由于采用电子换向代替机械换向，无刷电机的发展与电子技术的发展紧密相关，尤其要求它满足高性能、低价格，需要研究的内容甚多。永磁交流同步伺服电动机是一种功率较大、使用于高性能场合的产品，它能实现高性能伺服特性并满足同步换向的要求，因此降低成本与扩大生产成本成为此类电机的主攻方向。永磁同步电机有电动机和发电机两类，它们的功率较大并向超大容量发展。永磁同步电机具有高密度的气隙磁通，轻便的体积和高功率密度，而高转矩惯量比保证了永磁重庆大学硕士学位论文l 绪论同步电机具有快速动态响应能力。这些优点使得永磁同步电机在航空、航天、机器人、工业自动化及家用电器等各个领域得到越来越广泛的应用p J。在永磁同步电
23、机交流传动系统中，为提高交流电动机的调速特性，需要采用速度闭环控制。速度闭环的加入改善了电机的动态性能，在传统调速系统中一般采用安装速度传感器、测速发电机或增量式光电编码器来获取反馈速度，但是这样，不但增加了成本，破坏了交流调速系统的简易性，同时机械上的误差还会影响检测精度和控制性能，降低可靠性，增加了电动机安装和维护上的困难；而且速度传感器不适合在潮湿、粉尘等恶劣环境下工作，安装测速发电机还会增加电动机的额外负载。所以电动机无速度传感器控制系统的研究具有重大意义和价值，已经成了近几年来的研究热点【4 5 J。此外，永磁同步电动机控制中，转子初始位置正确性是电机正常起动运行的基础，是控制算法正
24、确运算实施的前提，若初始位置检测失误，有可能造成反方向旋转或者起动失败，这是不允许的。通常采用的起动方法有：(1)开环起动；(2)使转子转动到预先设定的位置上起动；(3)在静止时通过特定的算法估算转子位置。方法(1)、(2)无法在电动机转子静止时对其位置实现检测，不适合某些特定场合，而且要实现真正意义上的从静止到全速度范围的无位置传感器控制，必须很好地解决永磁同步电机静止时转子的初始位置估计问题。如果在无位置传感器控制中对永磁同步电机的转子初始位置估算不准确，就可能在电动机起动过程中发生反转或因失步导致起动失败，也有可能影响起动后的运行性能。因此如何利用控制系统己有资源以及一些可以检测的物理量
25、获得转子初始位置是无传感器控制乃至有位置传感器控制需要讨论研究的一个重要问题。1 2 无传感器控制技术在永磁同步电机中研究现状1 2 1 永磁同步电机无位置传感器控制自7 0 年代以来，交、直流调速系统中尽可能减少包括速度传感器在内的一切传感器的工业需求和努力就一直在进行着。1 9 7 5 年，A A b b o r d 等人根据异步电动机数学模型及系统控制原理，推导出电机的滑模表达式，在无速度传感器领域做出首次尝试。而首次将无速度传感器应用于矢量控制的是在19 8 2 年K J o e t t e n 完成的，这使得交流传动又上了一个新台阶。在其后的十几年里，国内外学者在这方面做了大量的工作
26、，提出了诸多方法，其中适合于永磁同步电机的转子和位置估算方法主要有：利用定子端电压和电流直接计算转子速度和位置该法通过检测电动机的端电压、电流，利用磁链计算出转子的位置角和速度。这里磁链由反电动势积分求得，由于积分器有零漂问题，得到的磁链值会有积分误差。当电机转速较低时，问题更为严重，尤其当电机运行在基速的5 以下时，2重庆大学硕士学位论文1 绪论无法建立起足够大的反电动势。该法计算简单，动态响应快，几乎没有延迟，但是如果要准确地计算出转子位置角和速度，都需要准确地测量定子端电压，而且对电动机参数的准确性要求也比较高。随着电动机运行工况的变化(例如温度的升高)，电动机参数风、L 会发生变化，参
27、数的误差会导致估算值偏离真实值。因此，应用这种方法时需结合电动机参数的在线辨谢4】。观测器基础上估算方法观测器的实质是状态重构，其原理是重新构造一个系统，利用原系统中可以测量的变量(如输入矢量和输出矢量)作为它的输入信号，并使其输出信号X U)在一定条件下等价与原系统的状态X(f)。通常，称X V)为x(t)的重构状态或估计状态，而称这个用以实现状态重构的系统为观测器。目前主要存在的观测器有全阶状态观测器、降阶状态观测器、扩展卡尔曼滤波器(E K F)、滑模观测器等。其中全阶状态观测器需要在电动机高速时和低速时采用不同的增益矩阵，而且由于状态观测器受电动机参数变化的影响较大，还需要另外一个状态
28、观测器来估计电动机的参数，这样使无传感器传动系统的估计算法更加复杂。同时系统还存在对负载变化比较敏感等问题 6-9 。扩展卡尔曼滤波法可以从随机噪声信号中得到转速最优观测。由于D S P 高速处理器的出现，扩展卡尔曼滤波器的位置估计方法可以在线观测速度和转子位置。其优势在于可以不需要电机精确的数学模型，克服电动机参数的时变对系统的不良影响估计出转子速度和位置。但采用这种算法计算量很大，滤波器很难确定实际系统的噪声级别和算法中卡尔曼增益 1 0-1 3】。滑模观测器是利用滑模变结构控制系统对参数扰动鲁棒性强的特点，把一般状态观测器中的控制回路改成滑模变结构的形式。滑模变结构控制的本质是滑模运动，
29、通过结构变化开关，以很高的频率来回切换，使状态的运动点以很小的幅度在相平面上运动，最终运动到稳定点。滑模运动与控制对象的参数变化以及扰动无关，因此具有很好的鲁棒性，但是滑模变结构控制在本质上是不连续的开关控制，会引起比较大的转矩脉动。去抖的同时仍然保证系统的鲁棒性是这种控制系统迫切需要解决的问题 1 4,1 5】。模型参考自适应(M R A S)方法该法的主要思想是将含有待估计参数的方程作为可调模型，将不含未知参数的方程作为参考模型，两个模型具有相同物理意义的输出量。两个模型同时工作，并利用其输出量的差值，根据合适的自适应律来实时调节可调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。模型
30、参考自适应方法在异步电动机的无速度传感器控制中的应用比较多，对于永磁同步电机，由于永磁体的存在，该方法在永磁同步电机无速度传感器控制中还有新的问题需要解决【1 6 1 刀。重庆大学硕士学位论文1 绪论高频注入法为解决低速时转子位置和速度估算不准的问题，美国w i s c o n s i n 大学的M L C o r l e y 和R D L o r e n z 提出了高频注入的方法。这种方法采用在电动机出线端注入高频电压(或电流)信号的方法，跟踪电动机内部固有的或认为的不对称性(凸极性)，检测高频电流(或电压)响应来获取转子位置和速度信息。由于依赖外加高频激励信号来显示凸极性，与电动机运行工况
31、无关，使得这种方法能够应用在很宽的速度范围内，解决低速甚至零速下转子位置和速度的估计问题，具有良好的应用前剽1 阳引。人工智能理论基础上的估算方法进入2 0 世纪9 0 年代，交流电气传动系统的控制方案逐步走向多元化，智能控制思想开始在传动领域初见端倪。专家系统(E x p e r tS y s t e m)、模糊控制f f u z z yC o n t r 0 1)、人工神经元网络(N e u r a lN e t w o r k)纷纷应用于电动机调速控制方案。利用神经元网络进行辨识，一般都是先规定网络结构，再通过学习系统的输入和输出，使性能指标满足要求，进而归纳出隐含在系统输入输出中的关系
32、。利用神经元网络辨识的方法有多种，最常用的是前馈多层模型法。这方面的研究虽然取得了一定的理论和仿真成果，但是由于其理论还不成熟，硬件实现也有很大难度，走向实用化的道路仍然漫长。但随着智能控制理论与应用的日益成熟，将会给交流传动领域带来革命性的变化【2 6】。1 2 2 转子初始位置的检测目前永磁同步电机控制系统中转子位置信息的获得多是采用硬件速度传感器，其中应用最多的是光电编码器。按脉冲与对应位置关系，光电编码器通常分为增量式、绝对式以及混合式三种，增量式编码器由于响应快、结构简单、体积小而得到了广泛应用。增量式编码器特点是可以通过脉冲计数获得转子位置信息增量，但我们无法区别具体是哪一个位置的
33、增量，必须在己知某一初始位置后(Z 信号给出初始零位信号)，根据角度增量获知转子当前位置，保证电机正常运行，因此它对转子起动时初始位置的获知无能为力。如果无法获得转子初始位置信息，电机起动前需要进行转子强制定位，或者手动旋转一周，使其经过一次Z 脉冲位置，获知码盘零位，码盘才可以正确工作，电机才可以投入运行。绝对式光电编码器对轴角位置进行编码，轴角位置与编码信号单值对应，可以在转子无机械运动的情况下获知转子绝对位置信息。使用这种编码器不存在转子初始位置检测问题，但由于它要对位置绝对值信号进行采样处理，有一定时间延迟，因此它无法满足高速、高精度控制要求。4重庆大学硕士学位论文1 绪论混合式编码器将增量式光电编码器与绝对式光电编码器功能进行了结合，但它输出的绝对位置信号只是一组相位互差1 2 0 度电角度的电信号，仅能够实现电机转子初始位置粗略检测。码盘信号将3 6 0 度电角度划分为6 个扇
