無位置傳感器伺服系統(tǒng)控制策略的研究

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1、無位置傳感器伺服系統(tǒng)控制策略的研究黃飛控制理論與控制工程1.1研究意義永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)是機電一體化產(chǎn)品，是多學科技術相結合的產(chǎn)物。它的驅(qū)動、控制更是和電子技術息息相關。因此，進行永磁同步電動機控制系統(tǒng)的研究對于我國工業(yè)現(xiàn)代化建設有著重要的意義。永磁同步電動機控制雖然已經(jīng)發(fā)展到相當成熟的階段，但是對其無位置傳感器控制系統(tǒng)的研究還有待進一步深入，存在著比較大的發(fā)展空間。本系統(tǒng)實現(xiàn)后能大大減少系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)可靠性，減少系統(tǒng)維護的工作量。同步電機傳動系統(tǒng)需要對其速度和位置進行控制。高精度的電機系統(tǒng)對速度控

2、制和位置控制提出很高的要求，相應地對傳感器的要求提高。目前，傳感器向小型化、低成本和高分辨率、多功能兩個方向發(fā)展。電機系統(tǒng)中傳感器的存在阻礙了電機向高速化、小型化發(fā)展。因此，無傳感器技術的研究在高速電機、微型電機的控制和一些特殊場合具有重要的意義。（1）.降低成本（2）.減小電機的體積（3）.提高系統(tǒng)可靠性（4）.減少維護量1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于使用傳感器給永磁同步電動機系統(tǒng)帶來很多問題，所以無傳感器的控制系統(tǒng)越來越引起人們的重視。無傳感器控制系統(tǒng)是指利用電機繞組中的有關電信號，通過適當方法估計出轉(zhuǎn)子的位置和

3、轉(zhuǎn)速，取代傳感器，實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制。同步電機無位置傳感器技術是在數(shù)字信號處理器(DSP)出現(xiàn)后得以發(fā)展的。DSP的高速信息處理能力使無位置傳感器控制技術的復雜算法能得以實現(xiàn)。在無位置傳感器技術方面，許多學者作出了研究，提出了切實可行的方法。主要方法有：（1）.基于PMSM基本電磁關系估算位置和轉(zhuǎn)速的方法（2）.基于對電機特殊特性分析基礎上的估計方法（3）.基于各種觀測器技術的位置辨識方法（4）.人工智能理論基礎上的估算方法2.1研究目標本課題研究的主要目標是實現(xiàn)永磁同步電機無位置傳感器控制，使得在實際的電機控

4、制中能夠脫離位置傳感器，降低成本，并且能夠達到采用位置傳感器控制時一樣的控制效果。2.2永磁同步電動機無位置傳感器控制中需解決的問題無傳感器技術的應用給永磁同步電機帶來了起動問題。機械式位置傳感器能探知電機靜止時轉(zhuǎn)子磁極位置，使電機和逆變器配合工作于自控同步狀態(tài)，因而電機起動不會失步。無傳感器技術無法在電機靜止時從電機的電氣特性知道轉(zhuǎn)子的初始位置。只有電機起動到一定的轉(zhuǎn)速后，電機才能正常運行于無位置傳感器狀態(tài)下。因此，電機初始轉(zhuǎn)子位置檢測和起動問題是同步電機實現(xiàn)無位置傳感器運行的一大問題。2.3研究安排》》》理

5、論分析，算法選擇》》》進行MATLAB仿真試驗》》》設計硬件電路》》》編寫DSP程序》》》在硬件上進行調(diào)試2.4當前工作當前的工作便是如何建立無位置傳感器的永磁同步電機伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型，并確定最佳的算法，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的準確預估和電機的矢量控制。3.1無位置傳感器控制系統(tǒng)結構圖3.2擬采取的研究方法及技術路線具體研究過程中將建立永磁同步電機在不同坐標系下的數(shù)學模型，在此基礎上深入分析永磁同步電機的內(nèi)部電磁約束關系，這些電磁約束關系對了解永磁同步電機的原理和研究高性能的控制決策提供了理論依據(jù)。建立適合閉環(huán)控制SVP

6、WM逆變器仿真模型，使用該模型可以大大提高仿真速度，對閉環(huán)控制系統(tǒng)進行的仿真研究，驗證模型的正確性。通過仿真，可以深入理解空間電壓矢量的控制原理以及控制效果，同時也可加快實際系統(tǒng)的設計和調(diào)試過程。3.2.1卡爾曼最優(yōu)估計原理采用卡爾曼最優(yōu)估計原理，將其應用到交流永磁同步電動機伺服系統(tǒng)中，并能夠提出一種基于擴展卡爾曼濾波器的永磁同步電機(PMSM)無速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)的方法。結合卡爾曼濾波原理，通過在靜止坐標系下對電機非線性方程進行線性化，給出一種對永磁電機的轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速進行實時在線最優(yōu)估計的方法。該方法具有

7、優(yōu)良的轉(zhuǎn)角跟蹤特性和較好的轉(zhuǎn)速跟蹤特性，同時系統(tǒng)要具有較強的抗負載擾動性能和較佳的控制性能。無位置傳感器控制實質(zhì)上就是調(diào)速系統(tǒng)中由軟件算法遞推得到轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速來代替由外加傳感器實現(xiàn)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速測量部分，其他部分與常規(guī)的調(diào)速系統(tǒng)相同。電機端電壓和相電流經(jīng)過坐標變換轉(zhuǎn)化為靜止坐標系下的電壓和電流量，輸入到EKF（非線性系統(tǒng)的擴展卡爾曼濾波算法）中得到轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，經(jīng)過轉(zhuǎn)速修正環(huán)節(jié)，把它送入PI控制器，輸出電機控制電壓，經(jīng)過逆變器后加到電機上。難點：模型復雜設計參數(shù)較多參數(shù)不易得到3.2.2基于估計坐標系基于估計

8、坐標系提出PMSM無位置傳感器矢量控制的一種新的狀態(tài)估計方法。能夠?qū)㈦姎夥€(wěn)態(tài)操作概念引入電機的狀態(tài)估計中，解決暫態(tài)過程中轉(zhuǎn)子速度、位置估計不精確的問題。在討論狀態(tài)估計算法對電機參數(shù)依賴性的基礎上，給出估計誤差補償算法。3.3啟動問題針對無位置傳感器控制方法檢測電機轉(zhuǎn)子初始位置問題，提出一種利用恒定的定子磁場將永磁轉(zhuǎn)子進行初始定位，然后利用旋轉(zhuǎn)磁場鎖定轉(zhuǎn)子位置的新起動方法。因此，啟動時通