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(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品，是多學(xué)科技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它的驅(qū)動(dòng)、控制更是和電子技術(shù)息息相關(guān)。因此，進(jìn)行永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究對(duì)于我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)有著重要的意義。永磁同步電動(dòng)機(jī)控制雖然已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段，但是對(duì)其無位置傳感器控制系統(tǒng)的研究還有待進(jìn)一步深入，存在著比較大的發(fā)展空間。本系統(tǒng)實(shí)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(hù)的工作量。同步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)需要對(duì)其速度和位置進(jìn)行控制。高精度的電機(jī)系統(tǒng)對(duì)速度控制和位置控制提出很高的要求

2、，相應(yīng)地對(duì)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(gè)方向發(fā)展。電機(jī)系統(tǒng)中傳感器的存在阻礙了電機(jī)向高速化、小型化發(fā)展。因此，無傳感器技術(shù)的研究在高速電機(jī)、微型電機(jī)的控制和一些特殊場(chǎng)合具有重要的意義。（1）.降低成本（2）.減小電機(jī)的體積（3）.提高系統(tǒng)可靠性（4）.減少維護(hù)量1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于使用傳感器給永磁同步電動(dòng)機(jī)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(jī)繞組中的有關(guān)電信號(hào)，通過適當(dāng)方法估計(jì)出轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，取代傳感器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制。同步電機(jī)無位置

3、傳感器技術(shù)是在數(shù)字信號(hào)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(shù)的復(fù)雜算法能得以實(shí)現(xiàn)。在無位置傳感器技術(shù)方面，許多學(xué)者作出了研究，提出了切實(shí)可行的方法。主要方法有：（1）.基于PMSM基本電磁關(guān)系估算位置和轉(zhuǎn)速的方法（2）.基于對(duì)電機(jī)特殊特性分析基礎(chǔ)上的估計(jì)方法（3）.基于各種觀測(cè)器技術(shù)的位置辨識(shí)方法（4）.人工智能理論基礎(chǔ)上的估算方法2.1研究目標(biāo)本課題研究的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制，使得在實(shí)際的電機(jī)控制中能夠脫離位置傳感器，降低成本，并且能夠達(dá)到采用位置傳感器控制時(shí)一樣的控制效

4、果。2.2永磁同步電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制中需解決的問題無傳感器技術(shù)的應(yīng)用給永磁同步電機(jī)帶來了起動(dòng)問題。機(jī)械式位置傳感器能探知電機(jī)靜止時(shí)轉(zhuǎn)子磁極位置，使電機(jī)和逆變器配合工作于自控同步狀態(tài)，因而電機(jī)起動(dòng)不會(huì)失步。無傳感器技術(shù)無法在電機(jī)靜止時(shí)從電機(jī)的電氣特性知道轉(zhuǎn)子的初始位置。只有電機(jī)起動(dòng)到一定的轉(zhuǎn)速后，電機(jī)才能正常運(yùn)行于無位置傳感器狀態(tài)下。因此，電機(jī)初始轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和起動(dòng)問題是同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)無位置傳感器運(yùn)行的一大問題。2.3研究安排》》》理論分析，算法選擇》》》進(jìn)行MATLAB仿真試驗(yàn)》》》設(shè)計(jì)硬件電路》》》編寫DSP程序》》》在硬件上進(jìn)行調(diào)

5、試2.4當(dāng)前工作當(dāng)前的工作便是如何建立無位置傳感器的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并確定最佳的算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確預(yù)估和電機(jī)的矢量控制。3.1無位置傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2擬采取的研究方法及技術(shù)路線具體研究過程中將建立永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上深入分析永磁同步電機(jī)的內(nèi)部電磁約束關(guān)系，這些電磁約束關(guān)系對(duì)了解永磁同步電機(jī)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SVPWM逆變器仿真模型，使用該模型可以大大提高仿真速度，對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行的仿真研究，驗(yàn)證模型的正確性。通過仿真，可以深入理解空間電壓

6、矢量的控制原理以及控制效果，同時(shí)也可加快實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試過程。3.2.1卡爾曼最優(yōu)估計(jì)原理采用卡爾曼最優(yōu)估計(jì)原理，將其應(yīng)用到交流永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中，并能夠提出一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的永磁同步電機(jī)(PMSM)無速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)的方法。結(jié)合卡爾曼濾波原理，通過在靜止坐標(biāo)系下對(duì)電機(jī)非線性方程進(jìn)行線性化，給出一種對(duì)永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)在線最優(yōu)估計(jì)的方法。該方法具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)角跟蹤特性和較好的轉(zhuǎn)速跟蹤特性，同時(shí)系統(tǒng)要具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)性能和較佳的控制性能。無位置傳感器控制實(shí)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

7、轉(zhuǎn)速來代替由外加傳感器實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速測(cè)量部分，其他部分與常規(guī)的調(diào)速系統(tǒng)相同。電機(jī)端電壓和相電流經(jīng)過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)化為靜止坐標(biāo)系下的電壓和電流量，輸入到EKF（非線性系統(tǒng)的擴(kuò)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(jī)控制電壓，經(jīng)過逆變器后加到電機(jī)上。難點(diǎn)：模型復(fù)雜設(shè)計(jì)參數(shù)較多參數(shù)不易得到3.2.2基于估計(jì)坐標(biāo)系基于估計(jì)坐標(biāo)系提出PMSM無位置傳感器矢量控制的一種新的狀態(tài)估計(jì)方法。能夠?qū)㈦姎夥€(wěn)態(tài)操作概念引入電機(jī)的狀態(tài)估計(jì)中，解決暫態(tài)過程中轉(zhuǎn)子速度、位置估計(jì)不精確的問題。在討論狀態(tài)估計(jì)算法對(duì)電機(jī)參數(shù)依

8、賴性的基礎(chǔ)上，給出估計(jì)誤差補(bǔ)償算法。3.3啟動(dòng)問題針對(duì)無位置傳感器控制方法檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置問題，提出一種利用恒定的定子磁場(chǎng)將永磁轉(zhuǎn)子進(jìn)行初始定位，然后利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)鎖定轉(zhuǎn)子位置的新起動(dòng)方法。因此，啟動(dòng)時(shí)通