电机无位置、无速度传感器的设计

J I A N G S U U N I V E R S I T Y

现代交流电动机的智能控制

--电机无位置、无速度传感器的设计

班级：电气

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完成日期： 2015年1月3日

电机无位置、无速度传感器的设计

【摘要】近年来，随着现代电力电子技术以及现代控制理论的飞速发展，促进了永磁同步电机无位置传感器控制技术的不断进步。无位置传感器永磁同步电机调速系统不仅具有结构简单、易维护、运行效率高、调速性能好等优点，还具有体积小、成本低、可靠性高以及能应用于一些特殊场合的特点。本文以正弦波驱动的永磁同步电动机为研究对象，采用滑模观测器的方法，研究并实现了永磁同步电机驱动控制系统的无位置传感器技术。

【关键词】永磁同步电机，无位置传感器，矢量控制

一、永磁同步电机数学模型

永磁同步电机(PMSM)的定子结构与普通感应电动机的定子一样，均为三相对称绕组结构，转子的磁路结构是它区别于其它类型电机的主要因素。为了更好的分析和控制，需要建立简便可行的永磁同步电机数学模型。

永磁同步电动机是一个多输入、强耦合、非线性系统，因此其电磁关系十分复杂。为了简化分析，作出如下假设：

(1)忽略磁路饱和、涡流和磁滞损耗；

(2)转子上没有阻尼绕组，永磁体没有阻尼作用；

(3)电机的反电势正弦，定子电流在气隙中只产生正弦分布磁势，忽略磁场高次谐波。

图1为表装式永磁同步电机的结构图，为了简化，这里转子设为一对磁极结构。从图1中可知，永磁同步电机的定子绕组结构与感应电机相同，三个电枢绕组空间分布，轴线互差 120°电角度。这里以 A 相绕组轴线作为定子静止参考轴，定义转子永磁极产生的磁场方向为直轴(d 轴)，则沿着旋转方向超前直轴 90°电角度的位置为交轴(q 轴)，并且以转子直轴相对于定子 A 相绕组轴线作为转子位置角θ。

????

??????+????????????????????=??????????c b a c b a c b

a c

b a i i i R R R u u u ???000000 三相定子电流主要作用是产生一个旋转的磁场，从这个角度来说，可以用两相系统来等效，这里就引入了旋转两相dq 坐标,于是得到 PMSM 在dq 轴系的电压方程：

???-+=-+=d

e q q q q e d d d p Ri u p Ri u ψωψψωψ 最终得到PMSM 的运动方程为：L r e r T B T dt

d J --=ωω 二、永磁同步电机矢量控制原理

矢量控制的基本思想是在磁场定向坐标下，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两分量互相垂直、彼此独立，然后分别进行调节。PMSM 中，由于励磁是由永磁体转子实现，这样只需控制定子三相电流合成正交于转子直轴的转矩电流分量就可以控制电机转矩，使得 PMSM 的控制等效成直流电机的控制。

磁同步电机矢量控制的基本思想就是建立在坐标变换及电机电磁转矩方程上的。对于表装式永磁同步电机(SPMSM)，其直轴电感和交轴电感相等，即

s q d L L L ==，则转矩方程可简化为：q f n e i P T ψ2

3= 。 由上式可以看出，表装式永磁同步电机和直流电机具有相同的电磁转矩方程。由于电机极对数 n P 、永磁体磁势f ψ为常数，则对于永磁同步电机来说，可以采用类似直流电机的控制方法来控制转矩。然而，对于直流电机，由于其励磁磁场与电枢磁场正交，所以控制非常简单；对于永磁同步电机，由于通入三相交流电，三相绕组耦合，同时又与转子磁场耦合，所以永磁同步电机的控制显然比直流电机控制复杂。

永磁同步电机的控制关键是实现电机瞬时转矩的高性能控制。从电机数学模型看，对电机输出转矩的控制最终归结为对交轴和直轴电流的控制。对于 PMSM 一般采用转子磁场定向控制方式(可简写为 FOC)，该方式对小容量驱动场合特别合适。对给定的电磁转矩，电机交轴和直轴电流有多种不同的组合，按照控制目标可以分为：0=d i 控制、功率因数等于1控制、力矩电流比最大控制、恒磁链控制。它们各有各的特点：

(1)0=d i 控制是一种最简单的电流控制方式，该方法由于没有直轴电流，因此电机没有直轴电枢反应，不会产生去磁效应。电机所有电流均用来产生电磁力矩，对于表装式电机，0=d i 时电机电流所产生的电磁力矩最大。

(2)功率因数等于1控制方法是使电机保持功率因数恒为 1，从而使得逆变器的容量能得到充分的利用。但是在永磁同步电机中，由于转子励磁不能调节，在负载变化时，转矩绕组的总磁链无法保持恒定，所以电枢电流和转矩之间不能保持线性关系。

(3)力矩电流比最大的控制是在电机输出给定力矩的条件下，使定子电流最小的控制方法。该方法减小了电机的铜损，有利于逆变器开关器件的工作，减小

逆变器的损耗。在该方法的基础上，采用适当的弱磁控制方法，可以改善电机高速时的性能，缺点是功率因数随着输出转矩的增大下降较快。对于表装式永磁同步电机，本控制方式就是0=d i 控制方式。

(4)恒磁链控制方法就是控制电机定子电流，使气隙磁链与定子交链磁链的幅值相等。这种方法可以获得比较高的功率因数，在一定程度上提高了电机的最大输出转矩，但仍存在最大输出转矩的限制。以上各种电流控制方法各有特点，适用于不同的运行场合。

采用0=d i 的矢量控制方式，可以得到SPMSM 的线性状态方程：

??????-+????

??????--=??????J T L u J P L P L R i L q f n f n r d //0/2

3ψψω 三、控制系统整体方案设计 无位置传感器永磁同步电机矢量控制系统的结构如图2所示，它主要由主电路和控制电路组成。主电路包括整流滤波电路以及功率驱动电路，其中功率驱动模块采用了智能功率驱动模块 IPM ，它集功率开关器件 IGBT 、驱动电路和保护电路为一体，在保证系统控制性能的同时极大地简化了驱动电路的设计。控制电路以无位置传感器永磁同步电机专用控制芯片IRMCF341为核心，包括母线电压采样电路、单电阻电流采样电路、开关电源电路、上位机通讯电路、EEPROM 电路等部分。

本设计的驱动电路采用了新型智能功率驱动模块 IPM 。智能功率模块是把功率开关器件和驱动电路集成在一起，带有电压保护、电流保护及热保护电路，并可将检测信号送至CPU 或DSP 做中断处理的新型电力电子器件。它一般由高速低功耗的管芯和优化的门及驱动电路以及快速保护电路组成，即使发生负载事故或使用不当也能保证IPM 本身不受损坏。IPM 一般使用 IGBT 作为开关元件，并内置传感器及集成驱动电路。

本设计中使用的IPM 为SKT621-061A 型智能功率模块，最大输入电压为 450V ，最大输出电流为 30A ，最高开关频率可达20KHz ，能很好地满足设计要求。

永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统分析：

由上述分析可知，电动机的转矩大小取决于d i 和q i 的大小，即控制d i 和q i 便可以控制电动机的转矩。由于一定的转速和转矩对应一定的d i *和q i *，通过对这两个电流的控制，使实际的d i 和q i 跟踪指令值d i *和q i *

，便实现了电动机转矩和速度的控制。

对于三相永磁同步电机，通过检测电枢绕组的三相交流电流a i ，b i 和c i ，然后通过坐标变换，得到旋转两相dq 坐标下电流d i 和q i ，在此过程中，需要用到转子的位置信息。在实际系统中通是利用光电编码盘、旋转编码器等来获得转子位置信号；而本文是通过检测电机的输入电压和电流，利用滑模观测器估算出反电势，通过计算获得转子位置信号。PMSM 无位置传感器矢量控制系统框图如下图3所示。

三相永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统的控制过程如下：

（1）通过霍尔电流传感器测量电机定子两相电流a i 和b i ，通过clark 逆变换得到两相静止坐标下的电流αi 和βi ；

（2）利用αi 和βi 和αu 和βu ，通过滑模观测器估算得到电机转子角位置和电机转速；

（3利用滑模观测器估算得到电机转子位置角，使得αi 和βi 经过park 变换

后，得到两相旋转坐标系下的电流d i 和q i ；

（4）将电机给定转速*ω与滑模估算转速ω^

相比较，经过速度PI 调节器，输出交轴电流给定q i *

；

（5）设直轴电流给定为0*=d i ，把交、直轴电流分别与实际检测值相比较，然后分别经过电流PI 调节器，输出交、直轴电压值d u 和q u ，再经过park 反变换，得到两相静止坐标系统下的电压值αu 和βu ；

（6）确定αu 和βu 的合成矢量位于空间电压矢量所围成的六个扇区中的某个扇区，选择适当的零矢量并计算该扇区内两相邻电压矢量以及零矢量各自所占时间，根据计算结果设定相应寄存器值，输出逆变器的驱动控制信号。

四、滑模变结构的控制方法

滑模变结构控制是变结构控制系统(VSC)的一种控制策略。这种控制策略与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统结构随时变化的开关特性。该控制特性可以迫使系统在一定条件下沿规定的状态轨迹做小幅度、高频率的上下运动，即滑模运动。这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关。这样，处于滑模运动的系统就具有很好的鲁棒性。

滑模变结构控制与通常的开关控制以及按某种条件或指标做逻辑转换的控制等是完全不同的。它有开关的切换动作，也有逻辑判断的功能，这些动作和功能在系统的整个动态过程中一直在进行，不断地改变系统的结构。其目的是使系统运动达到和保持一种预定的滑动模态。可以说，滑模变结构控制是一种具有预定滑动模态的开关控制。

4.1转角估计

PMSM 在两相静止坐标系中的模型可以被写为:

)(s s s s e v B Ai dt di -+= 其中????

??????--=L R L R A 00,??????-=L L B /100/1, ??????=βαi i I s ，??????=βαv v v s ，??????-??=??

????=)cos()sin(r r r r s w e e e θθψβα

其中，L,R 和r ψ分别为电机定子电感,定子电阻和转子磁势。r ω是转子角速 度,只是转子位置。当电机处于稳定运行状态时,有功;二o,反电动势模型为 ()βααββθωωe e a e e e e r r r a /tan ,,-==-=。

平面:(x)二0包含两个部分中所有轨迹的终点。这些点构成了一个特殊的轨线运动模式,被称作滑模。当系统处于滑模状态时,系统满足s(x)二o 和污(x)=0。滑模控制的第一步是找出一个输入ue 。使得状态轨线停留在切换面`(x)=O 上。s(x)求导得:

()0)(=??+??=?u x B x

s Ax x s x s Ax x s x B x s x u eq ????-=-1))((

)( 这将是设计滑模观测器依据。

为了得到准确的转子位置,可以用低通滤波器进行滤波

αω

ωαz s c c e +=^ βω

ωβz s c

c e +=^

从而得到了转子转角估计值。 低通滤波器不可避免的会引入相位延迟,可以根据滤波器的响应制作相位 补偿表,然后计算出正确估计的转角：

c eu ωωθθ

θ

θ1^tan -=??+=

4.2转速估计 从估计的转角可以得到电机转速。转子转速和转角的关系如下:

dt

e d e θω^

^=

对于无速度传感器电机驱动,由于SVPWM 造成的干扰,微分函数可能导致系统的不稳定,降低系统的动态性能。转速可以表示如下:

e f e e e ωψβα=+=2

2 反电势和速度的关系可以从上式得到,上式并未指出转向。所以转速可以 用下面的方法算出：

)sgn(^22^dt

e d e e e

f θωψβα?+=

五、结论 由电路分析和实验可得下述结论

（1）全桥移相控制电路周期性输出零电压凹槽，为交-交变频电路提供 ZVS 开关条件；

（2）由于交-交变频电路输出零电压矢量时，移相控制电路的输出电流几乎为零，这样有利于降低开关损耗，提高电路效率。

六、参考文献

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