哈尔滨工业大学，电气工程系 Department of Electrical Engineering Harbin Institute of Technology 电力电子与电力传动专题课 报告 报告题目:永磁同步电机无传感器控制技术 哈尔滨工业大学 电气工程系 姓名：沈召源 学号：14S006040 2016年1月
目录 1.1 研究背景 (1) 1.2 国内外研究现状 (1) 1.3 系统模型 (2) 1.4 控制方法设计 (4) 1.5 系统仿真 (7) 1.6 结论 (8) 参考文献 (8)
1.1 研究背景 永磁同步电机具有体积小、惯量小、重量轻等优点，在各领域的应用越来越广泛。目前在永磁同步电机的各种控制算法中，使用最多的是矢量控制和直接转矩控制，而这两种控制方式都需要转子位置，但转子位置传感器的采用限制了系统使用范围。永磁同步电机控制系统大多采用测速发电机或光电码盘等传感器检测速度和位置的反馈量，这不但提高了驱动装置的造价，而且增加了电机与控制系统之间的连接线路和接口电路，使系统易于受环境干扰、可靠性降低。由于永磁同步电机无传感器控制系统具有控制精度高、安装、维护方便、可靠性强等一系列优点，成为近年来研究的一个热点。 1.2 国内外研究现状 无传感器永磁同步电机是在电机转子和机座不安装电磁或光电传感器的情况下，利用电机绕组中的有关电信号，通过直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从定子边较易测量的量如定子电压、定子电流中提取出与速度、位置有关的量，利用这些检测到的量和电机的数学模型推测出电机转子的位置和转速，取代机械传感器，实现电机闭环控制。 最早出现的无机械传感器控制方法可统称为波形检测法。由于同步电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，所要解决的问题是采用何种方法获取转速和转角。目前适合永磁同步电机的最主要的无速度传感器的控制策略主要有以下几种 (1)利用定子端电压和电流直接计算出θ和ω。该方法的基本思想是基于场旋转理论，即在电机稳态运行时，定子磁链和转子磁链同步旋转，且两磁链之间的夹角相差一个功角δ，该方法适用于凸极式和表面式永磁同步电机。该方法计算方法简单，动态响应快，但对电机参数的准确性要求比较高，应用这种方法时需要结合电机参数的在线辨识。 (2)模型参考自适应(MRAS)方法。该方法的主要思想是先假设转子所在位置，利用电机模型计算出该假设位置电机的电压和电流值，并通过与实测的电压、电流比较得出两者的差值，该差值正比于假设位置与实际位置之间的角度差。当该值减小为零时，则可认为此时假设位置为真实位置。采用这种方法，位置精度与模型的选取有关。该方法应用于PMSM时有一些新的需要解决的问题。 (3)观测器基础上的估计方法。观测器的实质是状态重构，其原理是重新构造一个系统，利用原系统中可直接测量的变量，如输出矢量和输入矢量作为它的输入信号，并使输出信号在一定条件下等价于原系统的状态。目前主要存在的观测器:全阶状态观测器、降阶状态观测器、推广卡尔曼滤波和滑模观测器。其中滑模观测器有很好的鲁棒性，但其在本质上是不连续的开关控制，因此会引起系统发生抖动，这对于矢量控制在低速下运行是有害的，将会引起较大的转矩脉动。扩展卡尔曼滤波器提供了一种迭代形式的非线性估计方法，避免了对测量的微分
(一) PMSM 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的 磁势，忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: d d s d d c q q q s q q c d di u R i L dt di u R i L dt ωψωψ?=+-????=++?? 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。 cos sin 22cos()sin()3322cos()sin()33a d b q c u u u u u θθθπθπθπθπ?? ?-????? ??=--- ? ???? ???? ?+-+? ? (2)d/q 轴磁链方程： d d d f q q q L i L i ψψψ=+???=?? 其中，ψf 为永磁体产生的磁链，为常数，0f r e ωψ=，而c r p ωω=是机械角速度，p 为同步电机的极对数，ωc 为电角速度，e0为空载反电动势，其值为 倍。
电机匝间短路及相间短路问题解答 一、什么是电机匝间短路 就是同一个绕组是由很多圈（匝）线绕成的，如果绝缘不好的话，叠加在一起的线圈之间会短路，这样一来，相当于一部分线圈直接被短路掉不起作用了。匝间短路后，电机的绕组因为一部分被短路掉，磁场就和以前不同了，不对称了，而且剩余的线圈电流比以前大了，电机运行中会振动增大，电流增大，出力相对减小。 二、发生电机匝间短路，会有以下现象： 1）被短路的线圈中将流过很大的环流（常达正常电流的2－－-10倍），使线圈严重发热； 2）三相电流不平衡，电动机转矩降低； 3）产生杂音； 4）短路严重时，电动机不能带负载起动。 匝间短路在刚开始时，可能只有两根导线因交叠处绝缘磨坏而接触。 由于短路线匝内产生环流，使线圈迅速发热，进一步损坏邻近导线的绝缘，使短路的匝数不断增多、故障扩大。 短路匝数足够多时，会使熔断器烧断，甚至绕组烧焦冒烟。 当三相绕组有一相发生匝间短路时，相当于该相绕组匝数减少，定子三相电流就不平衡。不平衡的三相电流使电动机振动，同时发出不正常的声音。电动机平均转矩显著下降，拖动负载时就显得无力。
三、电动机绕组短路故障现象和原因是什么？ 答：由于电动机电流过大、电源电压变动过大、单相运行、机械碰伤、制造不良等造成绝缘损坏所至，分绕组匝间短路、绕组间短路、绕组极间短路和绕组相间短路。 1.故障现象 离子的磁场分布不均，三相电流不平衡而使电动机运行时振动和噪声加剧，严重时电动机不能启动，而在短路线圈中产生很大的短路电流，导致线圈迅速发热而烧毁。 2.产生原因 电动机长期过载，使绝缘老化失去绝缘作用；嵌线时造成绝缘损坏；绕组受潮使绝缘电阻下降造成绝缘击穿；端部和层间绝缘材料没垫好或整形时损坏；端部连接线绝缘损坏；过电压或遭雷击使绝缘击穿；转子与定子绕组端部相互摩擦造成绝缘损坏；金属异物落入电动机内部和油污过多。 相间短路的电机短路点会瞬间烧断融化，导致电机无法工作。 匝间短路的电机会电流不正常，稍后冒烟甚至起火，烧毁至电机无法工作。维修时一眼就能鉴别出来。 *异步电机与同步电机区别：
第32卷第33期中国电机工程学报V ol.32 No.33 Nov.25, 2012 82 2012年11月25日Proceedings of the CSEE ?2012 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2012) 33-0082-07 中图分类号：TM 351 文献标志码：A 学科分类号：470 40 表贴式永磁同步电机伺服系统电流环设计 王恩德，黄声华 (强电磁工程新技术国家重点实验室(华中科技大学)，湖北省武汉市 430074) Current Regulator Design for Surface Permanent Magnet Synchronous Motor Servo Systems WANG Ende, HUANG Shenghua (State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 430074, Hubei Province, China) ABSTRACT: The current control loop directly affects the current of the surface permanent magnet synchronous motor (SPMSM) and the electromagnetic torque, which makes the static and dynamic performance of the motor deteriorate. The decoupling control cannot be realized with the changes of the motor’s inductance parameters due to saturation effects when the operating condition changes. This paper proposed a decoupling control to improve the dynamic performance, without the inductance value with the perspective of complex vector. As the dead zone, the motor manufacturing process and the magnetic saturation, the servo system current often contains low-order harmonics, such as 5th, 7th, 11th, 13th, which produce torque ripple and affect the motor’s performance. The current regulation with the proportional Integral and proportional resonance based on the synchronous rotating dq coordinate was used for the closed loop control of the low harmonic currents, to improve the system performance. Simulation and experimental results verify the feasibility of the schemes proposed by this paper. KEY WORDS: surface permanent magnet synchronous motor (SPMSM); synchronous dq coordinate; complex vector; decoupling control; proportion resonance 摘要：电流环直接影响表贴式永磁同步电机(surface permanent magnet synchronous motor，SPMSM)伺服系统的电流波形和电磁转矩，使系统的动、静态性能变差。当系统运行工况变化使得电机电感饱和时，电流环中含有电感参数的解耦项就会失效。从合成矢量的角度出发，提出了一种同步dq旋转坐标系下无需电感参数的电流解耦调节器，实现了无电感参数解耦控制，改善了SPMSM系统的动态性能。另外，由于死区、电机制造工艺、磁场饱和等原因，电机电流中含有影响系统性能的5、7、11、13等低次谐波。提出了同步旋转dq坐标系下比例积分+比例谐振(proportional integral + proportional resonance，PI+PR)的电流复合调节器，对低次电流谐波进行闭环调节，从而显著减小了谐波电流，改善了系统性能。仿真分析和实验结果均验证了该方案的可行性。 关键词：表贴式永磁同步电机；同步旋转dq坐标系；合成矢量；解耦控制；比例谐振 0 引言 表贴式永磁同步电机(surface permanent magnet synchronous motor，SPMSM)的永磁体产生与转子同步旋转的正弦波磁场，通过编码器获得转子位置后就能方便地实现基于转子磁链解耦的矢量控制，达到等同于直流伺服系统的控制精度。SPMSM具有功率密度高、损耗小、电气时间常数小等优点，加之近年来数字控制芯片的快速发展，使得基于SPMSM的数字交流伺服系统广泛应用于数控机床、航空航天等领域[1,2]。 应用场合的多样化和复杂性，也对伺服系统的静、动态控制性能提出了更高的要求。基于SPMSM 的伺服控制系统是一个包含位置环、速度环和电流环的多闭环系统。其中，作为最内环的电流环决定了电流的跟踪性能，直接影响SPMSM的输出转矩，对伺服系统的控制性能起着非常重要的作用。文献[3-4]分析了永磁同步电动机控制的电流环，并设计了调节器参数，其中文献[3]引入微分环节和过调制技术，文献[4]分析了电流环3种控制方法的利弊，并提出适用于工程实践的设计方案。为了简化分析，文献[3-4]均忽略了耦合项，但这样会导致系统的动态性能变差。文献[5]从电流环带宽的角度出发，提出了带宽扩展策略，提高了伺服系统的动态性能，虽然考虑了耦合项，但没有考虑电感变化对解耦控制的影响。文献[6]提出了一种基于合成矢量的无需电感参数的解耦控制策略，取得了较好的控 DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2012.33.013
目录 1 引言 (1) 1.1 研究目的与意义 (1) 1.2 发电机故障诊断技术的发展状况 (1) 1.3 发电机转子绕组匝间短路故障检测的研究现状 (2) 1.4 本文的内容和主要工作 (4) 2 汽轮发电机转子绕组匝间短路的理论分析 (6) 2.1 汽轮发电机的转子结构 (6) 2.2 转子绕组发生匝间短路的原因 (6) 2.3 匝间短路的磁场分析 (7) 2.3.1 发电机发生匝间短路的磁场分析 (9) 3 发电机转子绕组匝间短路故障的探测线圈法 (12) 3.1 探测线圈法的测试原理 (12) 3.2 探测线圈的结构及置放 (14) 3.2.1 诊断系统及其功能组成 (15) 3.2.2 基本参数 (16) 3.2.3 传感器安装和定位 (16) 3.3.3 故障判断 (16) 3.3 大亚湾核电站发电机组的探测线圈法实例分析 (17) 参考文献 (20)
1引言 1.1研究目的与意义 随着我国国民经济的快速发展，电力工业正处于大电机和大电网的发展阶段。人们的生活和生产水平迅速提高，使得电能需求量日益增长，进而对电力系统的供电质量、可靠性及经济性等指标的要求也不断提高。发电机是电能生产的重要设备，它为整个电力系统提供电能，是整个电网的心脏，因此如果发电机发生故障，可能会导致局部停电甚至整个系统崩溃。 发电机转子作为发电机的重要组成部分，主要由励磁绕组线圈、线圈引线以及阻尼绕组等部分组成。发电机运行时，由于转子处于高速旋转状态，这些部件将承受很大的机械应力和热负荷，若超过其极限值时将导致部件的损坏。转子绕组是发电机经常出现故障的部位，除本体故障外，主要是转子绕组的短路故障，如匝间短路、一点接地短路、两点接地短路等。发电机正常运行时，转子绕组对地之间会有一定的分布电容和绝缘电阻，绝缘甩阻的阻值通大于1兆欧。但是因某种原因导致对地绝缘损坏或绝缘电阻严重下降时，就会发生转子绕组接地事故。当发电机转子发生一点接地故障时，因为励磁电源的泄漏电阻很大，一般不会造成多大的伤害，限制了接地泄露电流的数值。但是，发电机转子两点接地故障将会产生很大的电流，经故障点处流过的故障电流会烧坏转子本体。而部分转子绕组的短接，励磁绕组中增加的电流可能会导致转子因过热而烧坏，气隙磁通也会失去平衡，从而引起发电机的振动，还可能使转子大轴磁化，甚至会导致灾难性的后果，因此两点接地故障的后果是很严重的。 目前，在国内运行的大型发电机组中，发电机匝间短路故障占故障总数的比重较大，大多数发电机都发生过或已经存在转子绕组匝间短路的故障。由于转子绕组绝缘的损坏，转子绕组匝间短路后会形成短路电流，从而导致局部过热。发电机长期在这种环境下运行，会进一步引起绝缘的损坏，导致更为严重的匝间短路，最终形成恶性循环。据统计资料表明，发电机转子匝间短路故障并不会影响机组的正常运行，所以常常被忽略，但是如果任其发展，转子电流将会显著增加，绕组温升过高，无功输出降低，电压波形畸变，机组振动加剧，并且还会引起其它的机械故障，严重时还会影响发电机的无功出力。如果发生的是不对称的匝间短路故障，发电机组的振动将会加剧，转子绕组的绝缘也有可能进一步的损坏，进而发展成为接地故障，对发电机组的安全稳定运行构成了严重的威胁。因此，对发电机绕组匝间短路故障的诊断与识别是十分必要的。 1.2 发电机故障诊断技术的发展状况 早期的故障诊断主要依靠人工经验，如：看、听、触、摸等方法进行诊断，
伺服电机转子反馈的检测相位与转子磁极相位的对齐方式 论坛中总是有人问及伺服电机编码器相位与转子磁极相位零点如何对齐的问题，这样的问题论坛中多有回答，本人也曾在多个帖子有所回复，鉴于本人的回复较为零散，早就想整理集中一下，只是一直未能如愿，今借十一长假之际，将自己对这一问题的经验和体会整理汇总一下，以供大家参考，或者有个全面的了解。 永磁交流伺服电机的编码器相位为何要与转子磁极相位对齐 其唯一目的就是要达成矢量控制的目标，使d轴励磁分量和q轴出力分量解耦，令永磁交流伺服电机定子绕组产生的电磁场始终正交于转子永磁场，从而获得最佳的出力效果，即“类直流特性”，这种控制方法也被称为磁场定向控制（FOC），达成FOC控制目标的外在表现就是永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致，如下图所示： 图1 因此反推可知，只要想办法令永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致，就可以达成FOC控制目标，使永磁交流伺服电机的初级电磁场与磁极永磁场正交，即波形间互差90度电角度，如下图所示： 图2 如何想办法使永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致呢？由图1可知，只要能够随时检测到正弦型反电势波形的电角度相位，然后就可以相对容易地根据此相位生成与反电势波形一致的正弦型相电流波形了，因此相位对齐就可以转化为编码器相位与反电势波形相位的对齐关系。
在实际操作中，欧美厂商习惯于采用给电机的绕组通以小于额定电流的直流电流使电机转子定向的方法来对齐编码器和转子磁极的相位。当电机的绕组通入小于额定电流的直流电流时，在无外力条件下，初级电磁场与磁极永磁场相互作用，会相互吸引并定位至互差0度相位的平衡位置上，如下图所示： 图3 对比上面的图3和图2可见，虽然U相绕组（红色）的位置同处于电磁场波形的峰值中心（特定角度），但FOC控制下，U相中心与永磁体的q轴对齐，而空载定向时，U相中心却与d轴对齐，也就实现了a轴或|á轴与d轴间的对齐关系，此时相位对齐到电角度0度，电机绕组中施加的转子定向电流的方向为U相入，VW出，由于V相与W相是并联关系，流经V相和W相的电流有可能出现不平衡，从而影响转子定向的准确性。 实用化的转子定向电流施加方法是U入，V出，即U相与V相串联，可获得幅值完全一致的U相和V相电流，有利于定向的准确性，此时U相绕组（红色）的位置与d轴差30度电角度，即a轴或|á轴对齐到与d差（负）30度的电角度位置上，如图所示： 图4 上述两种转子定向方法对应的绕组相反电势波形和线反电势，以及电角度的关系如下图所示，棕色线为a轴或|á轴与d轴对齐，即直接对齐到电角度0点，紫色线为a轴或|á轴对齐到与d差（负）30度的电角度位置，即对齐到-30度电角度点：
一：电流环参数的调节 1：PMSM传动控制系统中，电机运行速度范围很宽，电流频率范围从零到上百赫兹，要在这么宽的频率范围内准确地检测电机电流，常选用霍尔元件实现电机电流的检测。 霍尔检测方法优点：动态响应好，信号传输线性及频带范围宽等优点。 为保证电机对称运行，电流三相各反馈信道的反馈系数必须相等，这就要精心选择调理电路组件，仔细调整反馈回路参数。信号调理电路使用模拟放大器时，放大器的零漂是影响电机低速运行性能的主要因素，要仔细调整放大器，将零点漂移控制在10mv以内。 2：PMSM调速系统需要电机有很宽的调速范围，达到10^4：1以上，要在这么宽的速度范围内检测出电机的速度，以实现调速系统的控制确实是个很重要的问题。尽管T法在低速时有很好的测速精度，但研究调速系统控制的论文极少见使用(T或M/T)法测速的，基本上都是采用M法测速。实际上，当电机处于极低转速时，电机能否稳定运行不仅仅取决于位置传感器及其所送来的脉冲信号，还有速度调节器的作用，以及电流环与电机转子惯性环节的影响，所以，M法仍可用于低速范围内电机速度的检测与反馈。 3：电流调节器参数对电流环的动态响应具有决定性影响。 电流调节器比例系数越大，电流阶跃跟踪响应速度越快，响应的超调越大，振荡次数越多。电流调节器的积分系数越大，电流阶跃跟踪响应的稳态误差越小，但太大会引起电流环振荡。 PMSM调速控制系统的电流环控制对象为PWM逆变器、电机电枢绕组、电流检测环节组成。在实际系统运行过程中，电流环的相应受电机反电势的影响，电流环动态响应不好，为提高永磁同步电机调速系统电流环动态响应性能，抑制反电动势对电流环的影响，在实际系统电流调节器制作时，比例和积分系数均做了调整，增大比例系数，减小积分时间常数。 电流环响应若不加微分负反馈环节，电流环动态响应将会出现振荡与超调。然而实际应用中，通常不加微分反馈环节，因为微分极易引起系统的振荡。而且按照电流环I型系统的校正原则，采用PI控制才能实现电流环系统的稳定性和高动态响应。 二、速度环参数的调节 采用II型系统设计的速度环，实际应用中，在速度阶跃过程中，速度调节器会出现饱和，系统的实际运行情况和设计时所采用的线性对象具有很大的差别，调节器设计时的初始条件和实际系统退饱和后调节器参与调节时的初始条件有很大差别。因此按照II型系统设计的速度环需要作很大的调整才能满足实际系统的需要。但该设计方法关于调节器的形式选择仍然适用。 从自动控制原理可知，调速控制系统的速度超调是使用PI调节器并要求有快速响应的必然结果，原因是速度调节器要退出饱和，参与调解。 随着速度调节器输出限幅的增加，速度响应加快，到达指定速度时的振荡程度增加。输出限幅数值决定电机在动态过程中加速力矩的大小，影响电机在加减速过程中的加速度，影响调速系统的速度响应过程。输出限幅值要合理设置，应该充分利用电机的过载能力，以提高调速控制系统的速度响应性能。同时，在调速控制系统中可设置速度微分负反馈（肖老师建议速度环一般不要加前馈），可以
2009,36(8)控制与应用技术 EMC A 永磁同步电机的无传感器控制策略 吴 奇, 程小华 (华南理工大学电力学院,广东广州 510640) 摘 要:机械传感器应用存在的诸多缺陷,使无传感器控制技术成为研究热点。介绍了多种常见的估算 永磁同步电机转子位置和转速的方法,并指出了各种方法的优缺点。分析了无传感器技术研究现状和今后的 研究发展趋势。 关键词:永磁同步电机;无传感器控制;位置检测 中图分类号:TM301.2 TM351 文献标识码:A 文章编号:1673-6540(2009)08-0029-04 Sensorless Control of Per m anent M agnet SynchronousM otor W U Q i, C HENG X i a o-hua (Co llege of E lectric Pow er,South China Un i v ersity of Techno l o gy,Guang zhou510640,Ch i n a) Abstrac t:In orde r to reso l ve the va rious defects for usi ng m echanica l sensors,sensorless contro l techno l ogy be-come a research ho tspo t.T he v arious m ethods o f t he esti m a ti on about the positi on and speed of P M S M roto r are pres-ented,and po i nted out the advantages and disadvantages of them.The sta t us and the deve l op m ent trend of the re-search about the sensor l ess are g i ven. K ey word s:perman en t magne t s ynch ron ous m otor(P M S M);sensorless contro;l positi on detection 0 引 言 永磁同步电动机(P M S M)因其高转矩惯性比、高能量密度和高效率等优点被广泛应用于国防、工业控制和日常生活等领域。传统的P M S M 控制系统通常采用电磁或光电传感器来获取所需的转子位置和转速信号。传感器的安装、电缆连接和环境限制等问题,带来了系统成本增加、体积增大、可靠性降低、易受环境影响等缺陷[1-2]。为了解决机械传感器带来的各种问题,许多学者开展了无传感器控制技术研究,其主要思想是利用电机绕组中的有关电信号,通过适当的方法估算出转子的位置和转速,实现转子位置的自检测。无传感器控制技术可以有效地解决机械传感器带来的诸多问题,使系统结构简化,成本降低,对提高系统可靠性有重要意义,已成为电机驱动领域的研究热点。 1 基波激励法 在各种转子位置和速度的检测方法中,大多通过检测基波反电势来获得转子的位置信息,但采用的具体方法有所不同,大致可分为以下几种。 (1)基于数学模型的开环估计[2]。该方法基于电机的电磁关系从电机的动态方程直接推导出转速或者位置角的关系表达式,并利用检测到的定子三相端电压和电流计算出转子位置角和转子角速度。 文献[3]中提出一种方法:在定子二相静止坐标系中,通过定子电压、电流得到实轴、虚轴的定子磁链值,根据二相磁链反正切值可得当前时刻的定子磁链位置,由定子磁链的变化率可得到电机的转速。该方式用到的电机参数不多,所以受参数影响较小,但电机必须工作在功率因数cos =1的方式下才能实现转子位置估计。 开环估计法一方面简单直观,动态响应快,几乎没有延时问题。另一方面,数学模型虽然可以有多种选择,但无论采用什么数学模型,都涉及电机参数,而电机参数在电机运行时是动态变化的。虽然对定子电阻和电感等参数可以进行在线辩识,但辩识的实现也需要复杂的技术。因此,开环 29
伺服电机相位与编码器位置调整关系
伺服电机相位与编码器位置调整关系 主流的伺服电机位置反馈元件包括增量式编码器，绝对式编码器，正余弦编码器，旋转变压器等。 增量式编码器的相位对齐方式 在此讨论中，增量式编码器的输出信号为方波信号，又可以分为带换相信号的增量式编码器和普通的增量式编码器，普通的增量式编码器具备两相正交方波脉冲输出信号A和B，以及零位信号Z；带换相信号的增量式编码器除具备ABZ输出信号外，还具备互差120度的电子换相信号UVW，UVW各自的每转周期数与电机转子的磁极对数一致。带换相信号的增量式编码器的UVW电子换相信号的相位与转子磁极相位，或曰电角度相位之间的对齐方法如下： 1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置； 2.用示波器观察编码器的U相信号和Z信号； 3.依据操作的方便程度，调整编码器转轴与电机轴的相对位置，或者编码器外壳与电机外壳的相对位置； 4.一边调整，一边观察编码器U相信号跳变沿，和Z信号，直到Z信号稳定在高电平上（在此默认Z信号的常态为低电平），锁定编码器与电机的相对位置关系； 5.来回扭转电机轴，撒手后，若电机轴每次自由回复到平衡位置时，Z信号都能稳定在高电平上，则对齐有效。 撤掉直流电源后，验证如下： 1.用示波器观察编码器的U相信号和电机的UV线反电势波形； 2.转动电机轴，编码器的U相信号上升沿与电机的UV线反电势波形由低到高的过零点重合，编码器的Z信号也出现在这个过零点上。 上述验证方法，也可以用作对齐方法。
需要注意的是，此时增量式编码器的U相信号的相位零点即与电机UV线反电势的相位零点对齐，由于电机的U相反电势，与UV线反电势之间相差30度，因而这样对齐后，增量式编码器的U相信号的相位零点与电机U相反电势的-30度相位点对齐，而电机电角度相位与U相反电势波形的相位一致，所以此时增量式编码器的U相信号的相位零点与电机电角度相位的-30度点对齐。 有些伺服企业习惯于将编码器的U相信号零点与电机电角度的零点直接对齐，为达到此目的，可以： 1.用3个阻值相等的电阻接成星型，然后将星型连接的3个电阻分别接入电机的UVW三相绕组引线； 2.以示波器观察电机U相输入与星型电阻的中点，就可以近似得到电机的U相反电势波形； 3.依据操作的方便程度，调整编码器转轴与电机轴的相对位置，或者编码器外壳与电机外壳的相对位置； 4.一边调整，一边观察编码器的U相信号上升沿和电机U相反电势波形由低到高的过零点，最终使上升沿和过零点重合，锁定编码器与电机的相对位置关系，完成对齐。 由于普通增量式编码器不具备UVW相位信息，而Z信号也只能反映一圈内的一个点位，不具备直接的相位对齐潜力，因而不作为本讨论的话题。 绝对式编码器的相位对齐方式 绝对式编码器的相位对齐对于单圈和多圈而言，差别不大，其实都是在一圈内对齐编码器的检测相位与电机电角度的相位。早期的绝对式编码器会以单独的引脚给出单圈相位的最高位的电平，利用此电平的0和1的翻转，也可以实现编码器和电机的相位对齐，方法如下： 1.用一个直流电源给电机的UV绕组通以小于额定电流的直流电，U入，V出，将电机轴定向至一个平衡位置； 2.用示波器观察绝对编码器的最高计数位电平信号；
无速度传感器永磁同步电机发展与控制策略评述潘萍付子义 中图分类号：ＴＭ３５１ＴＭ３４４．４文献标识码：Ａ文章编号：１００１－６８４８（２００７）０６－００９１－０２无速度传感器永磁同步电机发展与控制策略评述 潘萍，付子义 （河南理工大学，焦作４５４００３） 摘要：介绍了永磁同步电机无速度传感器控制策略，分析了无速度传感器技术研究现状，指出状态观测器法及谐波注入法是目前无速度传感器技术的研究热点。 关键词：永磁同步电机；无速度传感器；评述；控制策略；状态观测器；谐波注入法 ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＲｅｎｅｗａｎｄＳｔｒａｔｅｇｙｏｆＰｅｒｍａｎｅｎｔＭ＿ａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏＯｒＳｐｅｅｄＳｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ＰＡＮＰｉｎｇ，ＦＵＺｉ—ｙｉ （ＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ４５４００３，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ．Ｉｔａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｏｆｓｐｅｅｄｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓｔｅｃｈｏｎｏｌｏｇｙｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ，ｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｓｔａｔｅｏｂｓｅｒｖｅｒａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｒｅｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｃｕｓ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ；Ｓｐｅｅｄｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ；Ｒｅｖｉｅｗ；Ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ；Ｓｔａｔｅｏｂｓｅｒｖｅｒ；Ｈａｒｍｏｎｉｃｉｎｊｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ Ｏ引言 永磁同步电机控制系统离不开高精度的位置和速度传感器，但在实际的系统中，传感器的存在不仅增加了系统成本，还易受工作环境影响，同时也降低了系统的可靠性，因此，无速度传感器交流调速系统成为近年研究热点¨ｊ。 １无速度传感器永磁同步电机研究及发展 无速度传感器永磁同步电机是在电机转子和机座不安装电磁或光电传感器的情况下，利用直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从定子边较易测量的量，如定子电压、定子电流中提取出与速度有关的量，从而得出转子速度，并应用到速度反馈控制系统中。 国际上对永磁同步电机无速度传感器的研究始于２０世纪７０年代旧Ｊ。１９７５年，Ａ．Ａｂｂｏｎｄａｎｔｉ等人推导出了基于稳态方程的转差频率估计方法， 收稿日期：２００６—０９－２６ 基金项目：河南省杰出青年科学基金（０２１１０６０５００）；河南省重要攻关项目（９９１１０２０４２９）在无速度传感器控制领域作出首次尝试，调速比可达１０：ｌ。但由于其出发点是稳态方程，动态性能和调速精度难以保证。１９７９年，Ｍ．Ｉｓｈｉｄａ等学者利用转子齿谐波来检测转速，限于当时的检测技术和控制芯片的实时控制能力，仅在大于３００ｒ／ｒａｉｎ的转速范围取得较好的结果。１９８３年Ｒ．Ｊｏｅｔｔｅｎ首次将无速度传感器技术应用于永磁同步电机矢量控制。近年来，德国亚探工大（ＲＷＴＨＡａｃｈｅｎ）电机研究所的学者又先后开展了采用推广卡尔曼滤波器的永磁同步电机和感应电机无机械传感器调速系统的研究。美国麻省理工学院（ＭＩＴ）电机工程系的学者在１９９２年发表了采用全阶状态观测器的无传感器永磁同步电机调速系统的论文。由于状态观测器受电机参数变化的影响较大，还需要另外一个状态观测器来估计电机的参数，这样使无传感器永磁同步调速系统的估计算法变得比较复杂，同时系统还存在对负载变化比较敏感等问题。国内自９０年代中开始，也开始对永磁电机无速度传感器控制技术进行研究，但主要局限于各高等院校，研究主要还是着重于理论和仿真方面。 一９１— 万方数据
第３７卷第３期２０１８年３月 电工电能新技术 ＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＥｎｅｒｇｙ Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．３Ｍａｒ．２０１８ 收稿日期：２０１７?０３?２９ 作者简介：彭一伟（１９９１?），男，重庆籍，硕士研究生，研究方向为电动汽车用交流电机的控制； 赵一峰（１９７９?），男，陕西籍，研究员，研究方向为电动汽车用交流电机的控制三 永磁同步电机匝间短路故障在线检测方法 彭一伟１，２，赵一峰１，３，４，王永兴１，３，４，关天一１，２ （１．中国科学院电工研究所，北京１００１９０；２．中国科学院大学，北京１０００４９； ３．中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，北京１００１９０； ４．电驱动系统大功率电力电子器件封装技术北京市工程实验室，北京１００１９０） 摘要：本文提出了简单的永磁同步电机（ＰＭＳＭ）匝间短路故障在线检测方法三首先对不同状态ＰＭＳＭ定子电流谐波成分展开分析，提出一个融合了－ｆｅ及?３ｆｅ谐波成分的故障特征量Ｆｔ三针对采用快速傅立叶变换方法计算特征量实时性差的问题，在连续细化傅立叶变换方法基础上引入布莱克曼窗，从而改善了连续细化傅立叶变换方法的幅值辨识精度，实现了故障特征量快速且准确的求取三仿真及实验结果表明，特征量Ｆｔ能够正确反映ＰＭＳＭ匝间短路故障是否发生，本文提出的在线检测方法在不增加任何硬件设备的基础上实现了ＰＭＳＭ匝间短路故障的检测三关键词：永磁同步电机；匝间短路故障；故障特征量；在线检测；连续细化傅立叶变换 ＤＯＩ：１０ １２０６７／ＡＴＥＥＥ１７０３１０３一一一文章编号：１００３?３０７６（２０１８）０３?００４１?０８一一一中图分类号：ＴＭ３５１ １一引言 永磁同步电机（ＰＭＳＭ）具有高转矩／惯量比二高功率密度二高效率二响应快等优点三近年来，随着永磁性能不断提高，ＰＭＳＭ在电动汽车中的应用越来越广泛［１］三永磁同步电机在长期运行的过程中不可避免会出现各种故障，严重影响其在电动汽车应用中的可靠性和安全性三永磁同步电机驱动系统中，由匝间短路引起的定子绕组故障是最为常见的故障之一［２］三在早期的匝间短路故障阶段，电机仍然可以正常运行，然而由于大的短路电流的存在，短路回路会产生大量热量，从而引起更多的绝缘失效三因此，早期匝间短路故障的检测对于避免驱动系统失效二避免危害人身安全具有十分重要的作用三目前，已有许多学者展开了永磁同步电机定子 故障检测方面的工作［３?１１］三这些研究主要包括基于磁通密度传感器的方法［３］二基于测得的定子电压和电流构建状态观测器的方法［４］二基于频域及时频分析工具的定子电流特征分析的方法［５?１０］二智能控制（如人工神经网络）方法［１１］等故障检测方案三其中，定子电流特征分析方法因其低成本而受到国内 外学者最广泛的关注三文献［５］提出将负序电流幅值作为反映匝间短路故障严重程度的特征量，并采用负序ｄｑ轴结合低通滤波器的方案成功提取出负序电流幅值三文献［６］利用傅立叶变换的方法对定子电流信号进行分析，通过对比正常电机和故障电机定子电流频谱，指出故障电机定子电流３次谐波含量增加，故以此作为故障的判定依据三文献［７］在文献［６］的基础上提出以ｑ轴２次谐波幅值为特征量代替定子电流３次谐波电流的提取，简化了故障检测算法三傅立叶变换将原有电流信号从时域变换到频域进行分析，难以应对系统非线性工况下的特征量提取三针对这一问题，文献［８，９］分别采用离散小波变换（ＤＷＴ）和小波包变换对动态情况下匝间短路故障的定子电流进行分析三仿真和实验结果表明，该方法在电机变速二中速二低速二高速情况下，根据３次谐波所在频段能量进行分析均可判定短路故障是否发生三文献［１０］采用经验模态分解（ＥＭＤ）方法对定子电流进行分析，得到一个本征模态函数ＩＭＦ的集合，然后用时频分析方法对包含故障谐波的模态进行分析得到故障对应的瞬时频率，仿真和实验表明了该诊断方法的有效性三时频分析
永磁同步电动机的数学模型和矢量控制 1.坐标变换原理 （1）坐标系介绍 三种：三相静止坐标系（abc）、两相静止坐标系（αβ）以及同步旋转坐标系（dq）（2）坐标变换 主要目的是为了将交流电机的物理模型等效地变成直流电机的物理模型，使控制大大简化。不同电机模型等效的原则是：在不同坐标系下产生的磁动势相同。 三相静止坐标系与两相静止坐标系之间转换 为方便起见，取α轴与A轴重合，设三相系统每相绕组的有效匝数为N 3 ，两 相系统每相绕组的有效匝数为N 2 ，各相磁动势均为有效匝数及其瞬时电流的乘积。交流电流的磁动势大小随时间耳边，图中磁动势矢量的长短是任意画的。设磁动势波形是正弦分布，当三相磁动势与两相磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在α、β上的投影应当相等。 为了便于求反变换，最好将变换阵表示成可逆的方阵。为此，在两相系统上人为 地增加一相零轴磁动势N 2i ，并定义为 将以上三式合在一起，写成矩阵形式，得 式中 是三相坐标系变换到两相坐标系的变换阵。满足功率不变条件时应有
显然，两矩阵的乘积应该为单位阵， 由此求得 这就是满足功率不变约束条件时的参数关系。由此得到 在实际电机中并没有零轴电流，因此实际的电流变换式为 如果三相绕组是星形不带零线接法则 整理得
●两相静止/两相旋转变换 ●由三相静止坐标系到任意两相旋转坐标系上的变换
2.永磁同步电动机的数学模型 当永磁同步电动机的定子通入三相交流电I时，电枢电流在定子绕组电枢电阻 R 上产生电压降IR。由三相交流电流I产生的旋转电枢磁动势Fa，及建立的电S 枢磁场aφ，一方面切割定子绕组并在定子绕组中产生感应反电动势a E，另一方面以电磁力拖动转子以同步转速n 旋转。电枢电流I还会产生仅与定子绕组相交 s 链的定子绕组漏磁通。并在定子绕组中产生感应漏电动势Eσ。此外转子永磁极 产生的磁场0φ以同步转速切割定子绕组，从而产生空载电动势0E。因此永磁同步电动机运行时的电磁关系如下所示：
伺服电机编码器与转子磁极相位对齐方法[原创] 波恩 | 2008-10-05 12:12:05楼主 论坛中总是有人问及伺服电机编码器相位与转子磁极相位零点如何对齐的问题，这样的问题论坛中多有回答，本人也曾在多个帖子有所回复，鉴于本人的回复较为零散，早就想整理集中一下，只是一直未能如愿，今借十一长假之际，将自己对这一问题的经验和体会整理汇总一下，以供大家参考，或者有个全面的了解。 永磁交流伺服电机的编码器相位为何要与转子磁极相位对齐 其唯一目的就是要达成矢量控制的目标，使d轴励磁分量和q轴出力分量解耦，令永磁交流伺服电机定子绕组产生的电磁场始终正交于转子永磁场，从而获得最佳的出力效果，即“类直流特性”，这种控制方法也被称为磁场定向控制（FOC），达成FOC控制目标的外在表现就是永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致，如下图所示： 图1 因此反推可知，只要想办法令永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致，就可以达成FOC控制目标，使永磁交流伺服电机的初级电磁场与磁极永磁场正交，即波形间互差90度电角度，如下图所示： 图2
如何想办法使永磁交流伺服电机的“相电流”波形始终与“相反电势”波形保持一致呢？由图1 可知，只要能够随时检测到正弦型反电势波形的电角度相位，然后就可以相对容易地根据电角度相位生成与反电势波形一致的正弦型相电流波形了。 在此需要明示的是，永磁交流伺服电机的所谓电角度就是a相（U相）相反电势波形的正弦（Sin）相位，因此相位对齐就可以转化为编码器相位与反电势波形相位的对齐关系；另一方面，电角度也是转子坐标系的d轴（直轴）与定子坐标系的a轴（U轴）或α轴之间的 夹角，这一点有助于图形化分析。 在实际操作中，欧美厂商习惯于采用给电机的绕组通以小于额定电流的直流电流使电机转子定向的方法来对齐编码器和转子磁极的相位。当电机的绕组通入小于额定电流的直流电流时，在无外力条件下，初级电磁场与磁极永磁场相互作用，会相互吸引并定位至互差0度相位 的平衡位置上，如下图所示： 图3 对比上面的图3和图2可见，虽然a相（U相）绕组（红色）的位置同处于电磁场波形的 峰值中心（特定角度），但FOC控制下，a相（U相）中心与永磁体的q轴对齐；而空载定向时，a相（U相）中心却与d轴对齐。也就是说相对于初级（定子）绕组而言，次级（转子）磁体坐标系的d轴在空载定向时有会左移90度电角度，与FOC控制下q轴的原有位 置重合，这样就实现了转子空载定向时a轴（U轴）或α轴与d轴间的对齐关系。 此时相位对齐到电角度0度，电机绕组中施加的转子定向电流的方向为bc相（VW相）入， a相（U相）出，由于b相（V相）与c相（W相）是并联关系，流经b相（V相）和c相（W相）的电流有可能出现不平衡，从而影响转子定向的准确性。 实用化的转子定向电流施加方法是b相（V相）入，a相（U相）出，即a相（U相）与b 相（V相）串联，可获得幅值完全一致的a相（U相）和b相（V相）电流，有利于定向的