学校代号10532 学号S0******* 分类号TM313 密级
硕士学位论文
基于模糊控制的永磁同步电机
无位置传感器驱动系统
学位申请人姓名肖杨柳
培养单位电气与信息工程学院
导师姓名及职称周腊吾教授
学科专业电气工程
研究方向电力电子与电力传动
论文提交日期2010年4月10日
学校代号：10532
学号：S0*******
密级：
湖南大学硕士学位论文
基于模糊控制的永磁同步电机无位置传感器驱动系统
学位申请人姓名：肖杨柳
导师姓名及职称：周腊吾教授
培养单位：电气与信息工程学院
专业名称：电气工程
论文提交日期：2010年4月10日
论文答辩日期：2010年5月12日
答辩委员会主席：黄守道
Sensorless Permanent Magnet Synchronous Motor Drive System
Based on Fuzzy Control
by
XIAO Yangliu
B.E. (Shijiazhuang Railway Institute) 2007
A thesis submitted in partial satisfaction of the
Requirements for the degree of
Master of Engineering
in
Electrical Engineering
in the
Graduate School
of
Hunan University
Supervisor
Professor ZHOU Lawu
April，2010
湖南大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：日期：年月日
学位论文版权使用授权书
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本学位论文属于
1、保密 ，在______年解密后适用本授权书。
2、不保密□√。
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名：日期：年月日
导师签名：日期：年月日
I
硕士学位论文
摘要
随着微处理器技术、电力电子技术和永磁材料制造工艺的发展，以及永磁同步电机(PMSM)自身的结构和运行特点，PMSM驱动系统在工农业生产和航天等领域的应用越来越广泛。但是永磁同步电机驱动系统的良好性能都是建立在闭环控制基础之上的，因此如何获取转子位置和速度信号是整个系统中相当重要的一个环节。传统控制系统中位置主要由旋转变压器或者光电编码盘提供，但此类位置传感器均有着成本高，维护困难，恶劣工况适用性差等本质上的缺陷。因此，在一些特殊及精度要求不高的场合，由只根据采样电流、电压等易测量，通过特定方法估算转子位置和转速的无位置传感器控制策略将得到广泛应用。为进一步提高PMSM调速系统的快速性、稳定性和鲁棒性，具有易于构造、输出量连续、可靠性高、超调量小、鲁棒性强、能够克服非线性因素的影响等特点的模糊控制方法得到了越来越多的关注。
本文以永磁同步电机无位置传感器驱动控制系统为研究对象，主要工作分为MATLAB/SIMULINK仿真与系统的软、硬件实现两部。第一部分工作建立了永磁同步电机的数学模型，并在此基础上介绍了相关矢量控制原理，尤其是本文所采用的定子电流最优控制策略。同时根据无位置传感器相关原理建立了用于替代传统机械位置传感器的滑模观测器，并引入基于模糊控制理论的模糊PI来替代传统PI，完成了系统的MATLAB仿真。第二部分工作制作了以TMS320F2808DSP为核心控制芯片的硬件平台，软件的编写和工厂现场调试。
MATLAB仿真和实验结果均表明了系统的有效性以及良好的控制性能，是一种较为理想的控制方案。
关键词: 永磁同步电机；无位置传感器；定子电流最优；模糊PI；DSP
II
基于模糊控制的永磁同步电机无位置传感器驱动系统硕士学位论文
Abstract
With the development of microprocessor technology, power electronics technology and permanent magnetic materials manufacturing techniques, as well as tructure and operating characteristics of permanent magnet synchronous motor (PMSM), the PMSM drive system is widely applied in the areas of industrial and agricultural production. But the good performances of PMSM drive system are based on closed-loop control, it is quite important of how to obtain the rotor position and speed signals in this system. Traditionally, the rotor position of the control system is mainly supplied by the resolver or optical encoder disk, but such position sensors have the nature defects of high costs, maintenance difficulties and poor performances in bad working conditions. Thus, sensorless control strategy which only according the sampling of the current and voltage to estimate the rotor position and speed by specific methods will be widely applied. To enhance the speed, stability and robustness of PMSM drive system further, fuzzy control method which has the characteristic of easy configuration, continue output, high reliability, small overshoot and strong robustness has gained more and more attention.
In this paper, sensorless permanent magnet synchronous motor drive system for the study is mainly divided into two parts of MATLAB/SIMULINK simulation and system software and hardware achievement. In the first part, the auther established a mathematical model of PMSM, and on this basis, introduced the relevant principles of vector control, particularly the optimal control strategy used in this paper. At the same time, the author not only established a sliding mode observer to replace traditional mechanical position sensors according to the relevant principles, but also fuzzy PI to replace traditional PI under the introduction of fuzzy control theory, and then completed MATLAB simulation of the system. The second part included the designing of a hardware experiment platform using TMS320F2808DSP for core control chip, software development and plant debugging.
The results of MATLAB simulation and experiment, which show the prime control performance of the program and effectiveness of the system, prove that this program is an ideal control method．
Key Words: PMSM; Sensorless; Vector Control; Fuzzy PI; DSP
III
硕士学位论文
目录
学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书 ................... 错误！未定义书签。摘要.......................................................................................................................... I I Abstract .................................................................................................................... I II 目录........................................................................................................................ IV 第1章绪论 . (1)
1.1 选题背景及意义 (1)
1.2交流控制系统现状及发展趋势 (2)
1.2.1国内外研究概况 (2)
1.2.2发展趋势 (3)
1.3交流系统控制策略概述 (4)
1.4本文研究的主要内容 (6)
第2章永磁同步电机的控制原理 (7)
2.1 永磁同步电机的结构 (7)
2.2永磁同步电机的数学模型 (8)
2.2.1 永磁同步电机在三相静止坐标系下的模型 (8)
2.2.2 坐标变换 (9)
2.2.3 永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型 (11)
2.3 永磁同步电机的矢量控制技术 (12)
2.4 定子电流最优控制 (14)
2.5 空间电压矢量调制原理 (15)
2.5.1电压空间矢量脉宽调制技术 (16)
2.5.2磁链轨迹控制 (19)
2.5.3扇区的确定 (22)
2.6本章小结 (22)
第3章基于滑模观测器的无位置传感器控制 (23)
3.1 滑模变结构控制基本原理 (23)
3.1.1 变结构控制概述 (23)
3.1.2滑动模态及数学表达 (24)
3.2滑模观测器的转子位置估算方法 (25)
3.3 滑模观测器仿真及分析 (28)
3.3.1整体框架 (28)
IV
基于模糊控制的永磁同步电机无位置传感器驱动系统硕士学位论文
3.3.2仿真模型 (28)
3.3.3仿真结果及分析 (30)
3.4 本章小结 (31)
第4章永磁同步电机模糊PI控制 (32)
4.1 模糊控制的基本原理 (32)
4.1.1 模糊控制主要特点 (32)
4.1.2 模糊控制系统组成 (33)
4.1.3 模糊控制器原理 (33)
4.2 模糊PI控制器设计 (34)
4.2.1 模糊控制器结构的确定 (34)
4.2.2 模糊化 (35)
4.2.3 模糊控制规则的确定 (36)
4.2.4 模糊推理 (36)
4.2.5 解模糊化 (37)
4.3 基于模糊PI控制的PMSM无位置传感器控制系统仿真 (37)
4.3.1 模糊PI控制器的建立 (37)
4.3.2 控制系统仿真 (39)
4.4 本章小结 (39)
第5章永磁同步电机控制系统的实现 (40)
5.1 系统硬件电路设计 (40)
5.1.1 系统主回路设计 (40)
5.1.2 系统控制电路的组成 (43)
5.2 系统软件设计 (46)
5.2.1 开发软件介绍 (46)
5.2.2 系统软件的整体结构 (46)
5.2.3 SVPWM算法实现 (48)
5.3 实验结果及分析 (49)
5.3.1 电机低速运行 (50)
5.3.2 电机额定转速运行 (51)
5.3.3 突加负载实验 (53)
5.4 本章小结 (54)
结论 (55)
参考文献 (57)
致谢 (61)
附录A 攻读学位期间发表的学术论文 (62)
V
VI
第1章绪论
近几年来，随着产业应用形态的不断改变、进步，电机成为现代工业产品不可或缺的零部件，广泛的应用于各式各样的机械工具和一般消费品。尤其是标志着一个国家工业实力的高精机床、工业机器人等对其“驱动源”提出了越来越高的要求。伴随着材料科技的蓬勃发展，具有高效率、易维修且控制简单的交流永磁同步电机(Permanent magnet synchronous motor，简称PMSM)应用日益普及，渐渐的取代了传统的直流电机和异步电机的地位。
1.1 选题背景及意义
相对于直流电动机和异步电动机而言，基于正弦波反电动势的永磁同步电机因其优异的性能已日渐成为电驱动系统执行电机的“主流”。随着现代电力电子技术、微电子技术、计算机技术等支撑技术的快速发展以及控制理论的不断进步，以永磁同步电机作为执行机构的交流驱动系统的发展得以极大的发展[1,2]。
永磁电机的发展与永磁材料的发展密切相关，二十世纪六十到八十年代，钐钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称稀土永磁）的相继问世，使永磁电机的发展进入了新的历史时代。我国稀土资源丰富，号称“稀土王国”，稀土永磁材料和稀土永磁电机的研究达到了世界先进水平。自二十世纪八十年代以来，各国相应的研究机构及著名的电气公司竞相把稀土永磁材料、电力电子技术、自动控制理论以及微电子技术的最新成就应用于永磁同步电机及其控制系统的研究开发之中，使其成为当代电机技术发展的一个重要方向。随着永磁材料性能和电力电子器件性能价格比的不断提高，现代控制理论、微机控制技术和电机制造工艺的迅猛发展，新磁路结构的不断涌现，在永磁同步电机理论分析、设计和控制策略中不断出现有待进一步深入研究的新课题[3,4]。
高性能永磁同步电机调速系统的应用变得日益广泛，为了满足永磁同步电机传动系统工作稳定性的需要，一般来说必须实时的知道永磁电机转子的位置以及速度并实现速度闭环控制。而位置和速度信息的获取，传统的做法是在电机上安装机械位置传感器[5]。但必须注意到的是，传统做法中机械位置传感器的安装给永磁同步电机控制系统带来了诸多缺点。
随着控制理论与电力电子技术的发展，从1980年开始，众多研究学者将目光转向了无位置传感器的方案，即采用电压传感器或电流传感器的输出信号，间接估测转子位置，使这些电机不需要霍尔传感器等传统的机械位置传感器，称之为无传感控制。虽然省去了霍尔元件，但还是要利用电气性的传感器，如电压传感
1
基于模糊控制的永磁同步电机无位置传感器驱动系统
器、电流传感器，作为回路控制，其精确名称为无位置传感器控制。由于无传感器驱动技术可以减少电机端的线路与传感器空间，降低系统成本与复杂度，增强恶劣条件工作能力，提高了应用的范围[6,7]。众多的优点与特性，使此技术成为近几年电机驱动系统的主流，目前欧美日市场上已经有很多的无传感器的驱动器问世。
对于遭遇技术瓶颈和国外技术封锁的国内高性能交流驱动技术及产品来说，研究具有自主知识产权的交流控制技术，尤其是最具有应用前景的永磁同步电机无位置传感器控制技术，具有重要的理论意义和实用价值。
本文设计的永磁同步电机无位置传感器驱动系统，采用滑模观测器计算转速，用矢量控制的策略在传统PI控制的基础上引入模糊控制方法，并在MATLAB/ SIMULINK下建立仿真模型来分析永磁同步驱动系统的各方面性能，然后基于DSP 实现硬件系统的设计，经过试验和现场调试，达到了比较理想的效果。本课题的研究对无位置传感器驱动系统的发展具有一定的参考价值。
1.2交流控制系统现状及发展趋势
1.2.1国内外研究概况
早期对永磁同步电机的研究主要集中在固定频率供电下的电机运行特性研究，特别是其稳态特性和直接起动性能的研究。永磁同步电机的直接起动是依靠阻尼绕组提供的异步转矩将电机加速到接近同步转速，然后由磁阻转矩和同步转矩将永磁同步电机牵入同步。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人在这方面做了大量的研究工作。80年代以来，随着各种相关技术的飞速发展，有关永磁同步电机矢量控制系统的研究成果不断涌现，为高性能永磁同步驱动系统的研究与应用奠定了基础。永磁同步电机矢量控制系统的电流控制方法对系统的运行特性有很大影响，必须研究不同电流控制方法时系统所具有的动静态特性[8]。一般情况下，永磁同步电机驱动系统必须具有较宽的调速范围，很稳定的转矩输出特性。为了满足实际需要，在额定转速以下电机按恒转矩运行，以尽快加速到额定转速；在额定转速以上，电机满容量下按恒功率运行。随着电机转速上升，电机定子绕组中感应电动势不断增加，当电机转速上升到一定程度时，由于逆变器容量恒定，其输出电流将不能跟踪电流给定，电机输出转矩下降，性能变差。为提高高速时电机转矩输出能力，需对电机实施弱磁控制。然而，永磁同步电机的磁场是由永磁体产生的，不能像直流电机和异步电机那样进行控制。为了实现弱磁，在电机电枢绕组中加入直轴电流，利用电机直轴电枢反应抵消永磁体产生的磁场，从而提高永磁同步电机的高速运行性能。
进入80年代中后期后，永磁同步电机调速系统具有代表性的几项重大研究突破为：1986年，T.M.Jahns等人研制出具有代表性的内置式永磁同步电机矢量控制
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硕士学位论文
系统，该系统是用于飞机上的执行机构，具有结构简单、性能优良等特点，为其后的永磁同步电动机矢量控制系统的研究奠定了基础，推动了永磁同步电动机矢量控制系统进入实际应用的步伐；1994年，日本的S.Morimoto等人提出的内置永磁同步电动机的高转矩性能的矢量控制系统，其方法是根据电机的负载情况，调整电流矢量的相角，充分利用内置式永磁同步电动机的磁阻转矩，增加电机的转矩和功率的输出[9]；而后，W.L.Song发表了“凸极式永磁同步电动机的恒功率运行能力”的论文，主要讨论了凸极式永磁同步电动机的恒功率运行区域与电机凸极率的关系[10]。
与此同时国内交流调速领域的学者也对永磁同步电动机的调速进行了大量的研究：白弢，刘宴等对永磁同步电动机的DSP控制进行了研究，并提出了基于DSP 的矢量控制系统[11]；山东大学的周以齐博士对高性能交流伺服系统控制技术进行了研究，其半闭环控制独具特点[12]；邱阿瑞对异步电机矢量控制系统进行了研究，提出无速度传感器控制[13]；山东大学的徐衍亮博士对永磁同步电动机的功率特性及扩速能力进行了深入的研究[14]；济南大学的卢秋霞、机械工程学院的董学仁对基于DSP的无速度传感器驱动系统做了深入研究以及湖南大学的欧阳红林教授等对永磁同步电动机的数字化调速控制系统进行了研究[15,16]。
1.2.2发展趋势
交流永磁同步调速系统是由主电路和控制电路两部分组成的，目前主电路的拓扑结构没有多大变化，系统的发展重点在控制电路部分。随着新型电力电子器件的出现、DSP技术的发展，现代控制理论的运用，永磁同步调速系统的研究出现了一些新的方向，主要包含以下几个方面[17]。
（1）电机数学模型分析方法的发展
永磁同步电机控制系统是一个多变量、强耦合、非线性系统，为了提高系统控制精度，非线性系统状态反馈线性化理论被逐步引入到电机控制中来，但由于该方法理论的复杂性，限制了它在电机控制系统中的推广和应用。分析非线性系统的另一种方法常用的控制方法－逆系统方法，其思想是对于给定系统，让对象的模型生成可用反馈方法实现的原系统的“α阶积分拟系统”，再将控制对象补偿成为具有线性传递关系的且已经解耦的规范化系统（伪线性系统）[18]。最后用线性系统的各种设计理论完成系统的综合。该方法具有在理论上形式统一，物理概念清晰直观，容易被人们接受。
（2）现代控制理论的引入
交流电机矢量控制技术的提出，明显改善了交流电机的调速性能。然而，传统的矢量控制技术依赖于电机的模型和参数，而模型和参数在电机运行过程中是变化的，这就使得电机的矢量控制无法达到理论上的性能指标，满足不了现代交流驱动系统的应用要求。现代控制理论的各种技术能够使系统在模型或者参数变
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化时保持良好的控制性能[19]。自适应控制技术是指在一定的数学模型、确定的算法下，可以在系统运行情况变更时自动辩识系统有关参数，修改系统运行程序，以期改善系统在控制对象和运行条件发生变化时的控制性能。
（3）人工智能技术的应用
经典或者现代控制理论基础上的控制策略都依赖于电机的数学模型，当模型参数变化时，想获得优良的控制性能是研究人员面临的重要课题。而近年来备受关注的智能控制，由于它摆脱了对被控对象模型的依赖，成为研究与开发的热点。随着人工智能技术的发展，智能控制已经成为现代控制的重要分支，智能化电气传动控制也成为目前电气传动的重要发展方向，开辟了电气传动技术新纪元[20]。人工智能的专家系统、模糊控制、神经网络等在电机传动系统中的应用与研究已经取得了可喜成果。
1.3交流系统控制策略概述
永磁交流驱动系统在几十年的发展进程中，其控制策略不断进步，其中具有代表性的包括：恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、滑模变结构控制、自适应控制、智能化控制等等[16,21]。
（1）恒压频比控制
具有位置检测环节的永磁同步电机调速系统属于自控式变频调速系统的范畴。即给定定子电流后，电机定子电流频率随转子位置的变化而变化，同时要使得电机在不同速度下都能保证定子电流达到给定电流值，必须调整永磁同步电机的端电压，使之随电机转子速度的提高而增加，以补偿永磁同步电机反电动势的升高，所以永磁同步电机自控式变频调速本质上满足恒压频比条件，属于恒压频比控制范畴。恒压频比控制依据的是电机稳态数学模型，不能控制电机动态过程中的转矩，从而导致动态控制性能不够理想，目前永磁交流驱动系统基本上不采用这种早期的控制模式。
（2）矢量控制
由德国学者Blaschke于1971年提出的矢量控制理论使交流电机控制由外部宏观稳态控制深入到电机内部电磁过程的瞬态控制，从而使得永磁同步电机的控制性能得到了本质的提高。矢量控制最显著的特征是通过坐标变换将交流电机内部复杂耦合的非线性变量变换为同步旋转坐标系中静止的直流变量（如电流、磁链、电压等），从中找到约束条件，获得某一目标的最佳控制策略。
（3）直接转矩控制
由Depenbrock教授于1985年提出的异步电机直接转矩控制方法，是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，在近似圆形旋转磁场的前提下强调对电机转矩进行直接控制，省掉了矢量控制中坐标变换等复杂计算。直接转矩控制磁场定向
时应用的是定子磁链，只需知道定子电阻就可以把它观测出来，相对来说，该控制方法更不易受电机参数变化的影响[22]。近年来，直接转矩控制方式被移植到永磁同步电机的控制中，随着人们对其控制原理和关键技术的不断深入研究，直接转矩控制将在大力矩、快速响应的数字化交流驱动系统中获得广泛应用。
（4）非线性控制
交流电机是一个强耦合、多变量的非线性系统。非线性控制通过非线性状态反馈和非线性变换，实现系统的动态解耦和整体线性化，将非线性、多变量、强耦合的交流电机系统分解为两个独立的线性单变量系统。其中，转子磁链子系统包括两个惯性环节。转速子系统包括一个积分环节和一个惯性环节。两个子系统的控制和调节按线性控制理论分别进行设计，从而使系统达到预期的性能指标。
但是，非线性系统反馈实现线性化的前提是要获得电机模型的参数和对系统的精确测量或观测，而电机在运行中参数会随着各种因素的影响而发生变化，磁链观测的准确性也很难论证，从而影响系统的鲁棒性，甚至造成系统性能恶化，目前这种控制方法需要在实践中深入研究和完善。
（5）滑模变结构控制
滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略，它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，它是一种使系统“结构”随时变化的开关特性。其主要思想是，根据被调量的偏差及其导数，有目的性地使系统沿设计好的“滑动模态”轨迹运动[23]。由于该滑动模态是可以设计的，且不受系统的参数及扰动的影响，因而系统的鲁棒性得到了提高。另外，滑模变结构控制不需要任何在线辨识，所以较容易实现。在过去十多年里，将滑模变结构控制应用于交流传动一直是国内外学者的研究热点，并已取得了一些有效的成果。但滑模变结构控制本质上的不连续开关特性使其实际系统中抖振必定存在且无法消除，从而其应用受到了限制。
（6）自适应控制
自适应控制能在系统运行过程中不断提取模型的相关信息，使系统模型得到逐步完善，它能有效克服参数变化对系统性能的影响。目前，应用于永磁交流电机控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辨识自校正控制等等。但所有这些方法都存在一些问题：①数学模型和运算繁琐，使控制系统变得复杂；②辨识和校正都需要一个过程，对一些参数变化较快的系统，因来不及校正而不能获得理想的控制效果[24]。
（7）智能控制
智能控制理论是永磁交流驱动控制发展中的一个崭新阶段，与传统的经典、现代控制方法相比，具有一系列突出特点。首先，它突破了传统控制理论中必须基于数学模型的模式，只按实际效果进行控制，而不依赖或不完全依赖于控制对象的数学模型。其次，继承了人脑思维的非线性，智能控制器也具有非线性特征；
同时，利用计算机控制，可以根据当前状态切换控制器的结构，引入变结构方法改善系统性能。在复杂系统中，智能控制还具有分层信息处理和决策的功能。利用智能控制的非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服交流驱动系统变参数与非线性等不利因素，可以提高系统的鲁棒性[25~27]。
1.4本文研究的主要内容
本课题研究以实际工程项目为背景，以TI的TMS320F2808DSP为核心控件，研制开发的一套基于模糊PI控制的永磁同步电机无位置传感器驱动器。本文主要在基于模糊PI的永磁交流电机无位置传感器驱动系统方面做如下研究工作：（1）通过永磁同步电机的数学模型，揭示了永磁同步电机矢量控制的实质与关键，并建立永磁同步电机控制系统的仿真模型。针对本文采用的矢量控制方式，分析其原理、优点，采用定子电流最优控制的分段算法。
（2）模糊控制算法的引进与应用。用模糊PI来代替传统PI，实现PI参数的在线自整定。
（3）无位置传感器技术的研究与应用。电机系统中传感器的存在阻碍了电机向高速化、小型化发展。
（4）无位置传感器技术的起动和低速运行问题。无位置传感器控制方法无法检测电机转子初始位置进而无法顺利启动。
（5）硬件平台和软件算法的具体实现。
第2章永磁同步电机的控制原理
为了改善转矩控制性能，德国的F.Blaschke在1971年提出了矢量控制理论。矢量控制从理论上解决了交流电动机非线性解耦问题，实现了交流电动机的转矩高性能控制。其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在转子磁场定向坐标上，将定子电流矢量分解成产生磁通的直轴（励磁）电流分量i d和产生转矩的交轴（转矩）电流分量i q，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后进行调节。这样，交流电功机的转矩控制，从原理和特性上就与直流电动机相似了。因此，矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置（频率和相位）的控制。借助于坐标变换，使得各个物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，然后，从同步旋转坐标系的角度来考察，电动机的各个空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各个空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各个分量之间的关系，实时的计算出转矩控制所需要的被控矢量的各个分量值，即直流给定量。矢量控制方法成功实施后，使得由三相交流供电的电动机变频调速后的机械特性及动态性能都达到了与直流电机调压时的调速性能不相上下的程度，从而使得交流电机变频调速在电动机的调速领域里占有越来越重要的地位。相比异步电动机而言，永磁同步电动机具有以下优点：转子采用高性能永磁材料（如铁钕硼），转子直径减少使电机小型化；转子无励磁损耗，效率较高；发热主体在定子侧，散热容易；且永磁同步电机的矢量控制较异步电机简单，模拟式、数字式控制方式都较易实现。鉴于这些优点，永磁同步电机的驱动系统得到越来越广泛的应用。
2.1 永磁同步电机的结构
永磁同步电机是由绕线式同步电机发展起来的，其结构与绕线式同步电机基本相同。定子由三相绕组以及铁心构成，绕组常以Y型连接；在转子结构上，永磁同步电机用永磁体取代电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷[28]。
永磁同步电机具有电磁转矩纹波系数小、动态响应快、功率因数高、运行平稳、过载能力强等优点，目前已经得到人们越来越多的关注。永磁同步电动机的转子采用永磁材料组成，如铁钕硼等，这样的永磁稀土材料具有很大的剩磁和矫顽力，加上它的磁导率与空气磁导率相仿，对于径向结构的电动机交轴和直轴磁路磁阻都很大，可以在很大程度上减少电枢反应。永磁同步电机转子可以按其永磁体在转子上的位置分为两类：凸极式和隐极式，如图2.1(a)和2.1(b)所示[1]。凸极式是将永磁铁安装在转子轴的表面，因为永磁材料的磁导率很接近空气磁导率，
所以在交轴（q 轴）和直轴（d 轴）上的电感基本相同。隐极式转子则是将永磁铁嵌入在转子轴的内部，因此交轴的电感大于直轴的电感，并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在，有助于提高电机的过载能力和功率密度，易于弱磁控制。
a) 凸极式转子结构 b) 隐极式转子结构
图2.1 永磁同步电动机转子结构
永磁体转子产生恒定的电磁场，当定子通以三相对称的正弦波交流电时，就会形成旋转的磁场，两种磁场相互作用产生的电磁力，从而推动转子旋转。通过改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的速度和位置。
2.2永磁同步电机的数学模型
2.2.1 永磁同步电机在三相静止坐标系下的模型
永磁同步电机的数学模型和电励磁同步电动机的数学模型是相似的。它包括电动机的电压方程、磁链方程及转矩方程等[29,30]。
为了建立永磁同步电动机的数学模型，通常先做如下假设：
(1) 认为磁路是线性的，可以用叠加原理进行分析。忽略磁路饱和、磁滞和涡流的影响；
(2) 定子通入三相对称正弦波电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势而没有高次谐波；
(3) 永磁磁极在气隙中产生的磁势为正弦分布，也无高次谐波，即定子的空载电势为正弦波；
(4) 不计铁心损耗。
永磁同步电动机在A 、B 、C 坐标系下的定子电压方程为：
s s s u Ri p ψ=+ (2.1)
磁链方程为：
)(θψψs f s s s F i L += (2.2)
9
式中：[][][]T C B A s T
C B
A s T C B
A
s i i i i u u u u ψψψψ===,,
????
??????=C CB
CA
BC B
BA
AC AB A
s L M M M L M M M L L ，cos ()cos(2/3)cos(2/3)s F θθθπθπ??
??=-??
??+??
C B A i i i 、、——A 、B 、C 三相绕组电流； C B A u u u 、、——A 、B 、C 三相绕组电压；
C B A ψψψ、、——A 、B 、C 三相绕组交链的总磁链；
s R ——定子绕组的电阻；
A L 、
B L 、
C L ——电机定子绕组自感； XY M ——定子Y 绕组对X 绕组产生的互感；
f ψ——转子永磁体磁极的励磁磁链；
θ——转子d 轴超前定子A 相绕组轴线的电角度； p ——微分算子（d/dt ）
从以上的方程可以看出，电机参数与转子位置角θ有关是系统非线性的根源所在，这由永磁同步电动机在A 、B 、C 坐标系中的数学模型的复杂程度决定的。为了便于实现矢量控制，需要进行坐标变换。
2.2.2 坐标变换
2.2.2.1 坐标变换的原理
坐标变换的基本思想就是将交流电机的物理模型等效的变换成类似直流电机的模型，然后再模仿直流电机进行控制。不同电机模型彼此等效的原则是：在不同坐标系下产生的磁动势相等[31]。
交流电机三相对称的静止绕组A 、B 、C 通以三相平衡的正弦电流C B A i i i 、、时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F ，它在空间呈正弦分布，并以同步速度1ω按A —B —C 相序旋转，这样的物理模型如图2.2(a)所示。图2.2(b)中绘出了两相静止绕组α、β，它们在空间上相差90o，通以时间上相差90o的两相平衡交流电流，也能产生旋转磁动势F 。当图2.2(a)和2.2(b)的两个旋转磁动势大小和转速都相等时，则可认为这两套绕组是等效绕组。
再考虑图2.2(c)中的两个匝数相等并且相互垂直的绕组d 和q ，其中分别通以直流电流d i 和q i ，产生合成磁动势F ，其位置相对绕组来说是静止的。如果让包含两个绕组在内的整个铁芯以同步速度1ω旋转，则磁动势F 自然也旋转起来，成为旋转磁动势。把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图2.2(a)和2.2(b)中的磁动势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前两套固定的交流绕组等效了。
10
图2.2 等效的交流电机绕组和直流电机物理模型
由此可见，以产生同样的旋转磁动势为准则，图 2.2(a)的三相交流绕组、图2.2(b)的两相交流绕组和图2.2(c)的旋转直流绕组等效[16]。或者说，在三相静止坐标下的C B A i i i 、、、在两相静止坐标下的αi 、βi 和在旋转两相坐标下的直流电流d i 、
q i 这三者是等效的，即能产生相同的旋转磁动势。故坐标变换的目的就是计算得出C B A i i i 、、与αi 、βi 以及d i 、q i 三者之间准确的等效关系。
假定在某坐标系下的某电路的电压和电流向量分别为u 和i ，在新的坐标系下，电压和电流向量变成了'u 和'i ，
其中 ????????????=n u u u u 21， ??????
??????=n i i i i 2
1 (2.3)
而 ??????????????=''2'1'n u u u u ， ??????
????????=''2'1'n i i
i i (2.4)
定义新相量与原向量的坐标变换关系为：
'u C u u = 'i C i i = (2.5) 假设变换前后功率不变，则
u i i u i u i u p T n n =+++= 2211
'''
''2'2'1'1u i i u i u i u T n n =+++= (2.6)
11
将式(2.5)代入式(2.6)有：
'''''')(u i u C C i u C i C u i T u T i T u T i T ===
因此 E C C u T i = (2.7) 式(2.7)就是在功率不变条件下变换矩阵的关系。在一般情况下，为了使变换矩阵简单好记，把电压电流变换矩阵取为同一矩阵，即令
C C C i u == (2.8) 则式(2.7)变为 E C C T = 即 1-=C C T (2.9) 由此可得结论：在变换前后功率不变，且电压和电流取相同的变换矩阵的条件下，变换矩阵的逆与其转置相等，这种变换就是正交变换。 2.2.2.2坐标变换矩阵
计算中涉及到的三种坐标系：基于转子旋转磁场的dq 坐标系、基于定子静止磁场的αβ坐标系和三相abc 定子坐标系，它们相互之间的转换满足：
3/20A s s B C i i i C i i i αβ????????=????????????
， 2/2d s r q i i C i i αβ??
??=??????
??， 3/20d A q s r B C i i i C
i i i ??
??
????
=??
????????
??
(2.10) 其中：
???????????????
?--
-
=
212
12
12323021211322/3s s C ??
?
???-=????cos sin sin cos 2/2r s C ??
????
?
????
???
+----+-=
21212
1)120sin()120sin(sin )120cos()120cos(cos 3
22/3
θθθθθθr s C
2.2.3 永磁同步电机在dq 坐标系下的数学模型
建立永磁同步电机dq 轴转子坐标系数学模型，其电压、磁链及转矩等方程分别如下所示[32]：
永磁同步电动机dq 坐标系下的磁链方程：
????
?
?????+????
????????????????=??????????00230
0000000f q d q
d
q d i i i L L L ψψψψ (2.11)
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
永磁同步电机驱动系统 架线式电机车是煤矿井下和地面原煤运输和辅助运输的重要设备，被煤矿企业广泛应用。由于现有电机车大都采用直流电机驱动，存在维护工作量大、维修费用高、能量损耗大及相关配套人员量大等缺点，致使电机车使用效率低下，使用费用很高。本项目是针对架线式电机车的现状，开发适用以架线式电机车的永磁同步电动机及其控制装置。采用IGBT或IPM实现逆变器主电路，设计优良的IGBT或IPM驱动电路，保证开关器件工作的安全、可靠。选用高性能数字信号处理器为核心，设计专用控制器，实现电机车的传动控制和工艺控制。 本项目研制成功将会给架线式电机车带来全新的变化，大大提高系统的运行效率和控制性能，延长架线式电机车的使用周期，起到节能的效果，也有效减少维修工作量。 1、国内外现状 电机车是煤矿井下和地面广泛应用的运输设备，现在直流电机驱动设备每年使用费用很高。而现有的电机车驱动及其控制技术共有三代五个阶段：第一代技术为串励式直流电动机及其控制：这一代技术又经历了三个阶段，第一个阶段为电阻调速，存在调速性能差（为有极调速）、能耗大、电机易损、机械磨损大，以上问题直接导致维护工作量和维护费用高；第二个阶段为可控硅斩波调速，第三个阶段为IGBT斩波调速，第二和第三阶段相对于第一阶段仅解决了一个无极调速问题，能量损耗相对于第一阶段要小点，但其他问题均没有解决。 第二代技术为三相异步电动机及其控制，主要采用变频技术进行。由于三相异步电动机的效率较低，变频技术在车辆上应用故障高，而且异步电动机起步转矩较低，不符合煤矿电机车运行环境。目前机车应用的异步电动机存在诸多问题，暂不符合大面积推广使用技术条件。 第三代技术为永磁同步电动机及其控制技术，就是现在在做的技术。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积；省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。在交流驱动中，永磁同步电动机具有结构简单、坚固耐用，工作可靠，
大功率高速永磁同步电机的设计与分析 发表时间：2016-07-19T10:13:33.690Z 来源：《电力设备》2016年第8期作者：陆焕瑞王钢汪佳龙[导读] 从安全性、可靠性、稳定性、准确性等方面入手，通过自主研发，以此来研制出满足用户要求的高性能产品。陆焕瑞王钢汪佳龙(上海海事大学上海 201306) 摘要：针对西气东输过程中的10MW级变频驱动压缩机组(PDS)中，对高速直驱电动机的技术、结构和组成的要求，提出了大功率高速永磁同步电机的研制方案。本文尝试以10MW等级调速范围3120~4800rpm和额定频率160Hz的技术要求，来设计适合西气东输PDS中的大功率高速永磁同步电机。本文主要以Ansoft软件来设计电机，通过选择合适的技术参数来完成相应的设计。 关键词：PDS组，大功率，高速，永磁同步电机，Ansoft，设计与分析1 引言 根据10 MW级变频电驱压缩机组中压大功率变频调速驱动系统(简称PDS)国产化研制及应用的项目背景，提出了10MW级变频电驱系统的技术要求，通过比较分析市场各种变频器的结构特点和国产变频电驱系统技术力量，电机通常为正压通风防爆无刷励磁同步电机，一般有低速(1000~1500 r/min)加齿轮箱和4500~5200 r/min与压缩机高速直联驱动2种方式。由于国内厂家没有成熟的产品和应用业绩，主要由SIEMENS，ABB，TEMEI。由于变频永磁同步电机能够通过降低输入电压频率实现自起动，而内置的永磁体能够提供磁通以及产生相应的同步转矩，这样可以保证电机稳定运行时为同步电机运行状态。同时对于电机来说无需励磁电流，大大减少了定子上电流以及相应的损耗，并且在转子上几乎无电流以及铜耗。因此与传统的感应电机和励磁电机相比，具有效率高、功率因数高的优点。 2 大功率高速永磁同步电机的设计2.1 主要设计特点永磁同步电机的定子一般与相应的异步电机的定子冲片相同，最主要的是对转子的设计。本文设计的大功率高速永磁同步电机的使用场合较为特殊，对于这样的大电机要求运行可靠、大功率、高转速、高效率、防爆要求较高。所以不仅要设计合理的电磁磁路，又要在相应的技术参数基础上(机、电、热、材料、工艺、环境)对电机的性能进行改善。所以在设计过程中要综合以下方面综合考虑：(1)高压变频 高压变频起动永磁同步电机无需起动绕组，这样需要大功率的变频器来与之相匹配，同样还要加强电气强度，提高安全系数。 (2)大容量 电机为4级，定子额定电流约为660A，额定电压约为10kV,额定功率约为10MW，定子绕组采用Y型连接方式，相数为3相，额定频率为160Hz，额定转矩为20 。 (3)高转速 电机额定转速约为4800rpm，功率大、效率高、转速高，调速宽而且能持续运行。结合实际大功率高速永磁电机技术水平，合理选择驱动压缩机方式。 (4)防爆 天然气是极易发生燃烧爆炸的气体，所以对电机要进行防爆措施，选择合适的材料以及防爆等级。 (5)冷却 中小功率电机一般是利用空气进行通风冷却，但随着单机容量的增加，大功率高速电机的散热面积和风路安排受到诸多限制，使通风冷却较为困难。所以，为了保证电机温升不超过允许值需要用不同的冷却方式和通风系统。一般采用水风混合冷却，即内循环冷却采用水冷，外循环冷却采用风冷。 2.2 定转子设计 图1 定转子结构主要计算公式：
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
基于SiC MOSFET的永磁同步高速电机驱动平台研发随着电动汽车的飞速发展,电动汽车驱动系统向着高速、高效、高压、高功率密度方向发展。由于国内电动汽车驱动主要使用永磁同步高速电机,电动汽车驱动的发展,一方面推动永磁同步电机的发展,另一方面也对电机驱动有了更高的要求。 随着电动汽车驱动系统效率、功率密度、母线电压、驱动电机转速的提高,对电机驱动的开关损耗、开关频率、耐高温工作能力、电压应力有了更高的要求,目前大多电机驱动器使用的主流的Si IGBT功率器件,已越来越难以满足需求。而新型宽禁带半导体碳化硅功率器件具有开关速度快、开关损耗低、导通损耗低、阻断电压高、耐高温等优势,在永磁同步高速电机应用上有无可替代的优势。 随着碳化硅材料制造工艺的进步与发展,碳化硅功率器件的电气性能在不断优化,所以碳化硅功率器件在永磁同步高速电机驱动的应用方面的研究有了较强的实际应用价值。碳化硅功率器件在电气性能上具有许多优势,但是其应用在电机驱动上仍然存在许多问题要解决。 本文分析了SiC MOSFET应用于高速电机驱动上的三个常见问题,一是开关速度的提高,换流回路寄生电感会带来漏源电压过冲与振荡等问题,文章通过主电路换流回路建模分析漏源电压振荡产生原因,提出漏源电压过冲与振荡的抑制方法并通过实验验证了抑制方案的可行性;二是控制闭环刷新频率的提高,对控制平台与控制算法要求提高,文章通过硬件升级与程序改进两个方面来提高控制频率;第三个也是最主要的问题,SiC MOSFET应用时的容易产生桥臂串扰与栅源电压振荡。与传统的Si IGBT不同,SiC MOSFET功率器件由于开关速度大幅提升,开关瞬间漏源间会产生很高的电压变化率,从而使桥臂串扰与栅源电压振荡问题
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
270V高压大功率永磁同步电机驱动器设计 摘要：近年来270V高压直流供电体制在各种装备上开始大量应用，本文给出了 一种由TMS320F2812、高精度转子位置速度检测装置及高压MOS管组成的高压 大功率永磁同步电机驱动控制方案，详细描述了系统的硬件组成和软件设计结构。试验结果表明，该系统较好的解决了高压供电带来的干扰问题，具有调速性能良好、效率高、抗干扰能力强等特点，满足型号的使用要求。 关键词：270V高压；永磁同步电机驱动器；抗干扰 0 引言 随着我国对高压直流电源系统的深入研究，新一代装备已开始采用270V高压直流供电系统，这种新型电源体制不但具有传输功率大、传输效率高、供电可靠 性高和电源配电重量轻的特点，而且还将大大减小低压直流供电系统的电器设备 的大电流电弧干扰，提高了武器装备的综合能力[1]。 本文给出了一种由TMS320F2812、高精度转子位置速度检测装置及高压MOS 管组成的大功率PMSM驱动控制方案，详细叙述了系统的硬件组成和软件设计结构。并在此基础上，设计了一套大功率PMSM驱动控制系统，该系统具有调速性 能良好，效率高等特点，满足型号的使用要求。 1 系统总体设计 1.1 永磁同步电机（PMSM）数学模型 永磁同步电机由于具备小体积、高效率及功率密度、调速性能良好等优点得 到了越来越广泛的应用。PMSM的数学模型包括电动机的运动方程，物理方程和 转矩方程，这些方程是永磁同步电机数学模型的基础。控制对象的数学模型能够 准确的反应被控系统的静态和动态特性。为方便分析，先做以下假设[2~4]： 1）磁路不饱和，即电机电感大小不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗； 2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； 3）三相绕组完全对称，永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布； 4）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； 5）驱动开关管和续流二极管为理想元件。 优化设计后的永磁同步电机经过Park变换后，其dq坐标系下的数学模型可 表示为方程式： 式1.1 式1.2 式1.3 式中：、—定子电压dq轴分量；、—定子电流dq轴分量； —定子电阻；—转子极对数； —转子角速度；—定子电感； —电磁转矩；—永磁体产生的磁链，为常数； 从电磁转矩方程可以看出只要能准确地检出转子空间位置（d轴），通过控 制逆变器使三相定子的合成电流在q轴上，那么永磁同步电机的电磁转矩只与定 子电流的幅值成正比，即控制定子电流的幅值，就能很好地控制电磁转矩。 1.2 驱动控制策略 永磁同步电机的控制策略有很多种，如直接转矩控制、转子磁场定向控制等[5~6]，本系统采用转子磁场定向控制，其基本原理是通过坐标变换，在转子磁场 定向的同步坐标系上对电机的磁场电流和转矩电流进行解耦控制，使其具有和传
永磁同步伺服电机(PMSM) 驱动器设计原理 周瑞华周瑞华先生，中达电通股份有限公司应用工程师。 关键词：PMSM 整流功率驱动单元控制单元 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模拟数字混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等缺点，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加可靠。现在，高性能的伺服系统大多数采用永磁交流伺服系统，其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。后者由两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是技术垄断的核心。 一交流永磁伺服系统的基本结构 交流永磁伺服系统主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通信接口单元、伺服电机及相应的反馈检测器件组成。 其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。我们的交流永磁同步驱动器集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化，是传统的驱动系统所 不可比拟的。 目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软起动电路,以减小起动过程对驱动器的冲击。 伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的两个模块，如图1所示。功率板(驱动板)是强电部分其中包括两个单元，一是功率驱动单元用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源；控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心，控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，作为驱动电路的驱动信号，来改变逆变器的输出功率，以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的。
永磁同步电主轴技术与应用 摘要： 伴随着高速高效高精加工技术的飞速发展，高端数控机床针对电主轴的技术需求深度和广度都不断拓展。特别是近几年来，基于永磁同步电机的电主轴技术与产品得到了快速的发展和广泛的应用。本文结合笔者在电主轴技术研究和产品开发过程中所涉及的关键技术问题，尤其是永磁同步电机在高速电主轴系统中的应用问题进行了广泛深入的探讨，希望以此对国内永磁同步电主轴产品技术开发与推广应用有所促进。 一、引言 高速高精高效加工，是数控机床永恒的追求目标和发展趋势。高效率需要高速度，在航空零件加工中尤为突出。飞机机身结构件的典型零件有梁、筋、肋板、框、壁板、接头、滑轨等类零件。且以扁平件、细长件、多腔件和超薄壁隔框结构件为主。毛坯为板材、锻件和铝合金挤压型材，90％以上为铝合金件。材料利用率仅为5％-10％左右，原材料去除量非常大大（1）。材料去除量大，在粗加工阶段，需要主轴具备足够的转矩输出能力，满足大吃刀切削。整理结构，多腔超博，又需要用小刀具清根，修光。小刀具则需要主轴有足够高的转速，以满足刀具的切削速度需求。因此，航空铝合金零件的加工就需要机床主轴不但具备低速大转矩输出，同时又能在小刀具加工时具备足够高（20000rpm以上）的工作转速。 在磨具加工行业，近年来大量使用的高速雕铣机，在高速电主轴的助推下，利用小刀具的微刀痕特点，大大提高了各种材质模具制造的精度和速度。随着雕铣机床的进一步发展，雕铣机也逐渐进入零件加工领域，因此对主轴的低速输出转矩也提出较高的要求。 平板电脑、苹果手机等高端电子消费品的快速发展，是当今时代最大的亮点之一。这类日用电子消费品，更新速度之快，不但让人眼花缭乱，而且使数控钻攻中心机得以急速发展。这类机床除了具备现代数控机床的基本特征外，必须具备在6000rpm以上高速刚性攻丝的能力。 综合上述三个典型的行业需求，需要数控机床电主轴同时具备三种特点，低速大转矩输出、20000rpm以上的工作转速、可以高速刚性攻丝。永磁同步电主轴则是同时具备这三个特征的最佳电主轴产品。本文就是通过对永磁同步电主轴基本结构，关键技术，以及在不同机床领域里的应用介绍，希望大家对永磁同步电主轴能有比较全面的认识和借鉴。 二、永磁同步电主轴的基本结构及其特点 永磁同步电主轴与传统电主轴的最大区别是采用了稀土永磁同步电机作为主轴的驱动动力源，除此之外，基本结构与异步电机驱动的电主轴结构基本相同。图1为典型的雕铣机用异步电主轴结构，图2为典型的雕铣机用永磁同步电主轴结构。两者结构上最大的区别是图1中的9为感应式鼠笼转子，图2中的16为稀土永磁转子。另外，图2中的20为编码器，是为了较高的速度控制精度而增加的速度和位置反馈元件。
Performance Comparison of Permanent Magnet Synchronous Motors and Controlled Induction Motors in Washing Machine Applications using Sensorless Field Oriented Control Aengus Murray, Marco Palma and Ali Husain Energy Saving Products Division International Rectifier El Segundo, CA 90245 Abstract—This paper describes two alternative variable speed motor drive systems for washing machine applications. Three phase induction motors with tachometer feedback and direct drive permanent magnet synchronous motors with hall sensor feedback are two drive systems commonly used in North American washers today. Appliance manufacturers are now evaluating sensorless drive systems because of the low reliability and high cost of the speed and position feedback sensors. A Field Oriented Control Algorithm with an embedded rotor flux and position estimation algorithm enables sensorless control of both permanent magnet synchronous motors and induction motors. The estimator derives rotor shaft position and speed from rotor flux estimates obtained from measured stator currents and the applied voltages. Sampling of currents in the dc link shunt simplifies stator current measurement and minimizes cost. Field oriented control algorithm allows good dynamic control of torque and enables an extended speed range through field weakening. The digital control algorithm runs on a unique hardware engine that allows algorithms to be designed using graphical tools. A common hardware platform can run either the PMSM or IM using sensorless field oriented control in a front loading washer application. Test results are presented for both drives in standard wash cycles. Keywords-component; Advanced Control; Field Oriented Control Algorithm;, Appliance control architecture; I.I NTRODUCTION Accurate control of drum speed is required in both horizontal and vertical axis washer machines [1]. In front loading horizontal axis washers, the drum speed determines the washing action. There is a critical drum RPM, depending on the drum radius, above which the clothes stick to the inside edge of the drum. At this speed, the centrifugal force due to rotation balances the weight of the wet clothes. At speeds below this, the clothes will stick to the side of the drum until the component of the weight acting along the radius is greater than the centrifugal force. Once this angle is reached, the clothes fall back down into the base of the drum. The speed of the drum determines how vigorously the clothes are washed and allows a gentle wash cycle to be selected for delicate items. In the spin mode, the water is drained and the drum speed is increased well beyond the critical speed and the water forced out of the cloths by the centrifugal force. In traditional top loading vertical axis machines, the agitation action is produced mechanically using a gearbox and clutch. However, the introduction of speed control systems not only simplifies the mechanical system but also allows for wash cycle control. The control of the speed and angle of stroke allows the system designer to better manage the washing action and so develop wash cycles that use less water. European front-loading washers have used variable speed control for many years and typically use a universal ‘brush type’ motor. However, the American washer uses a larger drum size, which requires a motor with a power range beyond that of the universal motor solution. The front-loading drive solutions on the market today include direct drive permanent magnet synchronous motor drives or a belt drive using an induction motor. Appliance manufacturers are now evaluating these two drive types in top-loading machine to reduce cost and improve performance. However, both these drive systems use shaft feedbacks sensors. The direct drive PMSM typically uses a Hall Effect sensor for position feedback while the induction motor drive typically uses an analog or digital tachometer for speed feedback. The ideal universal drive can run either a PMSM or an induction motor without shaft feedback sensors. However, a single hardware platform can efficiently run either a PMSM or an induction motor using sensorless field oriented control algorithm. In both cases, speed and position estimates derive from motor terminal voltages and currents. Induction motors were initially preferred for washing machine drives because of the ease of running in high speed field weakening mode even with simple scalar control methods. However, the PMSM is now becoming a viable solution because field oriented control approach enables high speed field weakening. In an induction motor, the torque producing current flows in both the rotor and stator windings while the air gap field generation needs additional field current. Therefore, in washing mode, the total copper losses are more than double
说明书摘要 本发明公开一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，步骤是：首先利用脉振高频电压注入法得到初次估计的转子位置，然后在初次估计的交轴上注入一个正方向扰动信号，再估计转子位置，根据估计得到的转速方向判断磁极极性，得到电机转子初始位置。此种方法可解决脉振高频电压信号注入法检测转子初始位置时磁极极性的收敛问题，无需在直轴上注入正负方向的脉冲电流，可以有效地实现转子初始位置估算。
摘要附图
1、一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特征在于包括如下步骤： （1）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，给定?q 轴电压?0q u =； （2）检测电机的两相电流，并经过Clarke 和Park 坐标系变换，得到??d q -估计同步旋转坐标系的?q 轴电流?q i ，并依照以下步骤估计转子的位置和转速：首先，将检测得到的?q 轴电流?q i 乘以调制信号cos()t h u t ω=；然后，对相乘后所得的信号低通滤波，得到?q 轴电流?q i 的幅值信号()f θ?；最后，对该幅值信号()f θ?进行PI 调节，得到估计转速?ω ，对估计转速?ω积分得到估计的转子位置； （3）重复步骤（2），直至估计的转子位置收敛为一恒定值，即为初次估计 的转子位置?first θ； （4）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，在?q 轴注入一个正方向扰动信号，重复步骤（2），直至电机转过一定角度γ，0γ>； （5）根据步骤（3）估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时，收 敛的磁极极性为N 极，转子初始位置??=initial first θθ；当转速为负时，收敛的磁极极性为S 极，转子初始位置??=initial first θθπ+。 2、如权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特 征在于：所述步骤（1）中，采用转子的估计位置?θ进行Park 逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值?u α和?u β。
永磁同步伺服电机驱动器原理： 1、引言： 随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交 流可调速技术及控制技术等支撑技术的快速发展，使得永磁交流伺服技术有着 长足的发展。永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交 流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成 了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。永磁交流伺服系统具有以下等优点：（1）电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单； （2）定子绕组散热快； （3）惯量小，易提高系统的快速性； （4）适应于高速大力矩工作状态； （5）相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满 足了传动领域的发展需求。 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已 经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方 法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能 的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺服电动机 和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器 硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是 国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。 2、交流永磁伺服系统的基本结构： 交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口 单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。其中 伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。我们的 交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于 高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统 的驱动系统所不可比拟的。
在各类驱动电机中, 永磁同步电机能量密度高, 效率高、体积小、惯性低、响应快, 有很好的应用前景。永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点, 又具有直流电动机的调速性能好的优点, 且无需励磁绕组, 可以做到体积小、控制效率高, 是当前电动汽车电动机研发与应用的热点。 永磁同步电动机( PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点, 通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能, 提高电动机的调速范围, 因此在电动汽车驱动方面具有较高的应用价值。 作为车辆电驱动系统的中心环节, 驱动电机的总体性能是设计研制技术的关键之一。根据车辆运行的特殊环境以及电驱动车辆自身的特点, 对驱动电机的技术要求主要是: ( 1)体积小、重量轻; 有较高的功率和转矩密度; ( 2)要求在宽速域范围内, 电动机和驱动控制器都有较高的效率; ( 3)有良好的控制性能以及过载能力, 以提高车辆的起动和加速性能。 永磁同步电机的功率因数大, 效率高, 功率密度大, 是一种比较理想的驱动电机。但正由于电磁结构中转子励磁不能随意改变, 导致电机弱磁困难, 调速特性不如直流电机。目前, 永磁同步电机理论还不如直流电机和感应电机完善, 还有许多问题需要进一步研究, 主要有以下方面。 1) 电机效率: 永磁同步电机低速效率较低, 如何通过设计降低低速损耗, 减小低速额定电流是目前研究的热点之一。 2）提高电机转矩特性 电动车驱动电机要求低速大转矩且有一定的高速恒功率运行范围, 所以相应控制策略的研究也主要集中在提高低速转矩特性和高速恒功率特性上。 1.低速控制策略: 为了提高驱动电机的低速转矩,一般采用最大转矩控制。早期永磁同步电机转子采用表面式磁钢, 由于直轴和交轴磁路的磁阻相同, 所以采用 id= 0 控制。控制命令中直轴电流设为 0, 从而实现最大转矩控制。随着同步电机结构的发展, 永磁同步电机转子多采用内置式磁钢, 利用磁阻转矩增加电机的输出转矩。id= 0 控制电机电枢电流的直轴分量为 0, 不能利用电机的磁阻转矩, 控制效果不好。目前, 永磁同步电机低速时常采用矢量控制, 包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向等。 2.高速控制策略: 为了获得更宽广的恒功率运行范围, 永磁同步电机高速运行通常采用弱磁控制。另外, 在电机采用低速转矩控制和高速弱磁控制的同时, 还要考虑如何