无传感器永磁同步电机矢量控制系统概述

ＰＭｓＭ的矢量控制一般通过检测或估计电 机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电 压，这样，电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直 流电机的控制方法相似，可以得到很高的控制性 能。对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械 位置相同，这样通过检测转子的实际位置就可以
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电气传动２００３年第４期
得知电机转子的磁通位置，从而使永磁同步电机 的矢量控制比起异步电机的矢量控制有所简化。 如何得到精确的转子位置车ｕ速度信号以实现磁场 定向和速度控制呢？在传统的永磁同步电机的控 制中，最常用的方法是在转于轴上安装传感器（如 编码器、解算器，测速发电机等），但是这些传感器 增加了系统的成本（某些高精度传感器的价格甚 至可与电机本身价格相比），降低了系统的可靠 性，而且其应用受到诸如温度、湿度和震动等条件 的限制，使该系统不能广泛适用于各种场台。为了 克服使用传感器给系统带来的缺憾，很多学者开 展了无传感器永磁同步电机控制系统的研究。到 目前为止，已经有很多种估算转子位置角和转速 的方法被提出。本文第３部分将介绍这些方法，详 细讨论其中的几种方法，同时比较各种方法的优 缺点，并介绍不同方法所适用的条件和场合。
永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状可以 不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波 和梯形渡两种。因此，当转子旋转时，在定子上产 生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波，即永
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磁同步电动机（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ—Ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ，ＰＭｓＭ）；另一种为梯形波，即无刷直流电 动机（Ｂｒｕｓｈ—Ｉｅｓｓ Ｄｃ Ｍｏｔｏｒ，ＢＬＤｃ）。两种同步电 动机在原理、模型及控制方法上有所不同，这里主 要讨论第１种即永磁同步电动机（ＰＭｓＭ）。 ＰＭｓＭ的矢量控制系统能够实现高精度，高动态 性能，大范围的速度和位置控制，尤其是数控机床 和机器人等对高精度，高动态性能以及体积小的 伺服驱动的需求不断增长，ＰＭｓＭ数字控制系统 逐渐成为主流ｏＪ。
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图２ ＰＭｓＭ矢景控制系统框图
数曲线对电流进行控制即可保证在电流幅值不变 的情况下转矩值最大。 ２．３令ｎ为负值以达到弱磁目的的控制策略
此时的打与其称为励磁电流不如称为去磁 电流，在电机电压达到逆变器所能输出的电压极 限之后，要想继续提高转速，就必须通过调节“ 和ｉ。来实现。增加ｄ轴去磁电流分量（作为负值 励磁电流）和减小ｇ轴电流分量，都可以保持电压 平衡关系，通常采用增加去磁电流的方法来实现 弱磁升速。
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控制对象的输出跟踪参考模型的目的。根据稳定 性原理得到速度估计自适应公式，系统和速度的 渐进收敛性由Ｐｏｐｏｖ的超稳定性来保证。
这种方法在异步电机的无速度传感器控制中 已有很多应用。虽然永磁同步电机的方程相比异 步电机较简单，但是由于转子永磁体的存在，所以 这种方法应用于ＰＭｓＭ，有一些新的需要解决的 问题。
这样，转子位置角目可以用定子端电压和电流及 转子转速ｍ来表示。而对于表面式ＰＭｓＭ，有厶 一Ｌ。＝Ｌ，则ｕ可以由下式得到
Ⅲ一ｖ，Ｆ／Ｄ
（１５）
其中 ｃ一（“。一尺ｉ。一Ｌｐｉ。）２＋（“日一Ｒ如一Ｌｐｉｐ）２ Ｄ一哕，
将式（１５）代人式（１４），则可得转子位置角口。 这种方法的特点是计算简单，动态响应快．几
２ ＰＭＳＭ的数学模型及矢量控制‘３］
一台ＰＭｓＭ的内部电磁结构如图ｌ所示，其 中各相绕组的轴线方向也作为各相绕组磁链的正 方向，电流的正方向也标示在图中，可以看出定子 各相的正值电流产生各相的负值磁链。而定子绕 组的电压正方向为电动机惯例。在这里我们仍然 沿用理想电机模型的一系列假设，这样经过一系 列推导可以得到ＰＭｓＭ在ｄ ｇ坐标系下的数学 模型如下。
ｂｅｃ…ｅ ａｄ…ｔａｇｅ９ ａｐｐｌｉｃａｔｉ。ｎｓ
ｏｆ ｔｈｅ拓…ｅｒａ【ｌｎｂｅｒｅｌｌｔ
Ａｌｓｏ，ａ ｓｌｇｎｌｆｌｃａｎｔ ａｔｔｅｎｔｌｏｎ １ｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ。ｆ
…ｓｏ卜ｌｅｓ５ ５ｐｅｅｄ…ｓｏｒｓ ｓｔｒａｔ。ｇｉｅｓ ｈａｓ ｂｅｅ“ｐａＩｄｔ。ｅｌｉｍｍａｔｅｔｈｅ ｐ０８ｌｔｉｏｎａｎｄ
根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同 步电动机主要可分为：表面式和内埋式。在表面式 永磁同步电动机（ＳＰＭＳＭ）中，永磁体通常呈瓦 片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重 要特点是直、交轴的主电感相等（厶一上。）；而内埋 式永磁同步电机（ＩＰＭｓＭ）的永磁体位于转子内 部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物 质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的
１奎｜１ 电ＦＬ定转予电磁结构
定子绕组电压方程
ｍ喇。士訾一卿。
（１）
盱甄＋警＋哦
（２）
定子绕组磁链方程
吼一厶ｈ＋９，
（３）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
口ｑ＝上一。
（４）
电磁转矩方程
ｒ。一Ｐ（尘ｄ２。一雪。妇）
一Ｐ［审。ｉ。＋（Ｌｄ一￡。）珀ｚ。］
（５）
电机转子的机械运动方程
．，掣一Ｐ（Ｔ。一，，Ｌ—日罟）
（６）
式中：Ｒ为定子电枢相电阻；Ｌｄ，Ｌ。为定子绕组的 ｄ，ｇ轴电感；“一，“。为定子绕组的ｄ，ｇ轴电压ｌ“，ｉ。 为定子绕组的ｄ，ｑ轴电流；妒ａ，９。为ｄ，ｇ轴的磁 链；口。为转子永磁体产生的磁链；Ｐ为转子极对 数；“为转子电角速度；疋为电磁转矩＃？１。为负载 转矩；Ｊ为转子转动惯量；Ｂ为阻尼系数。
（９）
两相静止坐标系ａ一声和旋转坐标系ｄ—ｇ下的 变量存在以下转换关系
“ｄ一“。ｃｏｓ臼＋Ｍ日ｓｉｎ疗
（１０）
Ｈｑ＝Ⅳ衅ｏｓ日一“ｔｓｉｎ口
（１１）
６
ｄ＝ｉ。ｃｏｓ占＋ｉ日ｓｉｎｐ
（１２）
（１３）
根据式（８）～式（１３），推导可得 曰一ｔａｎ叫（Ａ／Ｂ）
（１４）
其中 Ａ＝“。一Ｒｉ。一Ｌｄ声ｉ。＋叫如（Ｌ。一厶） Ｂ一一“目＋尺靠＋Ｌｄｐｉ日＋酣ｉ。（工。一Ｌｄ）
矢量控制实际上是对电动机定子电压或电流 矢量的相位和幅值同时进行控制。从式（５）可以看 出，当永磁体的励磁磁链和直、交轴电感确定后， 电动机的转矩便取决于定子电流的空间矢量ｌ，＝ 如＋ｊｉ。，也就是说控制如和ｉ。即可控制电动机的 转矩。
电流ｚａ称为励磁电流，关于“的控制，在实 际应用中总体上有３种情况。 ２．１令“一０的控制策略
Ｉｎｔｈｌ８ ｐａｐｅｒ，ａｆｔｅｒａ ｂｒｌｅｆｊｎｔｒｏ—
ｔｉ。…ｄ ｐ删ｎｔｅｄ圳ｃｈ ｔｈ㈣ｔｈｏｄ ＰＭＳＭ．ｖａｒｌｏｕｓｍｅｔｈ。ｄｓ“ｅｓｔ㈣ｔｉｎｇ ｄｕｃｔｌｏｎ。ｆ ｔｈ¨ｍｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｅｃｔ。『ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ
ｔｈｅ ｒ。ｔｏｒ ｐ。ｓｌ＿
ｓｐｅ“ａｒｅ
ａｓ
ｅｓｔ呲ｔｌｏｎ ｂａｓｅｄ。ｎ ｔｈｅ ｂａｃｋ ＥＭＦ
ｔｅｃｈｎｌｑｕｅ，曲ｓｅｒｖｅｒ
ｍｅ【ｈｏｄ，ＭＲＡＳ ｍｅｔｈｏｄ，ｊｎ】ｅｃｔｌｏｎ。ｆ ａ ｈｌｇｈ—ｆｒ。ｑｕｅｎｃｙ ｓｊｇｎａＩ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ｝。。ｎ．Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ８ａ州ｄｌｓａｄｖａｎ
ａ㈣ｌｓ。ｐｕｔ ｆｏ…ｒｄ ｔ８９ｅｓ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｍｅｔｈｏｄｓ
下面具体介绍一种用模型参考自适应估算转 于位置和速度的实施方法。
ＰＭｓＭ在ｄ—日轴下的定子电流数学模型为
警ｄ￡ ＝一芋Ｌ如…＋一。。！ｑ。＋字Ｌ
（…１６７）
誓一一釜ｒ毗一警ｍ＋警 ２
ｄ￡一Ｌ ｑ…‘。Ｌ”１ Ｌ
乎没有什么延迟。但它对电机参数的准确性要求 比较高，随着电机运行状况的变化（例如温度的升 高），电机参数会发生一定的变化，导致转速和位 置的估算值偏离真实值。而这种方法没有补偿或 校正环节。因此，应用这种方法时最好结合电机参 数的在线辨识。 ３．１．２ 基于反电动势或定子磁链的估算方
法‘５～７１ 利用计算反电动势来估算转子位置和速度是 较早提出的方法，这种方法仅依赖于电机的基波 方程，因此实施起来较简单。但是这种方法最大的 问题在于低速时，当转速较低时，反电动势的值也 很小，所以这种方法在低速时误差很大。我们还可 以通过计算定子磁链来估计转速和转子位置，磁 链由反电动势积分求得，但是由于积分器的零漂 问题，这样得到的磁链的值会有积分误差。当电机 转速较低时，问题更为严重。为了克服这个问题， 需要引入误差补偿环节，使得估算的磁通和实际 值相等。目前已经有误差补偿的方案被提出，详见 参考文献［５～７］。 ３．２模型参考自适应方法 还有一种较常用的估算转子位置和速度的方 法就是模型参考自适应（ＭＲＡｓ）法。模型参考自 适应辨识的主要思想是将含有待估计参数的方程 作为可调模型，将不含未知参数的方程作为参考 模型，两个模型具有相同物理意义的输出量。两个 模型同时工作，并利用其输出量的差值根据合适 的自适应率来实时调节可调模型的参数，以达到
墨墨堡兰！！！！！堑！塑————
无传感器永磁同步电机矢量控制系统概述
梁艳李永东 清华大学
摘要：永磁同步电机因其自身的一些优点，在国防、Ｔ农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用ｔ 同时无传感器永磁同步电机的矢量控制方法ｔ也成为研究中的一个热点。文章首先简单介绍了永磁同步电机数 学模型和矢量控制的基本原理，在此基础上ｊ己集中介绍了近十几年来提出的多种估算永磁同步电机转于位置 和转速的方法，如利用ｔ匣电动势的估算方法，观测器方法．模型参考自适应方法，高频注入方法等等。对其中较 重要的方法进行了详细的分析，比较了各种方法的优缺点，井介绍了不同方法所适用的条件和场合。
３ 无传感器ＰＭＳＭ矢量控制方法
本文第１部分已经提到，由于使用传感器给
永磁同步电机系统带来很多问题，所以无传感器
的控制系统越来越引起人们的重视。无传感器控
制系统是指利用电机绕组中的有关电信号，通过
适当方法估计出转子的位置和速度，取代传感器，
实现电机的闭环控制。
下面对各种估算转速和转子位置的方法逐一
进行介绍。
ｉ。，即可实现最大电磁转矩控制。图２所示为采用
如＝ｏ策略时的一种矢量控制框图。
２．２控制“以追求最大转矩的控制策略
在内埋式永磁同步电动机（ＩＰＭｓＭ）中，电机
参数厶≠厶。为了追求用最小的电流幅值得到最
大的输出转矩，通过推导可以得到“和‘脯输出
转矩值变化的函数曲线，即ｉａ＝，。（７１），ｉ。一
，。汀）。由于转矩值是给定的，所以按照这样的函
３．１基于ＰＭｓＭ基本电磁关系的转速和位置估
算方法
３．１．１直接计算方法０１
可直接检测的量是定子的三相端电压和电
流，利用它们计算出口和ｍ是最简单、最直接的方
法。下面给出１种典型算法。
由ＰＭＳＭ在ｄ—ｑ坐标系下的电压和磁链方
程，可以得到
粕＝（Ｒ＋户厶）山一乩。ｉ。
（８）
“。一（Ｒ＋户工。）；。＋乩“ｄ＋‘蹭，
关键词：永磁同步电机矢量控制无传感器模型参考自适应观测器高频注入＾工智能
１卜
１）
Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ ｏｆ ａｒｔ ｏｆ Ｓｅｎｓｏｒ—ｌｅｓｓ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＰＭＳＭ
Ｌｉａｎｇ Ｙａｎ Ｌｉ Ｙｏｎｇｄｏｎｇ
ａｎｄ㈣ｗＨｅｌｙ｛ｏ［ｄｆｌｖｅ Ａｂｓｔｒａｃｔ；Ｐｅｒｍａ帆ｔ ＭａｇｎｅＬ Ｓｙｎｃｈｒ。ｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒｓ（ＰＭＳＭ）ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄⅢｏｒｅ
重要特点是直、交轴的主电感不相等（厶≠厶）。
对于表面式ＰＭｓＭ，因为厶一工。，将此式代
入电磁转矩方程式，可得电磁转矩方程为
Ｔ。＝Ｐ（９ｄｉ。一节。ｉｄ）
＝Ｐ［尘：ｉ。＋（Ｌｄ—Ｌ。）ｉａｆ。］
＝Ｐ９，ｉ。．
（７）
即电磁转矩只和ｑ轴的电流ｉ。有关，所以在表面
式ＰＭｓＭ的矢量控制中，令“一Ｏ时，通过控制
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＭＳＭ ｖｅｃｔｏｒｃ。ｎｔｒｏｌ ｓｅｎｓｏｒ ｌｅｓ９ ＭＲＡＳ ｏｂｓｅｒｖｅｒ ｈｌｇｈ—ｆｒ８ｑｕｅｎｃｙ ｓ３９ｎａｌ Ｉ“】ｅｃｔｌｏｎａｒｔｉ—
ｆｉｃｉａｌ ｊｎｔｅ｝ｌｊｇｅｎｃｏ
１ 引言
永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、 损耗小、效率高。和直流电机相比，它没有机械换 向器和电刷Ｉ与异步电动机相比，它不需要无功励 磁电流，因而功率因数高，定子电流和定子电阻损 耗小，且转子参数可测、定转子气隙大、控制性能 好。近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完 善，以及永磁电机研究开发经验的逐步成熟，永磁 电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得 越来越广泛的应用，正向大功率化（高转速、高转 矩）、高功能化和微型化方面发展ｏ“］。