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《永磁同步电机全速度范围无位置传感器控制技术的研究与实现》篇一一、引言永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）是一种重要的电动传动系统部件，因其具有高效率、高功率密度和良好的调速性能等优点，被广泛应用于工业、汽车、航空航天等领域。
然而，传统的PMSM控制系统通常需要使用位置传感器来获取电机的位置信息，这不仅增加了系统的复杂性和成本，还可能降低系统的可靠性和稳定性。
因此，无位置传感器控制技术成为了近年来研究的热点。
本文旨在研究并实现永磁同步电机全速度范围无位置传感器控制技术，以提高电机控制系统的性能和可靠性。
二、永磁同步电机基本原理永磁同步电机的基本原理是利用永磁体产生的磁场与定子电流产生的磁场相互作用，产生转矩，使电机转动。
PMSM的转子不需要外部供电，具有结构简单、运行可靠等优点。
然而，要实现电机的精确控制，必须准确获取电机的位置和速度信息。
传统的PMSM控制系统通过位置传感器来获取这些信息，但无位置传感器控制技术则通过电机内部的电气信号来估算电机的位置和速度。
三、无位置传感器控制技术无位置传感器控制技术主要通过电机内部的电气信号来估算电机的位置和速度。
常见的无位置传感器控制技术包括基于反电动势法、模型参考自适应法、滑模观测器法等。
本文采用基于反电动势法的无位置传感器控制技术，通过检测电机的反电动势来估算电机的位置和速度。
四、全速度范围无位置传感器控制策略为了实现永磁同步电机全速度范围的无位置传感器控制，需要采用合适的控制策略。
本文采用基于矢量控制的策略，通过实时调整电机的电压和电流来控制电机的位置和速度。
在低速阶段，采用初始位置估算和误差补偿技术来提高位置的估算精度；在高速阶段，则采用反电动势法来准确估算电机的位置和速度。
此外，还采用了自适应控制技术来应对电机参数变化和外部干扰的影响。
五、实验与结果分析为了验证本文所提出的无位置传感器控制技术的有效性，进行了实验验证。
哈尔滨工业大学，电气工程系Departme nt of Electrical Engin eeri ngHarbin In stitute of Tech no logy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：14S0060402016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 (3)1.4控制方法设计 ....................................................... 5 ........1.5系统仿真 ........................................................... 9 ...............参考文献 1.6结论 ............................................................. 1.0 ......1.11.1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。
基于新型磁链观测器的无速度传感器感应电机控制技术研究现代工业中，传感器已经成为了一种非常重要的设备，经常被用来感知各种物理量，例如电流、温度、压力等等。
其中，无速度传感器是一种非常实用的传感器种类，其可以直接测量电机的输出角度，因此被广泛应用于电机控制领域。
本文将基于新型磁链观测器来研究无速度传感器感应电机控制技术，探讨其优点及存在的问题。
无速度传感器感应电机控制技术是一种直接根据电机输出的转子位置角度来推算电机输出转速的技术。
在实际应用中，为了确保电机的精准空间控制，需要通过测量转子的位置角度，将这些数据发送至控制器，以帮助控制器预测电机的输出转速。
而无速度传感器技术则可以避免使用复杂的转速传感器，从而降低了制造成本，减少了整个系统的体积，提高了器件的可靠性。
新型磁链观测器则是用来观测电磁场的变化，从而精确推算出电机的位置和速度。
它被广泛应用于无刷直流电机的转速控制系统中，可用于传感器监控死区、空载、过载和超速等状况。
该技术的具体实现步骤如下：首先，用数字信号处理器（DSP）采集各磁极施加的电压和角度测量电路测量得到的转子角度信息。
然后，通过对这些数据进行处理和分析，可以利用数学模型计算出电机的位置和速度。
最后，将这些数据反馈给电机控制器，使电机控制器可以根据这些数据进行调整，调整电机的输出力矩和输出角度，以达到最佳的效果。
使用新型磁链观测器的无速度传感器技术具有以下优点：首先，该技术不需要反馈很高的分辨率和动态范围，因此，对于一些特殊应用场合，可以采用价格较低的模块，节约成本；其次，使用无速度传感器技术可以避免由于控制误差产生的振荡问题，提高了系统的稳定性和可靠性；最后，该技术具有更好的机械耐用性和抗外干扰能力，适用广泛。
然而，在实际应用中，新型磁链观测器的无速度传感器技术也存在着一些问题。
首先，与传统的转速传感器相比，其灵敏度较低，不同的电机可能需要不同的传感器参数。
其次，无速度传感器技术会造成一定的误差，尤其是在高负载和超速的情况下，误差可能会较大。
无速度传感器的异步电机矢量控制系统设计杜丽霞【摘要】为提高系统性能,文中将矢量控制技术和无速度传感器技术结合,设计了交流电机无速度传感器矢量控制系统.由于省去了速度传感器,系统减小了交流调速系统的复杂性,增强了系统的适应性,降低了成本.基于矢量控制和矢量坐标变换,建立了异步电机的数学模型.通过测量异步电动机定子电流矢量进行矢量控制.为控制异步电机的转矩,根据磁场定向原理分别控制异步电动机的励磁电流和转矩电流.Matlab/Simulink仿真结果表明,基于自适应模型的转速估计方法收敛速度快、估计精度较高,设计的无速度传感器矢量控制系统具有良好的静态和动态性能.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2017(030)007【总页数】4页(P110-113)【关键词】异步电动机;矢量控制;传感器【作者】杜丽霞【作者单位】兰州交通大学电子与信息工程学院,甘肃兰州730070【正文语种】中文【中图分类】TM343在高性能的交流电机矢量控制系统中，转速的闭环控制是必不可少的。
通常，采用光电码盘等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号[1-4]。
由于速度传感器的安装给系统带来一些缺陷；精度越高的码盘价格越高，而且安装不当将会影响测速精度，电机轴上的体积增大会给电机的维护带来一定困难。
取消矢量控制系统中的速度传感器能扩大矢量控制系统的应用范围，也能提高矢量控制系统的可靠性以及环境适应性。
而设计的无速度传感器矢量控制系统无需检测硬件，有效提高了系统的可靠性，降低了系统成本，减小了系统的体积、重量以及电机与控制器之间的连线。
因此采用无速度传感器的交流电机的调速系统具有广泛的应用前景。
为测量电动机的转子转速，本文测量异步电动机的电压和电流来估算电机转速，以实现无速度传感器矢量控制模型方法。
在Matlab/Simulink平台中，建立了一个无速度传感器矢量控制系统，验证了该转速估计方法的有效性，仿真结果表明该系统具有良好的动静态特性和稳定性。
感应电机全阶磁链观测器矢量控制系统的离散化仿真周杰;宋文祥;尹赟【摘要】基于MATLAB/Simulink仿真平台,采用模块化的思想分别建立了矢量控制模块、全阶磁链观测模块及转速自适应模块,建立了无速度传感器异步电机全阶磁链观测器的离散化仿真模型,可以十分便捷地实现和验证控制算法.与使用S-function搭建的全阶磁链观测器连续域的感应电机模型和控制模型仿真方法相比,给出的模块化离散仿真模型能够大大提高仿真速度.仿真结果表明,离散化采样周期可以合理控制仿真速度和精度,同时也证实了该离散化仿真模型的合理性、有效性,为电机控制系统的快速仿真研究提供了一条思路.%Based on analyzing the mathematical model of an adaptive full-order flux observer for induction motors, the independent functional blocks, such as vector control block, full-order flux observer block and speed-adaption block had been modeled according to the modularization idea in MATLAB/Simulink. By the organic combination of these blocks, the model of discrete simulation of an adaptive full-order flux observer for sensorless induction motor drives had been established easily to test and verify control algorithms very conveniently. Compared with the mathematical model which was constructed by S-function in MATLAB/Simulink, the simulation speed was improvd. All the simulation results showed that the precision and speed of simulation could by the discrete simulation model proposed can be controlled by the discretization sampling period and the reasonability and validity had also been testified. This method offers a thoughtway for the fast simulation research of motor control system.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2012(039)001【总页数】6页(P16-21)【关键词】感应电机;全阶磁链观测器;模块化仿真;离散化仿真;矢量控制【作者】周杰;宋文祥;尹赟【作者单位】上海大学上海市电站自动化技术重点实验室,上海200072;上海大学上海市电站自动化技术重点实验室,上海200072;上海大学上海市电站自动化技术重点实验室,上海200072【正文语种】中文【中图分类】TM301.20 引言感应电机全阶观测器可实现对转子磁链和定子电流的观测，并根据定子电流的估计误差和转子磁链的估计值自适应辨识出电机的实际转速和定子电阻［1-2］。
拖动系统课程设计报告书题目：无速度传感器感应电机矢量控制系统设计与仿真专业：姓名：学号：指导教师：课程设计任务书矢量变换控制(Transvector Control)，也称磁场定向控制。
它是由德国学者F.Blaschke等人在1971年提出的一种新的优越的感应电机控制方式，是基于dq轴理论而产生的，它的基本思路是把电机的电流分解为d轴电流和q轴电流，其中d轴电流是励磁电流，q轴电流是力矩电流，这样就可以把交流电机的励磁电流和力矩电流分开控制，使得交流电机具有和直流电机相似的控制特性，是为交流电机设计的一种理想的控制理论，大大提高了交流电机的控制特性。
一般将含有矢量变换的交流电动机控制都称为矢量控制，实际上只有建立在等效直流电动机模型上并按转子磁场准确定向的控制，电动机才能获得最优的动态性能。
本文介绍了矢量控制系统的原理及模型的建立，搭建了带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制无速度传感器调速系统的Simulink模型，并用MATLAB最终得到了仿真结果。
关键词：感应电机; 矢量控制; 磁链观测; 速度估算摘要 (iv)目录 (v)1 异步电机及Simulink模型 01.1 异步电动机的稳态等效电路 01.1.1 等效电路中各参数物理意义 01.1.2 感应电机功率流程 01.2 Simulink仿真基础 (1)1.2.1 异步电动机Simulink模型 (1)1.2.2 异步电动机模型参数设置 (2)1.3 电机测试信号分配器模块及参数设置 (3)2 矢量控制 (4)2.1 矢量控制的基本思路 (4)2.2 矢量坐标变换原理 (6)α-坐标系间的变换) (6)2.2.1 定子绕组轴系的相变换(A-B-C和β2.2.2 转子绕组轴系的变换(A-B-C和d-q坐标系间的变换) (7)3 电流正弦PWM技术 (7)4 转子磁链模型的建立 (8)4.1 基于电压电流模型设计转子磁链观测器 (8)4.2 基于转差频率设计的转子磁链观测器 (9)5 转矩计算模块 (10)6 转速推算器的设计 (10)6.1 基于转矩电流误差推算速度的方法 (10)6.2 基于模型参考自适应方法(MARS)的速度估算 (11)ϕ的速度估算方法 (11)6.3 基于空间位置角s7 感应电机矢量控制系统的Simulink仿真 (12)8 结论 (17)参考文献 (18)αβ的感应电机数学模型 (19)附录1 基于0附录2 基于dq0的感应电机数学模型 (20)附录3 基于dq0的转子磁链定向感应电机数学模型 (21)1 异步电机及Simulink 模型感应电动机是借定子旋转磁场在转子导体中感应电流，从而产生电磁转矩的一种电机。
定、转子间的能量转换依靠旋转磁场的电磁感应作用，故称为感应电动机。
三相感应电动机利用旋转磁场的原理，当定子三相绕组通入三相电流后，在空气隙中将产生旋转磁场，如果在这个磁场内放一个短路线圈，则会在线圈中产生感应电动势，从而产生电流，这个电流和旋转磁场相互作用就产生了转矩，使线圈动起来，跟随旋转磁场转动。
由于其转子转速始终低于同步速1n ，即n 与1n 之间必须存在者差异，因而又称“异步”电动机。
转差)(1n n -的存在是感应电机运行的必要条件，我们将转差与同步转速的比值称为转差率，用符号s(0<s<1)表示，按照定义，转差率与转速的关系为1)1(n s n -=，式中1n ——同步转速，p n f n /6011=。
1f 为供电电源频率；p n 为电动机极对数。
1.1异步电动机的稳态等效电路根据电机学原理，在下述三个假定条件下：忽略空间和时间谐波；忽略磁饱和；忽略铁损。
异步电动机的稳态模型可以用T 形等效电路表示，如图所示。
异步电动机T 形等效电路1.1.1等效电路中各参数物理意义’、rs R R ——定子每相绕组电阻和折合到定子侧的转子每相绕组电阻；’、r s L L 11 —— 定子每相绕组漏感和折合到定子侧的转子每相绕组漏感；m L ——定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；s U ——定子相电压；1w ——供电电源角频率，112f w π=；’、r I I s ——定子相电流和折合到定子侧的转子相电流，箭头为规定正方向；s ——转差率1.1.2感应电机功率流程感应电动机定子绕组从电源输入的有功功率1P 为 1111cos 3ϕI U P= 其中一部分消耗在定子绕组铜耗12113r I P cu =及旋转磁场在定子铁芯中的铁损耗m Fe r I P 203=(由于1n n ≈，2f 很低，而且转子铁芯也为迭片而成，所以转子铁耗忽略不计)。
剩下的大部分即为通过电磁感应而进入转子的电磁功率M P ，即 Fe cu M P P P P --=11由T 形等值电路可知，进入转子回路的电磁功率M P 为 Ω+=-+===P P r s s I r I s r I I E P cu M 2222222222222)1(333cos 3’’’’’’’’ϕ 即M P 中的一部分消耗在转子绕组的铜耗上2cu P ，另一部分则转化为轴上的总机械功率ΩP 。
而且ΩP 还必须克服机械损耗Ωp 及由于定转子开槽等原因引起的附加损耗∆p ，剩下的才是从轴上输出的机械功率2P ，即∑-=-----=--=∆Ω∆ΩΩpP p p P P P P p p P P cu Fe cu 12112 则感应电动机的效率为%100)1(%100%10011112⨯-=⨯-=⨯=∑∑P p P p P P P η按照交流异步电动机原理，从定子传输到转子的电磁功率M P 分成两部分：一部分是机械功率M cu M cu P s P P P s s r s s I P )1(1)1(322222-=-=-=-=Ω’’是拖动负载的有效功率，另一部分M cu sP r I P ==’’22223是传输给转子电路的转差功率，与转差率s 成正比。
从能量转换的角度看，转差功率是否增大，能量是被消耗掉还是得到利用，是评价调速系统效率高低的标志。
1.2Simulink 仿真基础Simulink 工具箱的功能是在MATLAB 环境下，把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型；电力系统仿真工具箱(SimPower System)是在Simulink 环境下使用的仿真工具箱，其功能非常强大，可用于电路、电力电子、电机系统、电力传输等领域的仿真，它提供了一种类似电路搭建的方法用于系统的建模。
1.2.1异步电动机Simulink 模型Asynchronous Machine SI Units 国际单位制的异步电动机其电气连接和功能分别为：A 、B 、C ：交流电机的定子电压输入端子；Tm ：电机负载输入端子，一般是加到电机轴上的机械负载；a ，b ，c ：绕线式转子输出电压端子，一般短接；而在鼠笼式电机为此输出端子；m：电机信号输出端子，一般接电机测试信号分配器观测电机内部信号，或引出反馈信号。
1.2.2异步电动机模型参数设置异步电动机模型参数设置Rotor type：转子类型列表框，分别可以将电机设置为绕线式(Wound)和鼠笼式(Squirrel-cage)两种类型；Reference frame：参考坐标列表框，可以选择转子坐标系(Rotor)、静止坐标系(Stationary)、同步旋转坐标系(Synchronou)；Nominal power, voltage(line-line), and frequency[ Pn(V A), Vn(Vrms), fn(Hz) ]：额定功率(V A)，线电压(V)，频率(Hz)；Stator resistance and inductance[ Rs(ohm) L1s(H) ]：定子电阻Rs(ohm)和漏感L1s(H)；Rotor resistance and inductance[ Rr’(ohm) L1r’(H) ]：转子电阻Rr(ohm)和漏感L1r(H)；Mutual inductance Lm(H)：互感Lm(H)；Inertia, friction factor and pairs of poles[ J(kg.m^2) F(N.m.s) p() ]：转动惯量J(kg.m^2)、摩擦系数和极对数；Inertia conditions：初始条件包括：初始转差s，点角度phas, phbs, phcs(deg)和定子电流isa isb isc(A)。
1.3电机测试信号分配器模块及参数设置电机测试信号分配器模块及参数设置ir_abc ：转子电流ira, irb, irc ；ir_qd ：同步d-q 坐标下的q 轴下的转子电流ir_q 和d 轴下的转子电流ir_d ； phir_qd ：同步d-q 坐标下的q 轴下的转子磁通phir_q 和d 轴下的转子磁通phir_d ；vr_qd ：同步d-q 坐标下的q 轴下的转子电压vr_q 和d 轴下的转子电压vr_d ； is_abc ：定子电流isa, isb, isc ；is_qd ：同步d-q 坐标下的q 轴下的定子电流is_q 和d 轴下的定子电流is_d ； phis_qd ：同步d-q 坐标下的q 轴下的定子磁通phis_q 和d 轴下的定子磁通phis_d ；vs_qd ：同步d-q 坐标下的q 轴下的定子电压vs_q 和d 轴下的定子电压vs_d ； wm ：电机的转速；Te ：电机的机械转矩；Thetam ：电机转子角位移。
2 矢量控制异步电动机三相原始动态模型相当复杂，分析和求解十分困难。
在实际应用中必须予以简化，简化的基本方法就是矢量坐标变换。
利用矢量坐标变换将异步电动机模拟成直流电动机进行电磁转矩控制，实现了异步电动机的高性能速度控制。
2.1矢量控制的基本思路在交流异步电动机定子三相对称绕组中，通入对称的三相正弦交流电ia 、ib 、ic 时，则产生旋转磁势，并由它建立相应的旋转磁场ABC Φ，如图(a)所示，磁场的旋转角速度等于定子电流的角频率ws 。
然而，产生的旋转磁场不一定非要三相绕组，除单相外任意的多相对称绕组，通入多相对称正弦电流，都能产生圆形旋转磁场。
如图(b)所示，具有位置互差090的两相定子绕组α、β异步电动机，当通入两相对称正弦电流αi 、βi 时，也能产生旋转磁场αβΦ。
如果这个旋转磁场的大小，转速及转向与图(a)所示三相绕组所产生的旋转磁场完全相同，则可认为图(a)和图(b)所示的两套交流绕组等效。
由此可知i ，处于三相静止坐标系上的三相对称静止交流绕组，可以等效为两相静止直角坐标系上的两相对称静止交流绕组；三相交流绕组中的三相对称正弦交流电流ia 、ib 、ic 与二相对称正弦交流电流αi 、βi 之间必存在着确定的变换关系αβαβαβi C i C i i C i S S S S abc abcS S 3/212/32/3===- 该式为矩阵方程，其中S S C 2/3和S S C 3/2为变换矩阵由直流电动机的结构可知，直流励磁绕组是空间上固定的直流绕组，而电枢绕组在空间是旋转的绕组，虽然电枢绕组本身在旋转，但是电枢磁势Fa 在空间上却有固定的方向，这样从磁效应的意义上来说，可以把直流电动机的电枢绕组当成在空间上固定的直流绕组。
