无传感器永磁同步电机转子位置检测

无刷直流电机无位置传感器转子位置辨识策略摘要：无刷直流电机（BLDCM）是一种用电子换相代替机械换相的新型电机，通常采用永磁体转子，因具有功率密度高、结构简单、调速性能好等优点而得到了广泛应用。

关键词：无刷直流电机；转子位置辨识策略无刷直流电动机具有结构本身相对简单、控制系统设计方便、运行稳定、维护成本低、功率密度高、调速性好等优点，已经在伺服控制、精密电子、办公自动化、医疗器械、家用电器、电动车辆、航天航空、工业工控等行业内得到了广泛的应用。

传统的无刷直流电动机需要安装位置传感器，从而得到转子位置信号对三相绕组进行换相控制。

然而位置传感器的安装不但增加了系统自身的尺寸，使内部结构变得复杂，同时增加了成本，特别在高温、高湿等恶劣的工作环境下，传感器信号线容易受外界信号干扰，系统可靠性降低。

一、慨况无刷直流电机因其高效率、长寿命、低噪声及其良好的机械特性等优点，在航空、军事、汽车和办公自动化等行业得到了广泛地应用。

传统无刷直流电机控制系统的正常运行，需要位置传感器来确定转子相对位置。

但位置传感器增大了电机的体积和成本，维修困难，且传感器的连线较多，容易受外界信号干扰。

因此，无刷直流电机无位置传感器控制成为当前研究热点之一。

由于无刷直流电机的反电动势一般难于直接检测，因此通常采用间接方法得到反电动势过零点。

使用端电压法得到反电动势过零点，这种方法虽然结构简单，但是需要重构电机中点，滤波电路的使用也会导致检测到的反电动势过零点信号产生相移，需要额外的硬件或者软件对其进行补偿。

采用三次谐波检测反电动势的过零点，通过虚构电阻网路中点，得到三次谐波过零点与相反电动势过零点的关系。

但实际上由于电阻网路的加入，三次谐波的波形失真。

同时，对于实际的无刷直流电机，由于电机设计，漏磁的存在，反电动势波形平顶宽度往往小于120°。

二、无刷直流电动机电路拓扑及数学模型三相全桥式无刷直流电动机主电路拓扑结构框。

其三相绕组为Y型接法，假设三相绕组的反电动势波形为梯形波，三相绕组的电流波形为方波。

内置式永磁同步电机转子初始位置检测方法The initial position detection of the built-in permanent magnet synchronous motor rotor is a crucial aspect in ensuring the proper operation of the motor. This process involves accurately determining the position of the rotor at startup, which allows for the correct commutation of the motor phases during operation. Without accurate initial position detection, the motor may not start or operate efficiently, leading to potential damage or performance issues.内置式永磁同步电机转子的初位置检测对于确保电机正常运行是至关重要的。

这个过程涉及准确地确定转子在启动时的位置，这允许在操作过程中正确换向电机相位。

如果没有准确的初位置检测，电机可能无法启动或高效运行，导致潜在的损坏或性能问题。

There are several methods that can be used for initial position detection of built-in permanent magnet synchronous motor rotors. One common approach is to use Hall effect sensors, which are mounted in a fixed position near the rotor to detect the magnetic field changes as the rotor rotates. Another method is to use resolversensors, which can provide continuous feedback on the rotor position to the motor control system. Additionally, encoders can also be used for precise position detection, offering high resolution and accuracy for the motor control system to work with.有许多方法可以用来检测内置永磁同步电机转子的初位置。

永磁同步电机初始位置检测及启动方法
永磁同步电机是一种高效、高性能的电机，广泛应用于工业生产和家用电器中。

在永磁同步电机的启动过程中，初始位置检测是非常重要的一步，它能够确保电机的正常启动和运行。

本文将介绍永磁同步电机初始位置检测及启动方法。

永磁同步电机的初始位置检测方法有多种，其中比较常用的是霍尔传感器检测法和反电动势检测法。

霍尔传感器检测法是通过在电机转子上安装多个霍尔传感器，检测转子位置，从而确定电机的初始位置。

反电动势检测法是利用电机在启动过程中产生的反电动势信号，通过对信号进行处理，确定电机的初始位置。

在确定了电机的初始位置后，接下来就是启动电机。

永磁同步电机的启动方法有直接启动法和间接启动法。

直接启动法是将电机直接连接到电源上，通过控制电源电压和频率，使电机转子旋转。

间接启动法是通过变频器控制电机的转速和转向，从而实现电机的启动。

在实际应用中，永磁同步电机的启动过程中还需要注意一些问题。

首先是电机的负载问题，如果电机负载过大，可能会导致电机启动失败或者启动时间过长。

其次是电机的控制问题，需要根据实际情况选择合适的控制方法和控制参数，以确保电机的正常启动和运行。

最后是电机的保护问题，需要安装过流、过载等保护装置，以保护电机的安全运行。

永磁同步电机的初始位置检测及启动方法是电机启动过程中非常重要的一步。

通过选择合适的检测方法和启动方法，以及注意电机的负载、控制和保护问题，可以确保电机的正常启动和运行，提高电机的效率和性能。

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。

中国矿业大学本科生毕业设计姓名：学号：学院：专业：设计题目：永磁同步电动机转子位置辨识专题：指导教师：职称：2010年6月中国矿业大学毕业设计任务书学院专业年级学生姓名任务下达日期：毕业设计日期：毕业设计题目：永磁同步电动机转子位置辨识毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：1.掌握永磁同步电动机的工作原理；2.永磁同步电动机的转子位置辨识意义；3.分析比较各种转子位置辨识方法；4.设计转子位置辨识系统。

院长签字：指导教师签字：指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：指导教师签字：年月日评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：评阅教师签字：年月日评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：评阅教师签字：年月日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩摘要永磁同步电动机(Permanent magnet synchronous Machine, PMSM)由于无需励磁电流、体积轻便、运行效率很高，在工业领域得到越来越广泛的应用。

只有知道了精确的转子位置信息，才能实现永磁同步电动机转子磁场定向的运动控制。

在传统的永磁同步电动机运动控制系统中，通常采用光电编码器或旋转变压器来检测转子的位置。

然而，这些传感器增加了系统的成本，并且降低了系统的可靠性。

因此，无传感器检测永磁同步电动机转子位置已逐渐成为热点。

本文阐述了永磁同步电动机的发展历程、永磁材料的发展，以及它的结构、工作原理和特点等。

基于旋转高频注入法的永磁同步电机转子初始位置检测研究一、本文概述随着现代工业自动化和精密控制技术的不断发展，永磁同步电机（PMSM）因其高效率、高功率密度和优良的控制性能，在众多领域得到了广泛的应用。

电机的转子初始位置检测一直是电机控制系统中的一个关键技术难题。

准确的转子位置信息对于电机的启动、运行和控制至关重要，尤其是在无位置传感器的应用场景中，初始位置的准确检测成为实现高效电机控制的前提。

本文旨在研究一种基于旋转高频注入法的永磁同步电机转子初始位置检测技术。

旋转高频注入法作为一种有效的转子位置检测方法，通过在电机定子绕组中注入高频电流，利用转子磁场与注入电流之间的相互作用，实现对转子位置的检测。

该方法具有结构简单、成本低、可靠性高的特点，适用于无传感器的电机控制系统。

本文首先介绍永磁同步电机的基本原理和转子位置检测的重要性，然后详细阐述了旋转高频注入法的工作原理和实现过程。

在此基础上，通过仿真和实验验证了该方法的有效性和准确性。

对本文的研究成果进行了总结，并对未来的研究方向进行了展望。

通过本研究，我们期望为无传感器永磁同步电机控制系统的设计和应用提供一种新的转子初始位置检测方案，以促进电机控制技术的发展和应用。

二、永磁同步电机的基本原理与特性永磁同步电机（PMSM）作为一种高效、高性能的电动机类型，在众多工业和商业应用中得到了广泛的使用。

其独特的设计使得电机在没有额外的励磁电源的情况下，能够维持一个恒定的磁场。

这种电机的基本原理是基于电磁感应定律和永磁体提供的恒定磁场与转子磁场的相互作用。

永磁同步电机的主要特性包括高效率、高功率密度、低噪音和长寿命。

这些特性使得PMSM在需要精确控制和高性能的应用中，如电动汽车、精密机械和可再生能源系统中，成为首选的电机类型。

在转子初始位置检测方面，旋转高频注入法是一种有效的技术。

该方法通过在电机的定子绕组中注入高频电流，产生一个额外的旋转磁场。

这个旋转磁场与永磁体产生的磁场相互作用，导致转子产生一个相对于其当前位置的位移。

摘 要高速永磁同步电机以其动态性能优异、功率密度和工作效率高等优点逐渐成为高性能控制系统中的核心部件。

实现对电机的有效控制需要高精度的转子信息。

由于传统的机械式传感器获取转子位置信息方法存在安装困难、可靠性和经济性差等问题，因此对高速永磁同步电机无位置传感器控制技术的研究正成为国内外热门的研究方向。

本文首先就课题的研究背景及重要意义进行简要阐述，又对高速永磁同步电机及其无位置传感器控制的发展状况进行简单介绍，并在此基础上列举了几种无位置传感器控制技术的常用估算方法，通过对比与分析选择了工程上易于实现且鲁棒性较好的滑模观测器估算法。

其次在三种不同的坐标系下建立高速永磁同步电机数学模型，并基于模型对高速永磁同步电机的矢量控制理论以及空间矢量脉宽调制技术进行深入研究，从而建立起电机的矢量控制模型，验证了高速永磁同步电机在有位置传感器时采用矢量控制策略的有效性。

然后对滑模变结构的基础理论做了细致的研究，在此基础上，根据滑模观测器的原理建立状态方程，实现电机转子位置及转速信息的实时在线估算，同时引入了低通滤波器，并针对传统型滑模观测器可能会出现的抖振问题采用了饱和函数作为切换函数的改进方法。

同时进行了传统型与改进型的仿真对比，进一步得以验证改进后的滑模观测器具有很好的鲁棒性。

另外为了解决滑模观测器收敛慢、存在相位滞后等问题，在设计滑模控制率的过程中引入了积分项，设计了一种非奇异快速终端滑模观测器，并利用MATLAB／Simulink搭建了整个控制系统的仿真模型，通过对比分析仿真结果验证了非奇异快速终端滑模观测器具有更好的性能。

最后以TMS320F2812主控制器为控制核心，搭建了高速永磁同步电机无传感器控制系统的实验平台，同时完成了软硬件的设计。

关键词：高速永磁同步电机无位置传感器滑模观测器非奇异快速终端滑模观测器AbstractHigh speed permanent magnet synchronous motor (PMSM) has become the core part of high performance control system because of its excellent dynamic performance, high power density and high efficiency. The realization of the effective control of the motor requires high-precision rotor information. In view of the difficulties in installation, reliability and economy of the traditional mechanical sensor to obtain the rotor position information, the research on the sensor-less control technology of high-speed permanent magnet synchronous motor is becoming a hot research direction at home and abroad.In this paper, the research background and significance of the subject are briefly described, and the development of high-speed permanent magnet synchronous motor and its sensor-less control is also briefly introduced. On this basis, several common estimation methods of sensor-less control technology are listed. Through comparison and analysis, the estimation method of sliding mode observer which is easy to realize and has good robustness in engineering is selected.Secondly, the mathematical model of high-speed permanent magnet synchronous motor is established in three different coordinate systems. Based on the model, the vector control theory and space vector PWM technology of high-speed permanent magnet synchronous motor are studied deeply, and the vector control model of the motor is established, which verifies the effectiveness of the vector control strategy when the high-speed permanent magnet synchronous motor has position sensor.Then the basic theory of sliding mode variable structure is studied in detail. On this basis, the state equation is established according to the principle of sliding mode observer, and the real-time online estimation of rotor position and speed information is realized. At the same time, the low-pass filter is introduced, and the saturation function is used as the switching function to improve the chattering problem that may occur in the traditional sliding mode observer. At the same time, the simulation results of traditional observer and improved observer are compared to verify that the improved sliding mode observer has good robustness.In addition, in order to solve the problems of slow convergence and phase lag of the sliding mode observer, an integral term is introduced into the design of the sliding mode control rate, and a non singular fast terminal sliding mode observer is designed. The simulation model of the whole control system is built by MATLAB /Simulink. The simulation results show that the non singular fast terminal sliding mode observer has better performance.Finally, taking TMS320F2812 as the control core, the experiment platform of sensor-less control system of high-speed PMSM is built, and the design of software and hardware is completed.Key words: High speed permanent magnet synchronous motor Position sensor-less Sliding mode observer Nonsingular fast terminal sliding mode observer目 录摘 要 (I)Abstract (II)第1章 绪 论 (1)1.1 课题的研究背景及意义 (1)1.2 课题的国内外发展现状 (2)1.2.1 高速永磁同步电机控制的发展现状 (2)1.2.2 高速永磁同步电机无位置传感器控制的发展现状 (4)1.3 本文研究的主要内容 (7)第2章 高速永磁同步电机的数学模型及矢量控制原理 (8)2.1 矢量控制系统中三种坐标变换 (8)2.1.1 Clark变换 (8)2.1.2 Park变换 (9)2.2高速永磁同步电机在各坐标下的数学模型 (11)2.2.1 高速永磁同步电机在自然三相A、B、C坐标系下的数学模型 (11)2.2.2 高速永磁同步电机同步旋转d-q坐标系下的数学模型 (12)2.2.3 高速永磁同步电机在静止两相α-β坐标系下的数学模型 (13)2.3 空间矢量脉宽调制技术 (13)2.3.1 空间矢量脉宽调制技术的原理 (13)2.3.2 空间矢量调制算法的实现 (16)2.4 高速永磁同步电机的矢量控制 (18)2.5 高速永磁同步电机矢量控制系统的仿真 (20)2.5.1 矢量控制系统仿真模型的建立 (20)2.5.2 仿真结果分析 (22)2.6 本章小结 (24)第3章 基于滑模观测器的高速永磁同步电机无位置传感器控制 (25)3.1 滑模变结构控制的基本原理 (25)3.2 传统型滑模观测器的原理与设计 (27)3.3 改进型滑模观测器的原理与设计 (30)3.4 系统仿真验证 (33)3.4.1 仿真模型的建立 (33)3.4.2 仿真结果分析 (35)3.5 本章小结 (42)第4章 基于非奇异快速终端滑模观测器的高速永磁同步电机无传感器控制 (43)4.1 快速终端滑模控制的理论与奇异性问题 (43)4.1.1 终端滑模控制理论 (43)4.1.2 终端滑模控制的奇异性问题 (44)4.2 二阶非奇异终端滑模控制理论 (45)4.3 非奇异快速终端滑模观测器的设计 (45)4.4 非奇异快速终端滑模观测器鲁棒性研究 (47)4.5 系统仿真验证 (49)4.5.1 仿真模型的建立 (49)4.5.2 仿真结果分析 (49)4.6 本章小结 (53)第5章 系统硬件和软件设计 (55)5.1 硬件设计 (55)5.1.1 整体硬件电路设计 (55)5.1.2 主控制芯片的选择 (56)5.1.3 电源模块 (56)5.1.4 IPM模块及隔离驱动电路 (57)5.1.5 电流与电压检测电路 (58)5.1.6 保护电路 (60)5.2 软件设计 (60)5.2.1 软件开发平台 (60)5.2.2 主程序设计 (61)5.2.3 中断服务程序设计 (63)5.2.4 滑模观测器程序设计 (66)5.3 本章小结 (66)第6章 总结与展望 (67)6.1 总结 (67)6.2 展望 (67)致 谢 (69)参考文献 (70)作者简介 (75)攻读学位期间研究成果 (76)第1章 绪 论1.1 课题的研究背景及意义在电力电子技术及控制技术蓬勃发展的背景下，高速电机及其控制技术也在欣欣向荣地发展，它逐渐成为了国家生产制造以及人民日常生活的重要组成部分[1]。

永磁同步电动机无传感器控制技术现状与发展探讨摘要：永磁同步电机无位移传感器系统，其利用检测电机的定子侧电压和端电压算出转子位移，取代了传统的机械位移传感器系统，不但减少了成本，同时增加了控制精度和可靠性。

本文基于永磁同步电动机发展现状，分析无传感器永磁同步电机工作存在的问题，总结不同转速下的无位置传感器控制技术。

关键词：永磁同步电机；无传感器；控制技术无传感器的永磁同步电机，是在电动机转子与机座之间不配备电磁或光电传感器的情形下，运用电动机绕组中的有关电讯号，采用直接计量、参数识别、状态评估、间接检测等技术手段，在定子边比较简单检测的物理性质量如定子压力、定子电流等中抽取出与转速、位移速度相关的物理性质量，再运用这些检测到的物理性质量和电动机的数学模型测算出电动机转子的位移与速度，从而代替了机械传感器，实现电动机的闭环控制。

1.永磁同步电动机无传感器控制技术存在的问题高性能的交流调速传动系统通常要求在定子轴上装设机械式传感器，以检测相应的定子转速与位移。

这种机械式传感器，通常包括了解码器（Encoder)、解算器（Resolver）和测速发动机（Tacho-meter)。

机械式传感器可以满足发电机所需要的转动信息，但同时也对传动系统设计造成了一些困难。

机械式传感器加大了在发电机定子上的转动惯量，从而增大了发电机的空间大小和重量，而使用机械式传感器为测量转子的速度和位移，需要另外增设了发电机和控制器相互之间的连线和端口电路，使系统更易受影响，从而大大地降低了准确性。

受设备式传感器使用环境（如温度、湿度和振动）的影响，驱动控制系统并无法普遍应用于所有场所。

机械式传感器以及配套电路大大提高了传动系统的生产成本，而一些高精度传感器的售价甚至能够和马达本身售价比较高。

为解决大量采用机械式传感器给传动系统所造成的问题，不少专家都进行了无机械式传感器交流传动控制系统的研发。

无机械式信号交流变速控制系统是指根据使用电器绕组的所有电讯号，并采用适当方式估计出转动的速率和方位，以替代机械式信号，进行交流传动控制系统的循环调节。