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天津大学 硕士学位论文 基于滑模觀测器的永磁同步电机无位置传感器控制 姓名:傅涛 申请学位级别:硕士 专业:电机与电器 指导教师:陈益广
定,电机效率有所下降转子温升高,易造成钕铁硼永磁体退磁危及电机安全
叩定子静止坐标系下的数学模型依据滑模变结构控制原理,对永磁电机的转 予位置角只和转速她进行实时在线估算不断修正估算位置晓,控制定子旋转
关键词:永磁同步电机;无位置传感器;滑模变结构;数字信号处理器;空间
motor(PMSM)is
superiority-performance
widely―used motor.The PMSM speed regulator system adopted VVVF strategy to control the PMSM.It has many merits such as low―dynamic.high.reliabillty and precise‘controlSO it is widely used in many regions.However,when the PMSM whose rotor without damping windings operated in open loopthe system is not stable, the electric efficiency decreased
rotor temperature
increasedthe NFeB
permanent magnet demagnetized,sometimes the motor lost synchronism.the position and speed precise control of PMSM system build in the speed closed.100p controlSO
acquire rotor position
most important strategy in the
whole system.At present,in mostly regulation drive systemsthe mostly method is to install a position sensor in me rotor shaft.But the sensors increase the cost and decrease the reliability.In these backgrounds.there has been
increased interest in
developing techniques to obtain the position and speed information for the PMSM 、vitllout extemal position widely used in some sensors.Position sensorless control for special
will be the
low-precision
situation.Wj Can
measurable physical quantity such
threehase current,voltage etc to estimate the
position and speed through special observer strategy. ThiS Paper introduced the structure theoretical basis of spacial generationand superiority chip,we did some and
mathematic model of PMSMexpatiate the the wave of
width modulation(SVPWM)and
strategy.Because
performance
abundant extemal
devices ofthe TM¥320LF2407 control
this kind chip to design the hardware and soihvare system,SO we control the PMSM by this COntrol system.
to build.the emulation mathematic modcl of
system stationary
mathematical model of PMSM in system iS controlled according
aB reference frame iS
adopted.and
the control theory ofsliding mode observe r.In order
to achieve closed loop operation of the motorthe stator magnetic field shcIuld be
vertical wi也the position 0 positionO
magnetic field
be synchronous with rotor rotatin琢SO the real.time estimated and the estimated
speed珊of PMSM
iS modified continuously.Theoretical
and simulation results shOW
that the proposed strategy has stronger robustness and satisfactory KEY
performance.
WORDS:Permanent Magnet Synchronous Motor;Position
Mode Observer;Digital Signal Processor;Spacial Vector Pulse Width Modulati9n
或撰写过的研究成果,也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证
签字隅加斗年J2月珥日
学位论文版权使用授权书
本学位論文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定
签字目期:加啦年K月吠目
签字月期;细午年f鲁月才日
1.1永磁同步电机的发展现状
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紦稀土永磁材料、电力电子技术、自动控制理论
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
动功率小和GTR导通管压降低的优点,在电气传动、电源技术等方面获得了广泛 应用IGBT己应用20kHz的硬开关以及频率更高的软开关中。MOS控制晶闸管 (MCT)综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET管的快速开关特性电力
矢量控制也引入了坐标变换,将原本复杂的永磁同步电机模型等效为由转予同 步旋转坐标系下的模型即通过按转子直轴永磁磁场定向的同步旋转交换实现定
子电流直轴分量与交轴(力矩)电流分量之间的解耦,达到对永磁同步电机的磁 链和转矩分别控制的目的化简为简单的类似于直流电机的模型。由于坐标变换 后的永磁同步电机模型考虑了瞬态情况不仅可以较准确地控制电机的稳态性 能,吔能保证实现良好的动态性能因此,以矢量控制思想作为主要控制算法的 永磁同步电机调速系统很快地发展起来““””“””1 另外,PWM控制技术的应用也日益广泛促进了永磁同步电机控制的发展。 PRM技术即脉冲宽度调制技术,是由控制器按照一定控制規律来实时地改变触 发功率器件的驱动信号使其输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波形,实现 调频、调压、消除谐波的目标以达箌控制电机运转的技术。合理地控制开关器 件驱动信号可以达到减少谐波和转矩脉动的目的。PWM技术是德国人 A.Schonung于1964年率先提出的其输出电压波形远比六阶梯波好,从而得到 了迅速的发展主要应用方法有正弦PWM(即SPWM)、最優PWM及空间电压矢量 PWM(即SVPWM)等。矢量控制思想与不同的PWM方法结合形成的控制方案也 会有不同。其中空间电壓矢量PWM方法是在实现对电动机的速度、转矩等控制要 求的前提下将功率开关器件的开关次数、电流脉动等因素都加以考虑,建立┅ 个综合的目标函数进行优化研究达到目标函数的最优控制。因它具有电压利用 率高的显著优点而得到了广泛的应用…嘲旧川。 此外数字化、智能化控制是永磁同步电机控制技术发展的一个显著特点, 在数字化控制发展的热潮中高速32位数字信号处理器嘞伸川剃嘞1刚‘咖(DSP) 的应用越来越多,这带来了许多优点: I、控制电路集成化、模块化、性能提高而成本降低 2、控制器件的减少提高了系统的可靠性。 3、不同的控制策略可由不同的软件实现而硬件则采用同一套装置,从而 提高了系统的灵活性也易于系统性能嘚改进、提高。 4、集中的处理器通讯、管理和检测检测程序检测系统的运行,通过程序 可对半导体器件的电压、电流、温度以及电源嘚电压、通讯口等实现连续监测和 控制 5、可高速实现复杂的算法.提高了系统的开关频率,从而提高了系统的性 能 6、通过系统硬、软件的控制,可实现对硬件错误的自动复位并自动产生保
1.2永磁同步电机无位置传感器控制概述“””1
信息将大大降低电机调速系统的成本。这也是近几年来无机械位置传感器电机
为了克服使用机械位置传感器给调速系统带来的缺陷近10年来,各国学
降低了成本,也能保证系统稳定因而引起广泛的研究兴趣。随着微控制器的发 展使得较复杂的控制得以实現,大大简化了硬件结构降低了成本,使控制系
接测量的物理量如输出矢量和输入矢量作为它的输入信号,并使其输出信號i【) 在一定的条件下等价于原系统的状态x(f)。通常称i(O为x(,)的重构状态或估 计状态而称这个用以实现状态重構的系统为观测器。i(f)和x()之间的等价性 一般采用渐进等价法。目前主要采用的有全阶状态观测器“”、滑模观测器“9“”3 “1、降阶状态观测器“““”、扩展卡尔曼滤波器“3¨…。 3.模型参考自适应方法“”(MRAS)。 4.人工智能理论基礎上的估算方法”””“
1.3滑模变结构控制概述”
者在这一领域作叻大量的开创性工作。但在发展的初期变结构理论并不被控制
统的控制论可称之为模型论控制的本质在于科学的控制决策,将反向控制的思 想引人控制决策有利于处理控制过程暂态和稳态响应之间的矛盾,是增强决策
变结构控制对系统参数的摄动、不确定性及外扰动的完铨自适应性的独特性
能来源于滑动模态产生用滑动模态的主要原因是引入了反向控制,故而变结构 控制系统具有极强的鲁律性从物理嘚角度而言,变结构控制总是产生最大作用: 最大加速最大减速。而且加速过程中没有减速的参与减速的过程中也没有加 速的参与。這正如汽车驾驶员.加速时只踩油门不踩刹车;制动时关闭油门仅 踩刹车。 抖动是滑动变结构应用存在的主要问题变结构控制中控制量u+(x)和 U一(x)强制系统在滑模面s(x)=o上滑动,从而使系统镇定这样能够使系统的暂 态响应的稳定性与系统的阻尼無关,从而使系统暂态响应平稳、快速消失但是, 系统进入稳态响应之后即使系统的输入为阶跃函数,控制作用的切换也不会停 止洏且会产生切换的频率更高的抖动。 滑模变结构控制的机理决定了其输出必然存在抖动正是这种开关模式实现 了系统的鲁棒性。完全消除抖动也就消除了变结构控制的可贵的抗摄动、抗外扰 的强鲁棒性因此,对于变结构控制出现的抖动现象『E确的处理方法应该是消 弱或抑制。
滑模变结构虽然存在不足之处――抖动然而它的强鲁棒性、快速性却有着
1.4论文研究的背景和意义
能来源于滑动模态,产生用滑动模态的主要原洇是引入了反向控制故而变结构 控制系统具有极强的鲁律性。从物理的角度而言变结构控制总是产生最大作用:
最大加速,最大减速而且加速过程中没有减速的参与,减速的过程中也没有加
抖动是滑动变结构应用存在的主要问题。变结构控制中控制量U+(x)和 u一(x)强制系统在滑模面s(x)=0上滑动从而使系统镇定,这样能够使系统的暂 态响应的稳定性与系统的阻尼无关从而使系统暂态响应平稳、快速消失。但是 系统进八稳态響应之后,即使系统的输入为阶跃函数控制作用的切换也不会停
的强鲁棒性。因此对于变结构控制出现的抖动现象,乖确的处理办法应该是消
滑模变结构虽然存在不足之处――抖动然而它的强鲁棒性、快速性却有着 极强的诱惑力。因此滑模变结构控制在交流调速系统中得到了广泛的应用与研 究,并取得了许多有意义的成果
1.4论文研究的背景和意义
度较低的钕铁硼永磁体退磁,危及电机安全运行:有时甚至还会出现失步现象 電机突然停止旋转.系统无法运行。这主要是由于永磁同步电机与VVVF通用变 频器备自的工作特点所决定的因为VVVF通用变频器输出电压的PWM电压其主
永磁材料磁性能1i~致、充磁等各方面的原因造成永磁同步电机转子永磁磁场 空『白J分布非正弦,除基波磁场外还包含有一系列高次谐波磁场,使得永磁哃步 电机的反电动势波形不一定是正弦的变频器与永磁同步电机两者不匹配;以及
化,保证电枢反应合成磁动势是劂形旋转的;同时还必须实时嘚知道永磁转子 化,保证电枢反应合成磁动势是劂形旋转的;同时还必须实时的知道永磁转子
磁场的位置,实现闭环控制也就是说,偠想定子电流按J下弦规律变化可以通 过空间矢量PWM技术实现。要想让永磁同步电机处于闭环运行驱动系统就应实 时知道永磁转孓的磁极位置。因此转子位置和速度信号的获取是整个系统中相 当重要的一个环节。目前最常用的方法是在转子轴上安装位置传感器(來获取转 予的位置和速度信息但是都存在如前面所述的各种缺点,使系统不能广泛适用 于各种场合 比较好的解决办法是采用无位置传感器控制技术,通过测量电动机的电流、 直流母线电压等可测量的物理量通过特定的观测器转子位置估算技术,提取永 磁转子的位置和速度信息实现闭环控制。根据永磁同步电机的运行特点设计 出了永磁同步电机无位置传感器控制策略,应用滑模观测器方法柬估算转孓的位 置和速度不需要准确地知道电机参数。这种方法的实现可以大大减少系统的成 本提高系统可靠性,减小系统维护的工作量所鉯永磁同步电机无位置传感器 调速系统在工业应用中有广阔的应用前景,对推广电机的应用范围有重要的价 值
1.5论文的主要研究内嫆
3.通过对永磁同步电機工作原理的深入分析建立永磁同步电机的数学模 型、设计状态观测器(滑模观测器)及电流环、速度环控制器。在永磁同步电机 的静圵坐标系下研究了基于滑模观测器的永磁同步电机的无位置传感器控制, 并在计算机上用MATLAB进行仿真并调节控制参数以得箌比较满意的系统响应 特性。进行了对比试验将采用无位置传感器控制的永磁同步电机转子的估计位 置与转子实际位置进行比较,观察兩者的波形误差值并提出相应的算法改进估 计效果。
第二章滑模控制基本原理
第二章滑模控制基本原理
变结构控制(Variable
Contr01)出现于20世纪50年代经
历了40多年的发展,已形成了自己的体系成为现代控制理论的一种通用的设 计方法。咜适用于线性与非线性、连续与离散、确定性与不确定、同步与时滞、 集中参数与分布参数等系统我们采用的变结构控制具有滑模(S1iding Mode) 特性,称为滑模变结构控制(SMVSC)”“”“3。 滑模变结构具有完全自适应性和鲁棒性被广泛应用於机器人控制、飞机自 适应控制、卫星姿势控制、电机控制、电力系统控制等。本章简要介绍滑模控制 的基本概念和基本原理
2.1滑模控制的原理 2.1.1开关控制与滑模控制
面利用不连续的控制规律,不断地变换系统的结构即在一定条件下沿着规定
lx2…alx!口2x2+bu
式中轴X2是状态变量,设状态变量x=Ix x217,口.、口:和6是定常或时变参数
式中“+≠“一S是切换函数
第二章滑模控制基本原理
直线s=0是切换线,在这个切换线上控制“是不连续的。设=0时,状 态X在s>0一侧且在“+的作用下,在某个有限时刻f:达到切换线S=0如图 2―1所示。
滑模{孛制/f多玲\线性弩制
状态x穿过切换线进入S<0区域,控制量由Ⅳ+变为甜一状态轨线立刻重 新穿过切换线而进入S>0的区域。若切换频率无限快则借助于U+,“一的跳变 控制就可以把状态轨线限定在切换线s=O上,向原点滑动这种状态就称の为 滑动模态,具有滑动模态的变结构控制称之为滑模控制 在滑动期河,S保持为零所以系统动态特性与系统微分方程及控锖《量“無 关,仅与切换线的参数有关此时二阶系统等效为一个时间常数为1/q的渐近稳 定的一阶系统。
上述概念可推广到状态空间中考察被控对象
式中dimx=F/,dimf="dimu=m,n)m,不连续控制u的分量珥满足
M(x,f):"x‘)‘(1)>o(2-5)
式中,置(】【)=旬是m维切换函数s(】【)=铂的第i个分量f≤m。在几哬上sO旷0称
为切换曲面的切平面、超平面,它通常包含状态空间的原点不连续曲面的切平面“妒O将状态空
系统当系统状态x位于某个切换曲面的切平面s(x)=0的邻域中时,若式(2―5)的控制 总是使状态趋向这个切换曲面嘚切平面时系统的状态将达到曲面的切平面薯(x)=O,并保留在该
第二章滑模控制基本原理
曲面的切平面内滑动形成滑模控制。
的状态空间中,有一个s(x)=s(x,x:恐…?‘)=0,它将状念涳间分成两部分s<0 及s>0在切换面上有三种情况:
常点――系统运动点RP(Representative Point)达到切换面sO【)=O附近时,
起点――系统运动点RP达到切换面s(x)=O附近时向切换面的该点的两边
止点――系统运动点RP達到切换面s(x)-o附近时,从切换面的两边趋于该
2.2滑模控制基本问题――滑模的存在性、能达性和稳定性
弘)=厂(矾‘)1∈誓,u酣7∈R(2-7)
确萣一个切换函数向量 s=s(x) 求解控制函数
2.满足能达性条件:在切换面s(x)=0以外的状态点都将予有限的时间内达
第二章滑模控制基本原理
3.滑模運动稳定,系统动态品质良好 上面是变结构控制的三个基本问题,只有满足了这三个条件才能实现对系 统的滑模变结构控制。满足上媔三个条件的控制叫做滑模变结构控制由此而构 成的控制系统叫做滑模变结构系统.下面对这三个条件进行简要分析。
2.2.1滑动模态存在性条件
1im八x’u,f)2丁一伍uf)
limf(x,uf)2.,+伍uf)
堕;妻鱼鱼:乏".―as∥:grad(s).F dt鲁Ox,dt鲁Ox“
式中,F是一个元素为函数Z…?Z的聆维列向量(状态速度向量);grad(s)是
1)、(2-12)下面的极限存在:
(z州) 蜘罢删(s).厂 蜘‘面ds=删s)‘广(2-15)
紧罢刊(s).厂>0 紫鲁删(s).广≤o(2-17)
第一章滑模控制基本原理
式(2―18)是一般的滑模存在的條件式。在实际应用中常将式(2 18)的等号去 掉写为:
如果系统的初始点x(O)不在s(x)=0的附菦,而是在状念空间的任意位置 此时要求系统的运动必须趋向于切换面s(x)=0,即必须满足能达性条件在有 限时帕J内到达或無限趋近于s(x)=0,否则系统无法启动滑模运动一般地,把 式(2-19)的极限宇哿号去掉变成
此式表示,状态空间的任意點必将向切换面s(x)=O靠近(或无限地靠近)的趋势 称式(2-20)为“广义滑模”运动。系统在此条件下的运动方式叫做“广义滑
模”运动。显然系统满足广义滑模条件必然满足滑模存在性和能达性条件。
2.2.3滑模运动的稳定性
式(2―22)是一个代数方程,设U的解(若存在)为
则u‘就是能够保证滑动模态存在即强迫系统沿切换面运动所需要的控制力, 常称之为系统在滑模区的“等效控制”因此,滑動模态的运动微分方程为:
拿:(x,u+f)x∈R”
(2―24) (2―25)
为了使滑模运动通过原点,令 s(O….,01=o
第二章滑模控制基本原理
由于存在一个约束条件式(2-25)上述微分方程只有n一1个是独立的,因 此式(2―24)和(2-25)联立,仅可得到押一1个独立的微分方程
鲁吲”‘山)(f-1'.…扩1)
如果式(2―27)中的状态变量X;是以偏差形式写出的而且x;=0(i=1,….n一1)
将哥(。lJ…%)在原点附近展开泰勒级数
鲁=勘吲r?川(M…川
式中,g只含有二次及二次以上的项根据庞克来一李亚普诺夫第一近似定理,
为(n-1)×(n-1)的满秩矩阵时,如果A的特征根都具有负实部,则方程式的原点
由此只要适当地选定切换函数s(x)=s(五,…矗),满足
s(O0,…O)=0
然后取微分方程式(2―24)的泰勒一级线性近似式(2-29)求出 a,s(ik=l,2…,"一I)即可确定滑动模态渐近稳定于s(x)=0的必要条件。
2.3滑模运动的动态品质
第一二章滑模控制基本原理
达性条件不仅实现了在状态空间任意位置的运动点RP必然于有限时间内达到切 换亟的要求至于在这段时间内,对运动轨迹未做任何规定为了改善这段运动 的品质,在一定程度上可鉯用规定“趋近率”的办法来加以控制。在广义滑模 的条件下可按需要规定如下一些趋近率(同时这些趋近率都满足广义滑模条 件)。 (1)等速趋近率: §=-esgn(s).
式中常数k表示系统的运动点RP趋近切换面so垆=0的速率£小趋近速度慢,占
§=一kl'l“sgn(s),
适当地选择口,k的值可望得到与指数趋近律类似的效果。
式中f(O)=0:当s≠0时s,(x)>0当适当地选择占值及函数f(x)的形式时, 可得到以上各种趋近律 总之,切换面的到达条件有两种形式: I.没有给定趋近方式的到达条件:
2.給定趋近方式的到达条件: §=一s昭w(s)一,(s),
2.3.2滑模运动段系统的运动
第二章滑模控制基本原悝
的,又具有优良的动态品质此时,滑模运动的微分方程必须取决于式(2-31) 及(2-32)的联立显然,滑模运动的动态品質(包括渐近稳定性)取决于切换 函数s(x)及其参数的选择
的危害性比较大。“抖振”是阻碍滑模控制应用于实际系统的主要障碍之一
第三章永磁同步电机的矢量控制
第三章永磁同步电机的矢量控制
3.1引言 永磁同步电机(PMSM)由萣子、转子和端盖等部件构成定子与普通感应电动
Contr01)理论从理论上解决了交流电动机非线性解耦問题,
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,在转子磁场萣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0和产生转矩的交轴(转矩)电流分量 t.,并使两分量互相垂直彼此独立,然后进行调节这样,交流电动机的转矩
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
换到同步旋转坐标系,站在同步旋转的坐标系上觀察电动机的各空问矢量都变
转矩控制所需的被控矢量的各分量值――直流给定量,按这些直流给定量实时控
虚构的因此,还必须再经过坐标的逆变换过程从同步旋转坐标系逆变换到定
第三章永磁同步电机的矢量控制
PWM(脉冲宽度调制)控制技术的应用也目益广泛。PWM技术是由控制器 按照一定控淛规律来实时地改变触发功率器件的驱动信号使其输出端获得一系 列宽度不等的矩形脉冲电压,实现调频、调压、消除谐波的目标以達到控制电 机运转的技术。合理地控制开关器件驱动信号可以达到减少谐波和转矩脉动的 目的。经典的SPWM控制的目的是使逆变器嘚输出电压尽量接近正弦波或者 说希望输出SPWM电压波形的基波成分尽量大,谐波成分尽量小至于电流波 形,则还会受到负载电蕗参数的影响控制上被忽略了。电机控制的最终目的是
产生圆形旋转磁场从而产生恒定的电磁转矩。如果基于这一目标把逆变器和
起见,作如下假设: (1)忽略铁心饱和效应: (2)不记涡流和磁滞损耗; (3)转子上没有阻尼绕组永磁体也没有阻尼作用; (4)反电动势是『F弦变化嘚。 在同步电动机瞬念过程中其运行参数(电压、电流、磁通、转矩和转速等) 的微分方程有多种表达式形式。在abc定子静止坐标系的变量表达式中由于同 步电动机的转子在磁、电结构上的不对称。造成电机方程式是一组与转子瞬时位
置有关的非线性方程式不宜矗接求解,使同步电动机动态特性的分析遇到困难
第三章永磁同步电机的矢量控制
PWSM的矢量变换控制系统常用的坐标系有两种:一是两相同步旋转坐标系
(由坐标系)一是两相定子静止坐标系(o移坐标系)。它们不仅可以用于分析
叩坐标系,又称3/2变换如下式;
2.嘶同步旋转坐标系 该坐標系为同步旋转坐标系,g轴(交轴)超前d轴(直轴)90,如图3-1
所示若把d轴的取向与转子永磁总磁链方向一致,则成为轉子磁场定向坐标系
第三章永磁同步电机的矢最控制
abc坐杯乐与aq坐杯乐明天糸为:
[:]=.V压3[『cs。in80口coi。s(曰O一-。1:20。*;coins。(目O+ 1:2。0。)jlf 1, J
[io]’[cosO瑟㈢篇sinO冲l[-刊i-1
3 6 3 7 3 8 3 9
电磁转矩方程:瓦=£‰0+(0一厶)00】
对于表面式的PMSM,L=乞,于是电磁转矩为
表3-1符号意义 符号
意义 d轴定子电压 d轴定子电流 d轴定子磁链 d轴定子电感 定子电阻
第三章永磁同步电机的矢量控制
意义 转子角速度 定转子问的互感 电磁转矩 轉动惯量 微分算子
意义 机械角速度 永磁体磁链 负载转矩 阻尼系数
H Ⅳ.棚 kg.m2
3.2.3叩定子静止坐标系下的PMSM数学模型
的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程。
丸=Lio+凡cos0 以=三f口+矗sinO
电磁转矩方程:瓦=0矗‘cose-p.&i 机械运动方程:£=t+Boa,+印q
式中符号意义見表3一l和3―2
表3-2符号意义 符号
意义 口轴定予电压 口轴定子电流 口轴定予磁链 转子位置角
意义 口轴定子电压 ∥轴定子电流 夕軸定子磁链 定子电感
PMSM的电流矢量控制方法有好几种。可采用的控制方法主要有‘=0控制、
功率因数cos(fl=1控制、最夶转矩/电流控制、最大输出功率控制等不同的电
第三章永磁同步电机的矢量控制
可使单位电流输出嘚转矩最大;恒磁链控制可增大PMSM的最大输出转矩:弱磁 控制使PMSM恒功率的运行于更高的转速;最大输出功率控制以保证输絀功率最 大为前提。 电动机调速的关键是转矩的控制矢量控制的实质也是为了改善转矩控制的 性能。而最终实施仍然是落实到对定于电鋶的控制上PMSM也不例外。对于PMSM
的矢量控制系统用砌转子同步旋转坐标系来描述和分析它们的稳态和动态性
山j帅肪船 矾以 嵋毗 J.0
于是电磁转矩与定子电流的幅值成正比,变得和直流电機的控制原理一样
这时控制方祛也很简单,只要能够检测出永磁转子磁极轴线位置(d轴)控制逆
3.4电压空间矢量调制原理
下6个功率开關的状态,则开关向量【口b,c】7和逆变器输出的线电压[Rab心,%】7
和相电压【“,‰心】』间的关系可分别用式(3―24)和式(3―25)表示,其中‰是逆变
第二章永磁哃步电机的矢量控制
玩。(oil)E:。(olo)口。(110)玩。(100)玩00(101)与民。(000)和玩.(111)。
从图3-3可以看出uo~玩。是6个非零矢量,民,驴是2个位于原点的
第三章永磁同步电机的矢量控制
5.采用电压空间矢量控制时,逆变器输出线电压基波最大幅值为直流侧电 压这比一般的SPWM逆变器输出电压高15%。
三相电压型逆变器的电压空间矢量
币是基于SVPWM控制技术的上述特点本文采用了该方法作为P嘲的控制方
互=拈吲71 sin∽一O)/U,
正=,/3[O.[TsinO/Uv(
式中71,E为一个周期内第1和第2个功率管的开断时间当五,正之和不足时
第四章永磁同步电机的无位置传感器控制
第四章永磁同步电机的无位置传感器控制
在一般的永磁同步电机调速系统中为了实现速喥的闭环控制,位置传感器 是必不可少的若实现PMSM的矢量控制,要控制定子电流矢量方向与永磁转子 d轴在空间上的央角这就需要位置传感器,以确定转子磁极位置通过矢量控 制,以正确的定子电流矢量相位向三相定予绕组供电产生所要得到的电磁转矩, 从洏实现系统的精确控制电机速度和磁极位置的检测,多数采用光电编码器或 者旋转变压器等机械位置传感器如果电机工作在恶劣的环境下,速度和位置传 感器会降低系统的可靠性和耐用性而且,安装高精度的位置传感器也会增加系 统的成本正是由于这些原因,无位置传感器的永磁同步电机控制引起了研究者 的极大兴趣无位置传感器的PMSM系统的研究也已经取得了一定的成果。本文 中我采用了基于滑模变结构控制的方法对永磁同步电机的转子的位嚣进行了估
4.1转子初始位置检测
sin0。;令io=i(fm。的初始值设为0)只=O。电压1
第四章詠磁同步电机的无位置传感器控制
施加完后,应该施加足够时间的零矢量以使电流恢复为0,设零矢量施加的时 间为‰同理依次施加電压矢量2~12,并检测其相应电流若所得电流大于fm。
则刷新fm。和鼠的值经过第一步后,转于位置角的误差应该在15(电角度)以内。
4―2所示,施加角度为鼠一7.5、q、q+7.5。电压矢量如果所得电流大于j硼。 则刷新t…,并将其角度值赋给岛到这一步误差应该尛于3.75。(电角度)a 第三步:在岛的基础上施加B一3.75、岛、岛+3.75“,同第二步一样更
更新fm。的值并得到g,p即为最后估测得到的转子初始位置最后估算的误
苐四章永磁同步电机的无位置传感器控制
4.2基于滑模观测器的转子位置的估算方法
?MSM在a猡定子静圵坐标系下的数学模型为:
o―io―Z%+言 o一io―i%+于 ‘=一尝‘一圭%+等(4-1)
假设缸“0也就是电机的速度变化很慢,电机的反电动势模型如下:
永磁同步电机转子位置只与反电动势的相位有关反电動势为一J下弦波,其 幅值与转速成正比反电动势信息包含着电机转子的位置和转速信息,本文所要 做的工作是设法获取电机的反电动勢信息解算出电机的转速和转角。 对于系统
其中x∈R”A∈R刖”,B∈R…11∈R“和
这里s(x)=CX,c∈R…在这个系统罩。函数s(x)=0描述了一个超平面它把 相平面分成两个区域,把s(x)及s(x)=0叫莋切换函数及切换面通过开关面的切 换,改变系统在状念空间中的切换面两边的结构丌关切换的法则称为控制策略,
它保证系统具有滑动模态当系统在滑模状态的时候,满足s(均=0§(x)=0。
x=[乏]=[乏],u=[乏]A=[一苫上一另L],Bz[一苫三一0£]
等效控制方法是一种描述滑模状态的方法这种方法的第一步是在切换面上 找到一个等效控制输入量U。一旦等效控制的输入知道了。滑模动态运动就可
第四章永磁同步电机的无位置传感器控制
以用式(4-3)采描述a如果璺便状态曲线始终在切挟甸s(x)=0上i(x)=0是一个 必要的条件。分别对式(4-3)的时间进行微分得到:
i(x):堕Ax+竺Bu:0
Ueq(x)=一(宴B)一宴Ax
:=一譬乇+TUa一了KI s咖(劢 ;=一等毛+等一等sign(一ip) o―i妇+言一亍5 专=一争圭气一Tgt--j o―io+i气一T5
其中K.是固定的观测器增益,乇、0表示观测值毛=乞一‘,0=易一ip表示观
专:一孚亏+了1勺一下gI sig.(一ip) i82一了|#+了ep一了s
‘×0<0,‘×/p<0
乏×专=乏×心R_T。+z1%一TgI s咖(乏)I 5如“rL“+z%一T5咿(k’I
一.0 ,L/L P 口
圭亏(勺一K)一兰了 亏>。 圭i(e+J‘)一-R£E,2亏<
上因为一兰髫<o和一兰豸<o,当足>max如。怍pf)时就可阻满足滑模观测器
第四章永磁同步电机的无位置传感器控制
应用一个低通滤波器,从开关量K.sgn(i)中提取连续等效信号(Kt sgn(i)) 可以估算出a:
这罩“是滤波时间常数,选取时间常数既要满足可以保持連续等效信号 (KI sgni)。又要满足可以消除高次谐波。为了满足上述条件我们选取 2"o=10。4(J)为了消除在稳萣状态时刻的电动势幅值的估算误差,而实际应用下 面的低通滤波器:
;=(一;+√l+(血『o)2.K1 sgnT)/ro
转子的电气角速度和位置可以从估算的电动势中得到电动势的表达式为:
2I i计丸2矗【c。s包sin包】7
[sine COS口c]7=卜%%r/厶眈
假定電机转子转速在DSP一个采样周期内相对于电压、电流变化很慢,令
通过式(4.13)转子电气角速度可以由下式计算:
sgn(co。)=sgn((Ge)7?e)=sgn(1lelli/co)
然后根据式(4―17)、(4.18)和(4.20),估算嘚转子电气角速度和电气位
西c=sgn(吐)I龟l=sgn((G6)7A)@II:/凡)
[sin晚cos晓jr=[-5知f“厶西。) 要:一争i+旱一K_L5fgnG) 加
下面讨论一下定子电阻变化对估算结果的影响。下面重新写一下滑模观测器 的方程式(4-7):
这里见是定子电阻的基准值定子电阻R的实际值因为集肤效应和温度的影响 会有一定的变化。
y‘=-罕t÷一争sign(T)一等t+圭e一等s/gn(i)(4-24)
应用等效控制原理连续的K.sign(Y)开关的等效信号是:
第四章詠磁同步电机的无位置传感器控制
【KIsign(i)】。=e―ARi
从上面的方程可以看出电压的降落引起了电动势的估算误差。很明显估 算的误差与电流和转子速度有关。电动势的幅值与转子电角速度成正比所以转 子速度越高,电动势估算的效果越好:而且電机的电流越大电动势的估算的效 果越差。电动势的估算依赖电机的速度和电机的电流这种滑模观测器对于平常 的定子电阻变化具有足够的鲁棒性。
数字信号处理器技术(Digital
Processor)是一门涉及许多学科而
又广泛应用于许多领域的新兴学科20世纪60年代以来,随着信息技术的飞速 发展数字信号处理技术应运而生并得到迅速发展。近年来其高速运算能力使 很多复杂的控制算法和功能得以实现,同时将实时处理能力和控制器的外设功能 集于一身在控制领域内也得到很好的应用。自1982年美国德州儀器(TI)公 司推出通用可编程DSP芯片以来DSP技术取得了突飞猛进的发展,在计算机和 微电子技术飞速发展的基础上DSP芯片性能也得到了极大的提高,它在通信、 生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越多的应用
DSP芯片,是一种特别適合于进行数字信号处理运算的微处理器其主要应 用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。为了快速地实现数字信号处理运
加法运算,多数DSP芯片的乘法器和算术逻辑单元都支持在一个周期内同时完成 一次塖法和一次加法运算另外,很多定点DSP芯片还支持在不附加时间的前提 下对操作数和操作结果的任意移位 (5)快速的指令周期。哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊 的DSP指令再加上集成电路的优化设计可以使DSP芯片的指令周期在50ns以丅 现在高档的DSP指令周期可以达到5ns。 (6)专用寻址单元地址产生器与算术逻辑单元并行工作,因此地址的 运算不再额外占用CPU的计算时问。DSP芯片的地址产生器一般都支持直接寻址、 间接寻址等多种寻址方式有些还支持位反寻址和循环寻址。 (7)片内存储器DSP算法的特点是需要大量的重复运算,其程序一般都 比较短小存放在片内可以减少指令的传输时间,并缓解芯爿外部总线接口的压
(8)特殊的指令集在DSP芯片的指令系统中设计了一些特殊的DSP指令, 以充分发挥DSP算法及各系列芯爿的特殊设计功能 (9)强大的片内硬件配置。现代DSP芯片内部除了DSP核以外一般还集 成了一些其它功能外设。
DSP的结構和功能特性
目前应用最广泛的DSP芯片是德州仪器(TI)公司的产品,占到全球市场 的60%左右并广泛的应用到各个领域。TI公司DSP主流产品包括TMS320C2000 系列(包括TMS320C2X/C2XX)、TMS320C5000系列和TMS320C6000系列 TI公司的240X系列DSP控制器是专门面向控制应用设计的。此系列的DSP 把高性能的DSP内核囷微控制器的外围集成在同一块芯片上替代了传统的微控 制器单元(MCUs)和多芯片设计。每秒钟可以执行4千万条指令(40MIPS)具 有传统16位微处理器及微控制器无法比拟的运算性能。TMS320LF2407A采用144 管脚的LQFPPGE封裝 TMS320LF2407的CPU是基于TMS320C2XX的16位定点低功耗内核。体系结 构采用四级流水线技术加快程序嘚执行可在一个处理周期内完成乘法、加法和 移位运算。其中央算术逻辑单元(CALU)是一个独立的算术单元它包括一个 32位算术逻辑单元(ALU)、一个32位累加器、一个】6×16位乘法器(MUL)和 一个16位桶形移位器,同时乘法器和累加器内部各包含一个输出移位器完全 独立于CALU的辅助寄存器单元(ARAU)包含八个16位辅助寄存器,其主要功能 是在CALU操作嘚同时执行八个辅助寄存器(ARO至AR7)上的算术运算两个状 态寄存器STO和STl用于实现CPU各种状态的保存。
图5-1 TMS320LF2407功能框图
TMS320LF2407采用增强的哈佛结构芯片内部具有六条16位总线,即程序 地址总线(PAB)、数据读地址总线(DRAB)、数据写地址总线(DWAB)、程序读总 线(PRDB)、数据读总线(DRDB)、数据寫总线(DWEB)其程序存储器总线和数 据存储器总线相互独立,支持并行的程序和操作数寻址因此CPU的读/写可在 同一周期內进行,这种高速运算能力使自适应控制、滑模变结构、神经网络、遗 传算法等复杂控制算法得以实现 TMS320LF2407包含兩个专用于电机控制的事件管理器模块EVA和EVB。每个 事件管理器模块包括通用定时器(GP)、比较单元、正交编码脉冲电路以忣捕获 单元事件管理器提供了下列对运动控制非常有用的一系列功能。 (1)通用定时器TMS320LF2407共有四个独立的16位通用定时器,每一 个都有单独的比较寄存器可用于产生采样周期,可作为全比较单元产生对称的 或不对称的PWM输出以及软件萣时的时钟基准
(2)比较单元与CMP/PWM输出。每个事件管理器模块有3个全比较单元 每个比较单元各有一个16位比较寄存器CMPRx,各有两个cMP/P删输出引脚
死区控制单元(DBTCON)用来产生可编程的软件死区使得受每个全比较单元 的两路CMP/PWM输出控制的功率器件的间次开启周期间没有重叠,最大可编程的 软件死区时间达16脚 (3)正交编码脉冲电路。正交编码脉冲(QEP)电路可以对引脚CAPl/QEPl 和CAP2/QEP2上的证交编码脉冲进行解码和计数可以真接处理光电编码盘的2 路正茭编码脉冲。 (4)捕获单元捕获单元用于捕获输入引脚上信号的跳变,两个事件管理 器模块总共有六个捕获单元当捕获发生时,相應的中断标志被置位并向CPU 发中断请求。 TMS320LF2407片内集成了丰富的外设大大减少了系统设计的元器件数量, 提供了方便的输入输出控制 (1)串行通信口。TMS320LF2407A设有一个异步串行外设通信口(SCI)和 一个同步串行外设通讯口(SPI)用于与上位机、外设及多处理器之间的通信。 SCI可用于与上位机的通信对系统进行监控;SPI可用于同步数据的传输,典 型应用包括TMS320LF2407A之间构成多机系统和外部i/o扩展如显示驱动。 (2)A/D转换模块包括两个带采样/保持的各8路lO位A/D转换器,具
有自动排序能力一次可执行最多16个通道的自动转换,可工作在8个自动转
DSP为控制核心,以IGBT为开关功率器件构成的电压三相逆变桥
为功率变换装置并结合必要的外围电路构成了一套完整的的全数字PMSM无位 置传感器控制系统.控制系统框图如图5―2所示。整个控制系统是出主电路、控 制电路和辅助电路等构成其中主电路由三相整流桥、逆变桥和永磁同步电机等 构成,逆变桥采用六只IGBT完成功率转换:控制电路由TMS320F2407为核心的 DSP控制器组成用来完成永磁同步电机的电鋶环、速度环和位置环的控制器的 算法实现,以及空间矢量PWM波(sVPwM)的产生等
PMSM无位置传感器控制系统硬件控制框图
其控制的核心是TMS320LF2407型号的DSP所有的控制功能全部由它来完成, 实现方便且控制精度高。DSP输出的6路SVPWM信号通过高速光电隔离管去控
制逆变桥电压和电流位置传感器用来实时检测电压和电流送给DSP处理。通过
图中,第一部分为整流電流第二部分为软上电、滤波、直流母线电压过高 能耗电路,第三部分为逆变电路 电网电压经不可控整流桥并经大电容滤波输出直流電压,然后经过电容滤 波获得电压平稳的直流母线电压,再通过由6只IGBT功率开关器件构成的逆 变桥为PMSM供电即构成交┅直一交电压源型逆变器。IGBT开关速度高使得本 系统中逆变器的工作频率可达20kHz,与DSP的高处理速度相匹配大大提高了 系统性能。同时为了防止上电时电容充电电流过高,设罱了必要的软上电电路; 为了保护逆变器过流和短路设置了快速熔断器;为了防止永磁同步电机回馈制
动时,直流母线电压过高危及功率管安全,设置了直流母线电压过高能耗功率
整流桥由6R175G一120模块承担其规格为75A/1200V;滤波电路出R、C 电路构成,其中与两个电解电容器相并联的两只电阻起均压作用:IGBT采用三 个2MBl50L一120模块其规格为50A/1200V。实际工作时模块内部IGBT互补 开通,死区设置3/Js
为了保证IGBT安全可靠的工作,控制电路发出的PwM信号要先送到驱动电 路隔离放大后才能送至IGBT驱动端由于传统嘚由分立元件构成的驱动电路十 分复杂,为简化电路并提高性能,本次设计中采用的是一种以EXB841芯片为 核心的驱动电路EXB841适用于驱动控制电动机的功率IGBT管,输出级具有极 高的工作电压范围
5.2.3电流检测电路
电流檢测霍尔元件具有磁敏特性,即载流的霍尔半导体材料在磁场中会产生霍 尔电势霍尔电流传感器是目前普遍采用的电流检测元件,其特点是测量精度高 线性度好,响应速度快电隔离性能好。它可以输出一个与外部电流成正比的电 流通过外部电阻转换成一个控制电蕗所希望的电压信号。霍尔电流传感器模块 使用方便过载能力强,被测回路母线穿过霍尔元件中心孔即可工作其响应速 度可以达到3/.ts以内,响应速度快是理想的电流检测方法。 DSP提供了两个A/D模块总共16路10位的A/D采集两个模块可同时进荇 转换,保证了被采集量的同相位.本系统应用A/D模块完成两相定子电流的采集 由于该模块只允许O~3.3V的模拟输入信号,洇此对霍尔元件的检测所转换得到 的电压信号进行了放大和电压偏移
护中断)来实现对系统的硬件保护。当PDPINT引脚被拉低时会产生一个外部
本系统设计将过流、过压、欠压故障信号处理为多路低电平有效的信号把
断服务程序洎动封锁系统的6路PWM信号输出使控制器停机,同时申请软件中
(1)电源与集成芯片去耦。经验表明很多控制系统的干扰是由于电源耦 合造成的,在印刷电路板的电源线与地之间并接去耦电嫆是常见的做法另外, 集成电路工作在高速数字逻辑条件下频繁的切换也会对电源产生干扰,对芯片 进行去耦设计也是电源去耦设计嘚一部分因此,在每一个数字芯片的电源与地 之间都设计了一个去耦电容。 (2)隔离技术本系统有多个不同的电源,有的甚至不能共地应采取措 施对它们进行隔离。不同的电源之间需要隔离模拟部分与数字部分需要单点共 地进行隔离,容易受干扰的信号线与能夠产生干扰的信号线也需要隔离除此之 外,为保护一些核心芯片如TMS320LF2407也应采用合适的隔离手段。将电流采
样電路、PWM输出回路和逆变挢等布局在不同区域分别靠线在不同电气功能的
在以DSP为核心的伺服控制系统中软件控制灵活方便。由于DSP可以在很 高的频率丅运行且运行速度极快,所以可以实现很复杂的和高级的算法获得 高精度、高性能的控制。
略功能实现的细节问题,把大多数的精力放在控制策略的宏观实现上了;但是经
TI公司提供了紧凑、高度集成的软件开发平台――cc2000不仅界面友好,
件系统每个项目至少包括三种格式的文件:汇编文件(.asm)、头文件(.h)
2.创建汇编程序,编写控制代碼; 3.创建头文件编写宏代码,分配寄存器空间; 4.创建命令文件分配程序存储空间和数据存储空间; 5.配置工程编译连接环境: 6.编译连接和调试程序。 如果编译连接通过表示程序没有语法的错误,编译器生成可执行代码文件 (.OUt)将可执行代码丅载到DSP中,就可以对系统进行在线调试
6.2电机参数的标幺化
6.3控制系统软件设计
―――i一 中断寄存器
检测计算磁 极奄U始位置
图6-2系统初始化模块}
基于支持向量机的故障诊断的研究(可编辑),支持向量机,支持向量机导论,支持向量回归,支持向量机原理,最小二乘支持向量机,支持向量,支持向量机matlab,支持向量回归机,支持向量機算法
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