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第二章节
文献综述：在永磁同步电动机的转子位置/速度估计技术
现高性能永磁同步电动机矢量控制,精确测量转子的位置和速度,是不可或缺的,在传统的永磁同步电动机驱动系统中,通常是通过使用旋转编码器或解析器。这些传感器的使用增加了成本,大小,和布线的复杂性,降低了机械的永磁同步电动机驱动系统的健壮性和可靠性。
要解决这些问题,在过去的几十年里许多研究工作已经进入转子位置/速度传感器驱动的发展,动态性能与位置传感器驱动。本章提供了一个简短的文献回顾的方法估算转子位置/速度信息不使用位置传感器,它的关键是实现转子位置/速度传感器矢量控制的永磁同步电动机驱动器。
转子位置/速度估计方法可以分为三大类:
1。间接位置传感方法的转子位置从感觉到位置相关的数量,间接获得的信息。EMF组成或第三次谐波电动势。
2。永磁同步电动机的基频模型,基于模型的方法测量定子电流,测量或命令利用定子电压来估计转子位置信息。
3。Saliency-based转子位置信息提取的方法从位置相关机器特点和高频激励通常是必需的。
三种方法之间的关系如图2.1所示。每个类别的方法可以通过简单明了的开放——执行循环技术。然而,为了提高转子位置估计的准确性,这一趋势在最近的研究对设计的闭环位置估计方法。因此,观测器的设计已成为位置估计的核心部分。
图2.1:三个主要类别的方法不使用位置传感器来获得转子位置信息
2.1间接位置传感方法
这类方法的基本思想是获得转子位置信息间接地从感觉到位置相关的信号,如,信号的瞬时幅度EMF,是转子位置的函数。这些方法是首先应用于直流无刷马达(刷),梯形反电动势波形,从检测到零交点获得转子位置的点在EMF[33],[34]。然而,反电动势感应不工作在低速操作条件。为了解决这个问题,一个开环起动过程是必要的。此外,基地的速度是最大的可实现的速度使用这种方法。此外,提出的方法[33]和[34]不能适用于永久性磁铁AC机器,尤其是内置式永磁同步电机扭曲的空气隙磁通分布由于电枢反应。
参考[35]提出了一种间接位置传感方法基于EMF,第三谐波分量与转子磁通有固定相关系无论机器的操作模式。第三个谐波分量提取定子相电压虽然基本和其他高阶谐波分量是消除了通过一个简单的三相电压的总和。与上述回EMF传感方法相比,这种方法需要较少的过滤和一种改进的能力在低速区域操作。这种方法特别适用于刷梯形动势。在[36],[37]提出了，其他第三谐波恢复基于emf的间接位置传感方法,它既可适用于无刷直流电机和表面式永磁同步电机。
在[37],三个传感方法论证第三谐波反电势。这些方法的有效性验证了无刷直流电机和表面式永磁同步电机,包括无传感器在通量削弱地区的速度控制。然而,与所有其他基于emf的无传感器控制方法类似,一个开环起动过程必须使用。最近,一种改进的位置估计方法,提出了永磁同步电动机[38],结合第三谐波反电势传感方法和观察者的位置。在这种方法中,三次谐波电动势,的积分是三次谐波磁链,用作参考。之间的误差估计和参考第三次谐波磁通联系被用来补偿速度估计误差。转子的位置然后计算是基于补偿转子速度。这个方法被报道达到更好的位置估计精度比之前的工作。
2.2基于模型的方法
方法基于基频的永磁同步电动机模型是最广泛用于转子位置和速度的估计。这些基于模型的方法特别有效的中期和高速应用。他们通常可以分为两个不同的类别:计算开环和闭环观察员。开放-循环位置/速度估计方法非常简单,容易实现。这些方法像永磁同步电动机的实时动态模型。他们得到相同的控制输入和并行运行。根据永磁同步电动机的动态模型,感兴趣的状态。,EMF、转子磁通或定子电感,可以计算,可以提取转子位置和速度信息。
在一个闭环的观察者,电站的控制输入和输出跟踪误差,即,植物的输出之间的误差和观察者,通常用作输入观察者。观察者的收益是为了迫使观察者输出收敛与植物的输出。因此,美国的估计价值的利益被迫收敛于其实际值。从这方面,闭环观测器可以被视为一个自适应滤波器,它具有良好的抗干扰性能和良好的鲁棒性变化的机器参数和噪声电流/电压测量。在文献中,许多观察人士已经提出了转子位置/速度估计,如扰动观察人士,结合滑模观察员(SMO),扩展卡尔曼滤波器(EKF)等。在本节中,常用的动态模型通用的永磁同步电动机进行了综述。然后计算开环和闭环的回顾评估方法。
2.2.1Dynamic模型通用的永磁同步电动机
永磁同步电动机可以建模通过使用阶段abc数量。通过适当的坐标转换、动态dq转子永磁同步电动机模型参考系和alpha;beta;静止参考系。这些参考帧之间的关系如图2.2所示。一般的永磁同步电动机的动态模型可以写在dq转子坐标系:
Vq和Vd 分别是q轴和d轴的定子终端电压 ；iq和id分别是q轴和d轴的定子电流； Lq 和Ld 分别是q轴和d轴的电感，p是导数算子；lambda;m永磁体产生的磁链,Rs是定子绕组的电阻,omega;re是电机转子的角速度。
图2.2:永磁同步电动机建模坐标参考系的定义
利用逆帕克变换,永磁同步电动机的动态可以建模alpha;beta;静止的参考系：
theta;re 是转子位置角; Valpha;和Vbeta;分别是alpha;轴和beta;轴的定子电压；ialpha; 和ibeta;分别是alpha;轴和beta;轴的定子电流；L=(Ld Lq)/2和Delta;L=(Ld-Lq)/2。对于一个凸极永磁同步电动机,由于Delta;L非零,方程(2.2)包含theta;re和2theta;re条款,不方便位置估计。对于隐极永磁同步电动机,如一个表面式永磁同步电机,转子特点可以忽略。Ld =Lq。在这种情况下,方程(2.2)可以简化为:
如方程(2.3)所示,只有反电动势组件包含转子位置信息。因此,如果反电动势组件可以估计,可以得到转子位置。在文献中,由于模型的简单性,大量的基于模型的位置估计方法提出了表面式永磁同步电机基于方程(2.3)。而对于凸极永磁同步电动机的转子凸极不容忽视,即。Ldne;Lq,推动转子位置观测,基于反电动势的凸极永磁同步电动机模型是常用的。基于反电动势的凸极永磁同步电动机模型可以写在dq转子坐标系：
代表扩展电动势组件的大小。基于反电动势的凸极永磁同步电动机模型也可以写在alpha;beta;静止参考系:
类似于方程(2.3),只有扩展电动势组件包含在方程(2.5)的转子位置信息。如果扩展电动势可以估计,可以得到转子位置。
2.2.2开环的计算
2.2.2.1基于反电动势的方法
反电动势组成方程(2.3)和扩展电动势组成在方程(2.5)包含转子位置信息。根据机器型号，永磁同步电动机定子电流测量阶段,并测量或控制定子电压,电动势组成可以被计算。例如,在[39],电动势的组成计算为:
然后可以计算出转子位置theta;re = tan-1(Ealpha;/ Ebeta;)。虽然扩展电动势概念没有被提出,但是很明显,方程(2.6)相当于方程(2.5)。因此,[39]中给出的方法可以适用凸极和隐极永磁同步电动机。该方法简单、快速、直接不使用复杂的观察家。然而,这种方法的性能受到感应电流/电压的准确性和机器参数的影响。
2.2.2.2基于磁链的方法[40],[41]
在稳定状态,dialpha;/ dtasymp;0和dibeta;/ dtasymp;0,定子和转子磁通矢量同步旋转。因此,如果定子磁通角可以计算,转子磁通角也可以确定,这是一样的转子位置角。根据方程(2.3),电压和电流在定子组件固定参考系可以用来计算定子和转子磁链如下：
和
psi;salpha; 和psi;sbeta; 是定子磁链，psi;ralpha; 和psi;rbeta;是转子磁链，然后可以计算出转子位置theta;re = tan-1(psi;rbeta;/psi;ralpha;)。基于磁链方法的准确性很大程度上取决于电压和电流测量的质量和准确性。由于集成商需要在这种方法中,初始条件的集成和电流传感器直流偏置问题,应妥善处理。此外,这种方法可能工作在稳定状态,但是通常是令人不满意的瞬态性能。
2.2.2.3基于电感的方法[42]
这类方法的基本思想是,空间分布相电感的永磁同步电动机,特别是对于永磁同步电动机在Ld和Lq之间的显著差异,是一个函数的转子位置。从电压和电流的测量信息可以计算出相电感。然后转子位置可以基于电感计算而找到。在永磁同步电动机控制系统,如果切换频率足够高,相电感的值和反电动势可以交换期间被视为常数。在这种假设下,永磁同步电动机的动态电压方程阶段可以表示为：
（2.8）
所有的变量是相数量,va是终端相电压,ia是相电流,Lsa是同步电感,Ra是相抵抗,ea是反电动势。根据方程(2.8),Lsa可以计算为:
（2.9）
ea的瞬时值可以使用计算转子位置theta;re在前面的两个开关周期来评估,即：。
根据相电感得到方程(2.9),可以从一个查找表得到转子位置,这是脱机创建来存储转子位置和相电感之间的关系。基于电感的方法的准确性还高度取决于电压和电流测量的质量和准确性。因为电流和位置导数需要在每个开关周期计算出来,计算转子位置很高程度上的受到测量噪声的影响。此外,这种方法要求永磁同步电动机凸极比高,如Lq / Ld gt; 2.5,对于隐极永磁同步电动机性能将欠佳。
2.2.2.4代数操纵法[43]
该方法的基本思想是解一组由永磁同步电动机模型和坐标转换组成的方程,转子位置可以由永磁同步电动机参数和测量电流和电压表示。永磁同步电动机电压和电流帕克转换和克拉克转换可以表示为:
和
通过操纵方程(2.10)和永磁同步电动机模型(2.1),转子位置可以计算为:
（2.11）
这种方法的准确性也高度取决于电压和电流测量的质量和准确性。因为电流导数需要在每个开关周期计算出来,计算转子位置很高程度上的受到测量噪声的影响。
备注:开环法的永磁同步电动机转子位置估算方法简单,容易实现。然而,转子位置的获得通过使用这些数值解析方法是有限的,这取决于采样频率和循环控制频率的控制系统。这些方法的准确性很大程度上取决于机器的精度参数和电压和电流测量。这些方法仍然是有用的,但可以通过使用闭环改进观察家在下一节中讨论。
2.2.3闭合回路观测器
在一个闭合回路观测器,如图2.3所示,输入的设备(包括逆变器和永磁同步电动机)和测量和估计之间的误差的输出作为观测器的输入观测器参数的正确选择和设计一个适当的内部状态的调整方案,这可以是线性或非线性的,重要的是要确保观测器的集合输出向设备输出,因此,感兴趣的状态的估计值的收敛到它们的实际值。
图2.3:一个闭环观测器的转子位置估算插图。
永磁同步电动机的动态模型对观测器的性能至关重要。根据方程(2.1)-(2.5),表达的永磁同步电动机模型可以固定或转子参考系。使用不同的模型时,合成观测器的结构士将会不同。此外,许多文献中提出了基于位置观测器结合模型的不同的状态调整方案。
在本节中,根据内部状态的性质调整方案,代表闭环观测器,包括扰动观测器,稳定主控振荡器,和卡尔曼滤波器,进行了综述。此外,由于大多数观测器旨在估计位置相关的信号,如,电动势、扩展电动势或通量,需要额外的转子位置/速度提取方法。因此,位置提取方法的概述也被提了出来。
2.2.3.1线性状态观测器[44]-[48]
电动势或扩展电动势组成可以使用线性状态观测器估计,如。扰动观察,如图2.4(a),电动势的被认为是一种干扰电压。对于一个表面式永磁同步电动机,重写方程(2.3)的输出：
（2.12）
e =[ealpha;ebeta;]T =[minus;omega;relambda;msin(theta;re)omega;relambda;mcos(theta;re)]T是电动势组成的向量。在[44],基于假设de / dtasymp;0,扰动观测器设计为:
（2.13）
^表示估计价值和G表示观测器增益矩阵,也可以选择通过极点配置方案来实现所需的跟踪性能。基于反电动势估计,通过可以得到转子位置。
对于内置式永磁同步电动机,提出了线性状态观测器与扩展电动势模型使用的转子固定[45]或[46],[47]参考系。在[45],电流观测器的结构是和在方程(2.13)中一样的,,但电动势观测器的表达式略有不同:
图2.4:插图(a)一个线性的观测器,如：扰动观测器;和(b)非线性观测器,如：稳定主控振荡器,反电动势估计。
当在转子
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