71磁场定向控制永磁同步电动机的初始磁极位置检测
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71磁场定向控制永磁同步电动机的初始磁极位置检测
《中小型电机》)磁场定向控制永；磁场定向控制永磁同步电动机的；初始磁极位置检测；朱武标,谭娃,金如麟,刘玉兵(1.上海三菱电梯；2.上海交通大学,上海200030)；摘要本文介绍了一种新的磁场定向控制永磁同步电动机；关键词仿真；朱武标1972年9月；生,工程师,上海交通大PWM整流压变频高速电梯驱；StudyonDetectingInit
《中小型电机》)磁场定向控制永磁同步电动机的初始磁极位置检测　　　　　　　　　　37磁场定向控制永磁同步电动机的初始磁极位置检测朱武标,　谭娃,　金如麟,　刘玉兵(1.上海三菱电梯有限公司,上海　200072;2.上海交通大学,上海　200030)1221摘要　　　本文介绍了一种新的磁场定向控制永磁同步电动机的初始磁极位置检测方法。论述了其在永磁同步电动机电梯曳引系统中的实现,介绍了磁极初始位置检测自学习控制器的设计,了该方法具有满意的效果。　　关键词　仿真朱武标　1972年9月生,工程师,上海交通大PWM整流压变频高速电梯驱动与控制系统及电梯电磁兼容的研究。StudyonDetectingInitialPositionofMagneticPolesinFlux2orientedControlledPermanentMagnetSynchronousMotorZhuWubiao,TanFuwa,JinRulin,LiuYubing(1.ShanghaiMitsubishiElevatorCO.,LTD.2.ShanghaiJiaotongUniversity)　　Abstract:Inordertodetecttheinitialpositionofthemagneticpolesinaflux2o2rientedcontrolledpermanentmagnetsynchronousmotor,anewmethodisproposedinthispaper.Therealizationofthismethodinaelevator’spermanentmagnetsynchro2noustractionsystemisdiscussed,andtheauto2trainingcontrolleroftheinitialposi2tionofthemagneticpolesisintroduced.Goodexperimentalresultsareobtainedinarealelevatorsystem.　　Keywords:PMSM　Initialpositionofthemagneticpoles　Detecting　Elevator　Auto2trainingcontroller　Simulation置的方法。(1)在电机内部安装高精度的霍尔检测元件。(2)在电机装配时,根据转子磁极位置,精确　　1　前言近年来磁场定向控制的永磁同步电动机系[1,2]统以其如直流电动机一样优良的线性转矩控制特性,以及高的效率和高的功率因数等优点,成为电梯最新颖的曳引技术,同时也广泛应用于各种高精度的伺服系统中。实现磁场定向控制的关键是必须保证在任何时刻转子磁链ψ与定子电枢磁动势正交,为此系统必须能准确地检测磁极初始位置。目前工程应用中有以下几种检测磁极初始位安装带基准位置识别的编码器。(3)在转子静止的情况下,对定子绕组施加变化的电压,利用空间上电机磁阻不同所带来的电流差异计算出磁极位置。见日本安川电机申请的《用于交流同步马达的初始磁极估计装置》专[3]利。本文介绍的是一种新颖的在非静止情况下检测磁极初始位置的方法。　　2　磁极初始位置的检测图1为永磁同步电动机在磁场定向控制时的矢量图。正确的转子磁极初始位置如图示。转子磁链ψ与旋转的d2q坐标系d轴重合,d轴与定子静止的a2b2c坐标系a轴重合。(以下图均按此,a轴不再标出)。图中,Ψ为转子磁链;E为定子感应电势;U为定子电压;ω为同步转速;ud、uq为d轴和q轴的电压;iq为q轴电流;Ra为定子电阻;La为定子直轴、交轴同步电感(在面装式磁钢结构中Ld=Lq=La)。图2　转子正方向旋转,Ψ滞后d轴α角度　　根据图2所示矢量图,可得出(6)ud=ΔU-iqa(7)&0d轴方向一,θ′(θ′0角趋向于θ00与θ0θ)。Δ)时,其当Ψ超前d轴α角度(-0°～-180°电流电压矢量如图3所示。图1　永磁同步电动机磁场定向控制时的矢量图　　在d,q轴上的电压方程分别为ud=idRa-iqωLauq=iqRa+idωLa+E(1)(2)　　当磁场定向控制时id=0,从而式(1)和式(2)可以简化为(3)ud=-iqωLauq=iqRa+E(4)图3　转子正方向旋转,Ψ超前d轴α角度　　如果初始的磁极位置是准确的,如图1所示,也即电枢磁动势与转子磁链在空间正交,那么有ΔU=ud+iqωLa=0(5)　　但是,在控制开始时,初始的转子磁极位置是任意的,只能假定一个磁极的初始位置,即未能将磁链ψ定位在正确的磁极初始位置上。那么在正确磁极初始位置时,计算出ud′和uq′电压值与初始位置定位不正确时的ud与uq电压值间会有差值。根据此差值,即可计算出正确的磁极初始位置与假定位置间的角度偏差,实际上即找到了正确的磁极初始位置。转子正方向旋转时,如图)时,磁链Ψ定位2,Ψ滞后d轴α角度(0°～180°在d′轴(即正确的磁极位置)上,其空间角度(相对于定子a轴)为θ′=ωt+θ。而d轴为实际控0′制所设定的磁极初始位置,其空间角度为θ=ωt+θ轴与d轴的夹角为α。0。d′α,已知　　根据图3所示矢量图,由于ΔU=EsinΔU&0。为了使磁链Ψ与d轴方向一致,必须增加θ角,使得θ。0角趋向于θ0′转子反方向旋转,Ψ滞后d轴α角度(0°～)时,其矢量图如图4。180°图4　转子反方向旋转,Ψ滞后d轴α角度α,已　　根据图4所示矢量图,由于ΔU=-Esin知ΔU&0。为了使磁链Ψ与d轴方向一致,必须减小θ角,使得θ。0角趋向于θ0′Ψ超前d轴α角度(-0°)时,其矢～-180°量图如图5。θ趋向于断的补偿,ΔU逐渐往0方向变化,Δ-2rad,最终使得Ψ与d轴的角度差为0。整个自学习过程大约需0.25s。在电梯驱动控制中,对电机控制精度要求很高,只有在相邻的控制周θ补偿值变化很小且持续稳定几秒期中求得的Δ钟,才能算完成了磁极初始位置的自学习。此时θ不同,学习所需的所需时间大约4～5s。由于Δ时间也会有所不同,为了加快自学习的进度,在刚开始自学习时,我们先把增益K放大到1.0,然后逐渐减小到恒定值(0.5)。图5　转子反方向旋转,Ψ超前d轴α角度α,已　　根据图5所示矢量图,由于ΔU=-Esin知ΔU&0。为了使磁链Ψ与d轴方向一致,必须增大θ角,使得θ。0角趋向于θ0′综合上述情况&0,;ΔU&0,角;,ΔU&0,必须增加θ角;ΔU&0,必须减小θ角。也就是说,θ角的补偿不仅与ΔU的正负有关,而且与转子的旋转方向也相关。因此,磁极初始位置检测控制器的输入量是ΔU与ω。根据以上的分析,设计如图6的磁极初始位置自学习控θ制器。图中Δ为假定的磁极初始位置与矢量变换坐标系(d轴与a轴)的角度偏差。Ψ滞后d轴2rad时的仿真结果图7　有一种极端情况,在磁极初始位置偏差接近πrad(电角度)时,所加的电流会使电机瞬时反±转,如图8所示。此时电梯控制保护程序会起作用使电梯急停。电机急停以后,磁极初始位置偏πrad的概率几乎为零,在随后的再差再次接近±θ次自学习时,最终能够按照以上规律学习到Δ。实践证明,在磁场自学习过程中,出现上述状态的概率极低,电梯一般都能平稳地自学习运行。图6　磁极初始位置自学习控制器　　3　在电梯系统中的应用下面以应用永磁同步无齿轮曳引机的电梯系统为例说明该方法的实现。试验表明,增益K取0.5最合适,此时电机在学习阶段的运行状态和自学习所用的时间都是比较合适的。滤波器的主要作用是消除ΔU引起的干扰波动,ΔU表达式中有iqωLa,其中ω和iq可通过测量得知,La是电机定子交轴同步电感值,可由电机厂家提供,ud不好直接测量,但是在具有磁场定向控制功能的变频装置中,通过计算能得出ud、uq电压指令值uds、uqs,这样可用指令值uds代替电机实际ud电压,其中的偏差不大。图7为假设转子正向转动,磁链Ψ滞后d轴2rad时的仿真结果。由于刚开θ不始初始磁极位置定位不准,ΔU不为0,经过Δ1:速度指令　2:速度反馈图8　偏差角为-π时的仿真结果由于电梯不允许每次重新上电后都进行磁极初始位置的自学习,所以我们选用带有如图9信号输出的混合式编码器,它包括A、B、Z、F0、F1、F2、F3等信号输出(图中未标示A、B相信号)。　　通过F0～F3输出信号(格雷码)的逻辑组合,可以得到编码器相对Z相信号的角度θ(F0～确认为θ′×6+θ0=135+θ0电角度。初始16位置测定好后,在之后的电机运行控制中,磁场角可以由θ=ωt+θ′求得。实际上ωt与编码器A、B相信号的输出直接相关,所以任意时刻的磁场角度相当于求一定时间内A、B相脉冲数与θ′之和。图9　编码器中绝对位置检测信号图F3)。编码器一经安装在转子轴上,Z信号对应的转子位置也就确定。Z信号在编码器每转一圈输出一脉冲信号,假设此时对应θ(F0～F3)=0,转子磁极的角度为θ0(相对定子a轴),那么随着转θ(F0～F3)。因为子转动,磁场方向角等于θ0+学习得到的θ0上,θ0,F3):9所示,若该上电瞬(图中a线处),可间F3F2F1F0编码值为“1110”知此时磁场角度约为×6+11.25+θ.0=1461625+θ0电角度(因F0～F3组合有16种状态,所以其检测精度为=11.25°电角度)。随后当16×2我们一般对A、B脉冲进行4倍频,假设电机为12对磁极,则系统最终检测精度为=0.13°8192×4电角度。运行过程中,每次Z相信号输出,便校准磁极位置一次,以消除检测的累计误差。4。,在4～6s内能θ允差为自动准确测得磁极初始位置(检测的Δ=0.1758°电角度时)。图10为磁极初始位2048置偏差+90°,电机自学习启动时的加速度、速度波形。从图中可以看出,电机首次启动时振动较大,但第二次启动时便已很稳定。图11、图12为磁极初始位置学习好后电梯正常运行时的加速度、速度和电流波形。F2出现下降沿时,进行角度修正,此时磁极角度图10　磁极初始位置偏差+90°,电机自学习启动时的加速度、速度波形图11　磁极初始位置学习好后电梯正常运行时的加速度、速度波形(下转第49页)《中小型电机》)永磁同步电机伺服控制技术的发展回顾　　　　　　　　　　198549推广卡尔曼滤波器的算法复杂,需要矩阵求逆运算,计算量相当大,为满足实时控制的要求,需要用高速、高精度的数字信号处理器,这使无机械传感器调速系统的硬件成本提高;另一方面,推广卡尔曼滤波器要用到许多随机误差的统计参数,由于模型复杂,涉及因素较多,使得分析这些参数的工作比较困难,需要通过大量调试才能确定合适的随机参数。　　4.3　人工智能理论基础上的估算方法进入九十年代,电机传动上的控制方案逐步走向多元化。智能控制思想开始在传动领域显露端倪,专家系统、模糊控制、自适应控制、人工神经元网络纷纷应用于电机控制方案。虽也屡有发表,,成熟,。　　5　结论永磁同步伺服电机具有很多独有的优点,这就决定了它有着十分广泛的应用范围,随着无传感器技术的不断完善和各种先进控制策略的实现,相信永磁同步伺服电机必然在国民经济各个领域都得到广泛应用。参考文献1　T.M.Jahns.Motioncontrolwithpermenent2magnetacmachines.IEEEProc.,vol.82,no.8,pp.,1994.2　B.K.Bose.Motioncontroltechnology2presentandfu2ture.IEEETrans.Ind.Appl.,vol.21,pp.,3　郭庆鼎,王成元.交流伺服系统[M].机械工业出版社,1994.4　T.KumeandT.Iwakane.Highperformancevectorcon2trolledACmotordrives:applicationsandnewtechnolo2gies.IEEEIASConf.Rec.,pp.690～697,1985.5　G.R.Slemon..6　郭 c.交流伺服酉到y介.交通大W,1996.7　谷爱昱,王春茹.DSP在电机控制领域的应用展望[J].微电机,2001(2).8　烨,严欣平.ElectricalMachinesforVariable2Fre2quencyDrives.IEEEProc.,vol.82,no.8,pp.1123～[J].,49,[M].机,1998.10　J.C.Moreim.IndirectSensingforRotorFluxPositionofPermanentMagnetACMotorsOperatinginaWideSpeedRange.IEEEIAS′94pp.401～407.11　Yoon2SeokHan,Jung2SooChoi,Yong2SeokKim.Sen2sorlessPMSMdrivewithaslidingmodecontrolbaseda2daptivespeedandstatorresistanceestimator.Proc.,vol.36,no.5,pp..2000.12　Min2HoPark,Hong2HeeLee.Sensorlessvectorcontorlofpermanentmagnetsynchronousmotorusingadaptivei2dentification.IECON′89.,15AnnualConferenceofIEEE,vol.I,pp.209～214,1989.13　李永东,梁　艳.高性能交流永磁同步电机伺服系统thIEEE现状.中国电工技术学会电力电子学会第八届学术年会论文集,2002.收稿日期:(上接第40页)行的。根据测试结果,可知应用本文所述的检测方法进行电梯系统中的永磁同步电动机的磁极初始位置检测具有满意的效果。参考文献1　郭庆鼎,王成元编著.交流伺服系统.机械工业出版社,1998.2　谭娃,金如麟编著.大功率电子学和电机控制.上海交通大学出版社,1999.图12　磁极初始位置学习好后电梯正常运行时的电流波形3　用于交流同步马达的初始磁极估计装置.(发明专利申请号).知识产权出版社.收稿日期:　　以上测试是在电动机带轿厢满负荷情况下进包含各类专业文献、应用写作文书、中学教育、专业论文、行业资料、外语学习资料、幼儿教育、小学教育、生活休闲娱乐、71磁场定向控制永磁同步电动机的初始磁极位置检测等内容。
　使得永磁同步电动机系统不能在一些环境恶劣的特 殊场合...法无位置传感器控制技术,在估计 的同步旋转坐标系直...解决脉振高频电压信号注入法检测转子初始位置时磁极... 　其变频调速的 理论并且设计了一套基于 DSP 的永磁同步电动机磁场定向矢量控制...转子磁极的位置易于检测,因此交流调速的矢量控制理论在永 磁同步电动机的控制领域... 　并可类似直流电动机对电机进行闭环控制 ,多用于伺服...它们的 区别在于转子磁极所在的位置,凸极式永磁同步...在这里我们使用磁场定向矢量控制技术来建立永磁 同步... 　凸极式转子是将永磁铁安装在转子轴的表 面,如图 2-1(a)。因为永磁材料的...(2.22) 2.3 永磁同步电动机矢量控制技术概述 矢量控制又称磁场定向控制, ... 　永磁同步电机矢量控制原理_电子/电路_工程科技_专业...旋转磁场的旋转是通过如图 6 中的一个磁极 6 个...一种变换游戏,都只有原始的三相绕线,通三相电流。 ... 　MSM 运动控制系统中,它比异步电动机更便于实现磁场定向控制,可以获得 特性,使...仅需要 一套针对初始磁极位置检测的程序即可。整个程序分为三个部分:第一部分是... 　永磁同步电机矢量控制原理 1.永磁同步电动机简介 ...其中 d 轴跟 单磁极的 N 极方向相同,即和磁力线...3. 矢量控制原理介绍 矢量控制亦称磁场定向控制(FOC... 　永磁同步电动机控制策略_工学_高等教育_教育专区。永磁...动机上模拟直流电机转矩的控制规律, 磁场定向坐标通过...通过检测定子电压、 电流,直接在定子 坐标系下观测... 　结合矢量控制方法设计通过定子磁场摆动的 转子磁极搜索方法,完成转子初始位置检测。...三相永磁同步电动 机信号为 1Fl 一 24,其三相定子绕组采用星型接...【频道】小学科学【视频集】
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永磁同步电机转子初始位置检测
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基于龙伯格观测器的RDC磁极位置检测方法
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你可能喜欢永磁同步电机磁极位置检测技术的研究--《哈尔滨工业大学》2007年硕士论文
永磁同步电机磁极位置检测技术的研究
【摘要】：
永磁同步电机由于具有高功率密度、高效率、结构简单和可维护性好等优点,广泛应用于高性能的调速系统中。在传统的永磁同步电机驱动控制系统中需要通过一些机械传感器(旋转变压器、编码器等)来检测电机磁极的位置和转速信息,以实现对电机的高性能控制。这些机械传感器的存在不仅增加了系统的成本,而且降低了系统的可靠性,因而限制了永磁同步电机在一些特殊场合的应用。论文从推进永磁同步电机系统向经济型、民用化方向发展的角度出发,主要研究了两种成本低、可靠性高、维护简单的永磁同步电机磁极位置检测技术:基于开关霍尔的永磁同步电机磁极位置检测技术和基于滑模观测器的永磁同步电机磁极位置检测技术。
首先,论文分析了永磁同步电机的数学模型及其矢量控制策略,在此基础上研究了基于锁定型开关霍尔磁极位置检测和基于滑模观测器磁极位置检测两种低成本永磁同步电机磁极位置检测方案。
其次,对基于两相正交锁定型开关霍尔的磁极位置检测技术进行了详细的分析,并对该方法中可能出现的估算误差进行了仔细的研究,提出了一种考虑电机加速度的误差补偿措施以提高磁极位置估算精度。设计开发了基于锁定型开关霍尔的准无位置传感器永磁同步电机驱动控制器,对基于开关霍尔的磁极位置检测技术进行了实验验证,得到的实验结果验证了该方法的正确性。
最后,对基于滑模观测器的永磁同步电机磁极位置、转速估算原理进行了详尽的阐述,分别提出了基于FIR滤波器法、基于饱和函数法和基于扩展卡尔曼滤波器法等抖振抑制措施,以改善滑模观测器中所固有的抖振问题给电机位置、速度估算带来的不良影响。建立了基于滑模观测器的永磁同步电机无传感器矢量控制系统的仿真模型和以TMS320LF2407A DSP为核心的永磁同步电机驱动控制平台,分别对基于滑模观测器的磁极位置检测技术和抖振抑制措施进行了仿真研究和实验验证,实验结果和仿真结果比较吻合,验证了论文所设计的滑模观测器的正确性和可行性。
【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2007【分类号】：TM341【目录】：
Abstract4-7
第1章 绪论7-15
1.1 课题来源及研究的目的和意义7-8
1.2 永磁同步电机磁极位置检测技术综述8-12
1.2.1 直接位置检测技术8-9
1.2.2 间接位置检测技术9-12
1.3 PMSM 磁极位置检测技术中的关键问题12-13
1.3.1 基于开关霍尔的PMSM 磁极位置检测技术中的关键问题12
1.3.2 基于SMO 的PMSM 磁极位置检测技术中的关键问题12-13
1.4 论文研究的主要内容及安排13-15
第2章 PMSM 模型及磁极位置检测技术的分析15-27
2.1 引言15
2.2 PMSM 数学模型及矢量控制15-18
2.2.1 永磁同步电机的数学模型15-17
2.2.2 永磁同步电机的矢量控制策略17-18
2.3 基于开关霍尔的磁极位置检测技术的分析18-22
2.4 基于SMO 的PMSM 磁极位置检测技术的分析22-26
2.4.1 滑模变结构控制基本原理22-23
2.4.2 基于SMO 的PMSM 磁极位置检测技术23-25
2.4.3 SMO 中的抖振问题25-26
2.5 本章小结26-27
第3章 基于开关霍尔的PMSM 磁极位置检测技术的研究27-39
3.1 引言27
3.2 磁极位置估算原理27-28
3.3 磁极位置估算误差分析28-32
3.3.1 原理性误差分析28-30
3.3.2 硬件误差分析30-32
3.4 基于开关霍尔的低成本PMSM 驱动控制系统的实现32-36
3.4.1 系统硬件构成32-34
3.4.2 系统软件设计34-36
3.5 试验结果及分析36-38
3.6 本章小结38-39
第4章 基于SMO 的PMSM 磁极位置检测技术的研究39-64
4.1 引言39
4.2 基于SMO 的PMSM 磁极位置和转速估算39-48
4.2.1 磁极位置估算39-42
4.2.2 磁极初始位置检测42-43
4.2.3 电机转速估算43-44
4.2.4 仿真分析44-48
4.3 SMO 抖振的抑制48-53
4.3.1 基于FIR 滤波器的抖振抑制48-50
4.3.2 基于饱和函数法的抖振抑制50-51
4.3.3 基于扩展卡尔曼滤波器法的抖振抑制51-53
4.4 基于SMO 的PMSM 矢量控制系统的实现53-56
4.4.1 系统硬件平台的搭建53-54
4.4.2 系统软件设计54-56
4.5 实验结果与分析56-62
4.5.1 SMO 实验结果与分析57-60
4.5.2 SMO 抖振抑制措施实验结果与分析60-61
4.5.3 PMSM 无传感器双闭环运行实验结果与分析61-62
4.6 本章小结62-64
参考文献65-70
攻读硕士学位期间所发表的学术论文71-73
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【引证文献】
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陈长龙;樊贝;胡堃;;[J];微特电机;2013年03期
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周好;[D];大连理工大学;2010年
李浩;[D];哈尔滨工业大学;2011年
褚立铭;[D];大连理工大学;2011年
【参考文献】
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贵献国,徐殿国,王宗培;[J];微电机(伺服技术);1999年06期
蹇林旎;史黎明;;[J];微电机(伺服技术);2006年01期
秦峰,贺益康,刘毅,章玮;[J];浙江大学学报(工学版);2004年04期
杨贵杰,孙力,崔乃政,陆永平;[J];中国电机工程学报;2001年05期
邹继斌,徐永向,于成龙;[J];中国电机工程学报;2002年12期
徐征,李铁才;[J];中国电机工程学报;2004年01期
尚喆;赵荣祥;窦汝振;;[J];中国电机工程学报;2007年03期
【共引文献】
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李泉溪;银兵;许根山;;[J];安徽电气工程职业技术学院学报;2010年01期
杨玉东;刘保连;;[J];安徽大学学报(自然科学版);2005年06期
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吴盛英;;[J];安徽工学院学报;1993年01期
郭兴众;;[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2006年02期
丁桂晓;吴星明;刘敬猛;;[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2007年02期
赵凡;丑武胜;刘敬猛;;[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2007年03期
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