永磁同步电机无传感器控制仿真研究

介绍了高频信号注入法在永磁同步电机无传感器控制系统中的实现,采用矢量控制策略和电压空间矢量脉宽调制技术,构建了永磁同步电机无传感器控制系统的电流、转速双闭环控制模型,基于外差法设计了转子位置观测器,完成了对电机转子信息的获取,并在MATLAB/Simulink环境下进行了系统的仿真分析.仿真结果证明,该方法能够准确估计转子信息,且能满足矢量控制的要求.     

载波注入的无传感器PMSM转子自测角研究

提出一种基于载波电压信号注入的新型无传感器永磁电机转子自测角原理,将电机本体作为旋变器,向电机绕组中注入载波电压激励信号．在分析载波电压信号激励下永磁同步电机数学模型的基础上,研究了基于凸极跟踪转子位置的自测角方法．讨论了载波信号的注入、提取以及包含转子位置信息的高频负序电流的外差处理技术．采用仿真结果进行了分析,通过旋变器的实测结果验证了其正确性．仿真结果表明,以此机理实现的永磁同步电机无传感器控制具有很好的鲁棒性,同时具有良好的静、动态性能．     

载波注入的无传感器PMSM转子自测角研究

提出一种基于载波电压信号注入的新型无传感器永磁电机转子自测角原理,将电机本体作为旋变器,向电机绕组中注入载波电压激励信号.在分析载波电压信号激励下永磁同步电机数学模型的基础上,研究了基于凸极跟踪转子位置的自测角方法.讨论了载波信号的注入、提取以及包含转子位置信息的高频负序电流的外差处理技术.采用仿真结果进行了分析,通过旋变器的实测结果验证了其正确性.仿真结果表明,以此机理实现的永磁同步电机无传感器控制具有很好的鲁棒性,同时具有良好的静、动态性能.     

永磁同步电机全速范围内无传感控制策略研究

目的 为了提高自动化包装生产线的产品效率和质量,改善永磁同步电机无速度传感器矢量控制系统的性能,针对电机运行于低速时反电动势不易检测以及高速位置精度较低的问题,设计一种基于高频方波注入法和改进滑模观测器的复合观测器。方法 在低速时采用高频方波信号注入法来实现对转子位置信息的估计,在中高速时采用改进的滑模观测器来估计转子位置,通过引入双边界层切换函数和可变滑模增益来加快收敛速度和减小抖振,同时设计基于单神经元PI的锁相环用来解析转子信息,进而提高速度和位置,估计精度。结果 通过与单一的算法进行对比分析,发现复合观测器的位置估算精度得到了提高。结论 Matlab/Simulink仿真实验以及实物验证结果表明,和传统的算法相比,该算法具有位置估计精度高、鲁棒性好等优点。     

分布式驱动用永磁同步电机电磁转矩的解析计算

针对分布式驱动电动汽车车身阶次振动和车内噪声的主要振源—外转子表贴式永磁同步电机6k阶（ ）转矩波动,提出了一种分布式驱动用永磁同步电机电磁转矩的解析计算方法。基于永磁同步电机磁场畸变,对永磁磁极在均匀气隙中的径向分量进行了傅里叶级数分解,通过磁链、电压的计算,最终得到电磁转矩的解析解,为永磁同步电机的阶次振动与振源识别提供了理论基础。当不考虑电流谐波的影响时,对电磁转矩做了阶次分析,论证了由永磁体磁场谐波引起的电磁转矩波动频率是电源频率的6k倍频。最后,通过有限元计算验证了该解析计算结果。     

基于高频信号注入的IPMSM转子初始位置估计

永磁同步电机转子初始位置的准确检测是其可靠起动的必要保证。对基于高频信号注入的PMSM转子初始位置估计方法进行研究,分析旋转高频电压注入法的原理,并进行仿真验证。结果表明该方法可以在负载条件下准确地估计内嵌式永磁同步电机的转子初始位置。     

电机无速度传感器控制技术在包装生产线中的应用

目的 为提高自动化包装生产线的产品效率和质量,简化传动系统结构,改善永磁同步电机控制系统性能。方法 提出一种基于滑模观测器的无速度传感器控制技术,建立永磁同步电机数学模型。在此基础上,设计一种滑模自适应观测器,可用于观测定子电流和转子磁链,同时给出一种I/F启动策略。通过仿真和实验对系统性能进行验证。结果 仿真和实验结果表明,所述控制方法不仅可以解决电机启动问题,而且采用滑模观测器能够较好地实现转速跟踪,进而确保转子位置准确性。在实际应用中,可将横封横切机构的切点偏差控制在0.4mm以内,平均偏差只有0.2mm。结论 无速度传感器控制系统具有响应速度快、调速性能好、鲁棒性强等特点,可以确保电机速度、位置控制精度,进而降低整个控制系统的冗余性、不稳定性,适合包装、仿真、印刷等场合使用。     

电动车用永磁同步电机的转矩阶次特征分析

针对电动汽车车身阶次振动和车内噪声的主要振源—永磁同步电机的转矩波动,首先通过转矩测量试验测得了电机24阶以内的动态、高阶转矩信号,分析与揭示了永磁同步电机转矩信号的阶次特性现象;为解释该试验现象,从理论上建立了一种考虑非正弦永磁磁场分布、开槽、时间谐波电流的永磁同步电机转矩波动数学模型,获得了谐波转矩的解析解,预测了转矩波动的阶次与频率,进而提出了试验测量动态、高阶转矩信号的转速判据。试验研究和理论研究表明：永磁同步电机的转矩具有明显的阶次波动特征,主要阶次有h-1、2（h-1）、6i+h-1、 6i-h+1阶（h∈N,且由变频器决定;i∈N）;h次时间谐波电流将单独引起h-1、2（h-1）阶的转矩波动,h次时间谐波电流、非正弦永磁磁场分布、开槽将共同引起6i+h-1、6i-h+1阶的转矩波动。     

考虑时间谐波电流的永磁同步电机电磁噪声阶次特征分析

针对分布式驱动电动汽车主要噪声源-永磁同步电机电磁噪声,通过噪声测试实验测得了电机噪声信号,实验结果表明:电磁噪声具有明显的阶次特征,主要阶次不仅包含了偶数阶、开关频率附近阶次,还包含了大量奇数阶,甚至以往研究中被当做信号毛刺而忽略的分数阶。为解释该实验现象,通过磁势磁导法得到考虑时间谐波电流的气隙磁场分布,应用麦克斯韦张量法获得了电磁径向力波,并沿外转子内表面应用复合柯特斯公式对径向力波积分,求得了具有6阶代数精度的电磁径向集中力,进而应用圆柱壳体理论建立了一种考虑时间谐波电流的永磁同步电机电磁噪声数学预测模型,预测了变频器供电时永磁同步电机电磁噪声的特征阶次:2hi、2hj、2(2μ-1)、(hi±hj)、(2μ-1±hi)、(2μ-1±hj)[hi、hj为时间谐波电流阶次,μ∈N*]。当hi或hj是分数时,电磁噪声将出现分数阶特征频率。经过与实验结果对比,本模型能精确预测和解释永磁同步电机电磁噪声的特征阶次。     

双碰摩故障转子系统碰摩位置定量诊断方法

利用谐波平衡法中谐波分量的特征分析双碰摩故障转子系统的动力学特性,以碰摩故障转子系统响应的谐波分量与无故障转子系统频率响应函数矩阵中对应元素成比例为依据,利用原无故障转子系统和发生双碰摩故障后的转子系统三点响应中任意一阶谐波分量之差,提出了双碰摩故障转子系统碰摩位置的定量诊断方法。通过碰摩故障前后转子三个测点的振动响应数据就可以分别确定双碰摩故障转子系统的两个碰摩位置,并采用数值模拟仿真实验验证了方法的正确性和可行性。     

基于TLESO/HLESO/RLESO的PMSM调速系统研究

为了提高永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor,PMSM）调速系统的抗扰动和噪声抑制能力,针对PMSM转速环设计了3种线性自抗扰控制器（linear active disturbance rejection control,LADRC）,即传统线性自抗扰控制器（traditional LADRC,TLADRC）、高阶线性自抗扰控制器（high-order LADRC,HLADRC）和降维线性自抗扰控制器（reduced-order LADRC,RLADRC）。各LADRC的区别在于线性扩张状态观测器（linear extended state observer,LESO）的不同,即传统线性扩张状态观测器（traditional LESO,TLESO）、高阶线性扩张状态观测器（high-order LESO,HLESO）和降维线性扩张状态观测器（reduced-order LESO,RLESO）。采用叠加原理对各LADRC控制转速环的稳定性进行了证明,同时对各LESO的收敛条件进行了分析。通过对各LESO的频域分析可得出：TLESO的相位滞后最大,其扰动估计能力最弱;HLESO在中高频段的幅值增益最大,其鲁棒性最差;RLESO相位滞后最小,扰动估计能力最强。最后,在MATLAB/Simulink环境下,对各LADRC控制的转速环进行仿真,仿真结果验证了频域分析的结论,即TLADRC在抗扰动时转速曲线有最大的转速降,HLADRC在抗扰动时转速曲线有振荡,而RLADRC同时具有优良的抗扰能力和抑制噪声能力。所得出的结论可为LADRC应用中LESO的选取提供有力的支持,为PMSM调速系统的优化设计提供理论依据。     

Initial rotor position estimation and sensorless direct torque control of surface-mounted permanent magnet synchronous motors considering saturation saliency

For a practical direct torque-controlled (DTC) permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive system, the information of the initial rotor position, which is usually obtained by a mechanical position sensor, is essential for starting under the full load. To avoid the disadvantages of using mechanical position sensors, great efforts have been made on the development of sensorless control schemes. An initial rotor position estimation strategy is presented for a DTC PMSM drive based on a nonlinear model of PMSM incorporating both structural and saturation saliencies. In the new scheme, specially designed high-voltage pulses are applied to amplify the saturation saliencies. The peak currents corresponding to the voltage pulses are used, in combination with the inductance patterns, to determine the d-axis position and the polarity of the rotor. The presented initial rotor position identification strategy has been implemented in a sensorless DTC drive for a surface-mounted PMSM. Experiments are conducted to confirm the effectiveness of the method and the performance of the drive system.     

Rotor Position Estimation for Permanent Magnet Synchronous Machines using Electromotive Force and Anisotropy Using Extended-Kalman-Filter

In this paper a new rotor position observer for permanent magnet synchronous machines (PMSM) based on an Extended-Kalman-Filter (EKF) is presented. With this method, just one single EKF is sufficent to evaluate the position information from electromotive force (EMF) and anisotropy. Thus, the PMSM can be controlled for the entire speed range without a position sensor and without the need to switch or synchronize between different observers. The approach covers online estimation of permanent magnetic field and mechanical load. The resulting EKF-based rotor position estimator is embedded in the existing cascaded control concept of the PMSM without need of additional angle trackers or signal filters. The experimental validation for the position sensorless control shows optimized dynamic behaviour.

     

Sensorless permanent-magnet synchronous motor drive using a reduced-order rotor flux observer

A sensorless permanent-magnet synchronous motor (PMSM) drive is developed. A second-order Luenberger observer is used to estimate the position of the rotor flux and hence the rotor speed. The observer is computationally efficient as it has a simple structure and does not involve mechanical parameters. An integral-feedback method is adopted for the estimation of the rotor speed. The inner current loop is realised using a decoupling and diagonal internal model control algorithm. Details of the sensorless control system are given and the feasibility of the proposed method is verified through simulation and experiments. Satisfactory estimation accuracy is obtained even when the drive operates at very low speeds and also during rotor speed reversals.     

基于改进樽海鞘群算法的PMSM变论域模糊控制

目的 为提高自动化包装流水线的生产效率,针对永磁同步电机PI控制器参数无法适时调整而引起的稳态误差较大、抗干扰性差等问题,提出一种基于改进樽海鞘群算法的新型变论域模糊控制器。方法 通过游走策略和变异分布策略对樽海鞘群智能算法的位置更新进行改进,同时加入过界个体的加权位置修正与劣势个体二次迁移,并将优化后的算法与变论域模糊PI控制器相结合,用于调节伸缩因子,以获得对永磁同步电机更好的控制效果。结果 仿真表明,文中改进后的控制器较传统PI控制器有效减小了静态误差;同时优化后的控制器令PMSM在变速和变载工况下响应更快,较改进前的樽海鞘群算法作用下PI控制器在变速和变载工况下的超调量分别降低约21.35%和62.85%。结论 算法优化伸缩因子后得到的变论域模糊控制与其他控制相比,更有效地提高了系统的鲁棒性,改善了系统的控制性能,减小了损耗。     

基于新型趋近律的永磁同步电机动态性能优化

目的 提高永磁同步电机作业时的响应精度和速度,优化其动态反馈性能,解决传统滑模控制中趋近时间与系统抖振相矛盾的问题。方法 采用三闭环控制结构,位置环与电流环采用模糊PID控制方法,速度环采用基于新型趋近律的改进滑模控制方法,添加扰动观测器并给予系统扰动补偿。结果 仿真与在环硬件测试结果表明,文中提出的控制方法与传统三闭环滑模控制相比,相同时间内电机转子位置响应速度提前了0.123 s且无超调,同时明显降低了电磁转矩波动幅度。结论 文中设计的新型趋近律有效改善了传统滑模控制存在的问题,建立的控制系统有效提高了永磁同步电机的响应精度和速度,削弱了永磁同步电机作业时的抖振程度,具有良好的鲁棒性。     

基于自抗扰控制的直流微电网双向Buck-Boost变换器控制策略研究

为了降低直流微电网母线电压的波动,提出基于自抗扰控制的双向Buck-Boost变换器控制策略。运用直流母线电压外环、直流变换器电感电流内环的控制方法实现直流微电网与储能系统之间的能量双向流动。进一步提出基于扩张状态观测器观测输出总扰动,包括负载电流和母线电压的变化,在负载扰动电流影响系统的直流母线电压最终输出前,主动从外环被控对象的输入信号电感电流或输出信号母线电压中提取扰动信息,然后尽快用控制信号将其消除,从而大大降低其对被控量的影响,以有效抑制暂态直流母线的电压波动和冲击,在母线电压产生波动时能够快速恢复到正常的工作状态。仿真验证表明:储能系统可以通过控制策略实现能量的双向传递,并且当母线产生功率波动和电流冲击时,储能系统可以使直流母线电压稳定,提高了系统的可靠性。