电机无位置、无速度传感器的设计.doc

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1、JIANGSUUNIVERSITY现代交流电动机的智能控制--电机无位置、无速度传感器的设计班级：电气姓名：学号:完成日期：2015年1月3日电机无位置、无速度传感器的设计【摘要】近年来，随着现代电力电子技术以及现代控制理论的飞速发展，促进了永磁同步电机无位置传感器控制技术的不断进步。无位置传感器永磁同步电机调速系统不仅具有结构简单、易维护、运行效率高、调速性能好等优点，还具有体积小、成本低、可靠性高以及能应用于一些特殊场合的特点。本文以正弦波驱动的永磁同步电动机为研究对象，采用滑模观测器的方法，研究并实现了永磁同步电机驱动控制系统的无位置传感器技术。【关键词】永磁同步电机，无位置传感器，矢量

2、控制一、永磁同步电机数学模型永磁同步电机(PMSM)的定子结构与普通感应电动机的定子一样，均为三相对称绕组结构，转子的磁路结构是它区别于其它类型电机的主要因素。为了更好的分析和控制，需要建立简便可行的永磁同步电机数学模型。永磁同步电动机是一个多输入、强耦合、非线性系统，因此其电磁关系十分复杂。为了简化分析，作出如下假设：(1)忽略磁路饱和、涡流和磁滞损耗；(2)转子上没有阻尼绕组，永磁体没有阻尼作用；(3)电机的反电势正弦，定子电流在气隙中只产生正弦分布磁势，忽略磁场高次谐波。图1为表装式永磁同步电机的结构图，为了简化，这里转子设为一对磁极结构。从图1中可知，永磁同步电机的定子绕组结构与感应电

3、机相同，三个电枢绕组空间分布，轴线互差120°电角度。这里以A相绕组轴线作为定子静止参考轴，定义转子永磁极产生的磁场方向为直轴(d轴)，则沿着旋转方向超前直轴90°电角度的位置为交轴(q轴)，并且以转子直轴相对于定子A相绕组轴线作为转子位置角θ。三相定子电流主要作用是产生一个旋转的磁场，从这个角度来说，可以用两相系统来等效，这里就引入了旋转两相dq坐标,于是得到PMSM在dq轴系的电压方程：最终得到PMSM的运动方程为：二、永磁同步电机矢量控制原理矢量控制的基本思想是在磁场定向坐标下，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两分量互相垂直、彼此独立，然后分别进行调节

4、。PMSM中，由于励磁是由永磁体转子实现，这样只需控制定子三相电流合成正交于转子直轴的转矩电流分量就可以控制电机转矩，使得PMSM的控制等效成直流电机的控制。磁同步电机矢量控制的基本思想就是建立在坐标变换及电机电磁转矩方程上的。对于表装式永磁同步电机(SPMSM)，其直轴电感和交轴电感相等，即，则转矩方程可简化为：。由上式可以看出，表装式永磁同步电机和直流电机具有相同的电磁转矩方程。由于电机极对数、永磁体磁势为常数，则对于永磁同步电机来说，可以采用类似直流电机的控制方法来控制转矩。然而，对于直流电机，由于其励磁磁场与电枢磁场正交，所以控制非常简单；对于永磁同步电机，由于通入三相交流电，三相绕组

5、耦合，同时又与转子磁场耦合，所以永磁同步电机的控制显然比直流电机控制复杂。永磁同步电机的控制关键是实现电机瞬时转矩的高性能控制。从电机数学模型看，对电机输出转矩的控制最终归结为对交轴和直轴电流的控制。对于PMSM一般采用转子磁场定向控制方式(可简写为FOC)，该方式对小容量驱动场合特别合适。对给定的电磁转矩，电机交轴和直轴电流有多种不同的组合，按照控制目标可以分为：控制、功率因数等于1控制、力矩电流比最大控制、恒磁链控制。它们各有各的特点：(1)控制是一种最简单的电流控制方式，该方法由于没有直轴电流，因此电机没有直轴电枢反应，不会产生去磁效应。电机所有电流均用来产生电磁力矩，对于表装式电机，时

6、电机电流所产生的电磁力矩最大。(2)功率因数等于1控制方法是使电机保持功率因数恒为1，从而使得逆变器的容量能得到充分的利用。但是在永磁同步电机中，由于转子励磁不能调节，在负载变化时，转矩绕组的总磁链无法保持恒定，所以电枢电流和转矩之间不能保持线性关系。(3)力矩电流比最大的控制是在电机输出给定力矩的条件下，使定子电流最小的控制方法。该方法减小了电机的铜损，有利于逆变器开关器件的工作，减小逆变器的损耗。在该方法的基础上，采用适当的弱磁控制方法，可以改善电机高速时的性能，缺点是功率因数随着输出转矩的增大下降较快。对于表装式永磁同步电机，本控制方式就是控制方式。(4)恒磁链控制方法就是控制电机定子电

7、流，使气隙磁链与定子交链磁链的幅值相等。这种方法可以获得比较高的功率因数，在一定程度上提高了电机的最大输出转矩，但仍存在最大输出转矩的限制。以上各种电流控制方法各有特点，适用于不同的运行场合。采用的矢量控制方式，可以得到SPMSM的线性状态方程：三、控制系统整体方案设计无位置传感器永磁同步电机矢量控制系统的结构如图2所示，它主要由主电路和控制电路组成。主电路包括整流滤波电路以及功率驱动电路，其中功