永磁同步电机无位置传感器矢量控制

电动汽车永磁同步电机无位置传感器矢量控制研究•PART01•PART02•PART03•PART04•PART05•背景与意义•永磁同步电机矢量控制系统控制器设计•基于自适应二阶滑模观测器的中高速段无传感器矢量控制•基于脉振高频方波信号注入法的低速段无传感器矢量控制•结论及展望目录CONTENTS01PARTONE背景与意义01研究背景01研究背景电机类型比较项目直流电机异步电机开关磁阻电机永磁同步电机功率密度（kW/kg）差好好很好转矩稳定性能低速好好一般很好高速好很好一般很好可靠性差很好很好好NVH（振动噪声舒适性）一般很好一般很好运行效率差好好很好高效率（85%）运行区所占比例——高高很高不同类型电机特点比较部分新能源汽车驱动电机类型列表国家车型类型电机类型日本丰田Pruis混合动力汽车永磁同步电机本田Insight混合动力汽车永磁同步电机本田思域混合动力汽车永磁同步电机日产聆风纯电动永磁同步电机美国特斯拉models纯电动异步感应电机雪佛兰Volt纯电动永磁同步电机德国宝马i3混合动力汽车永磁同步电机大众e-up纯电动永磁同步电机01研究意义性能不稳定机械位置传感器在实际应用中存在的问题同心度问题成本较高降低可靠性无位置传感器控制技术×位置传感器定子绕组转子磁铁01研究现状无位置传感器控制中高速段——基波数学模型法低速（零速）段——高频信号注入法在两相静止坐标轴下，SPMSM的电流状态方程：00+cos2sin2=sin2cos2sinsin2cos2+2coscos2sin2rrrrfrrrsrrfrrrdiuLLLdtudiLLLdtiiLLRiiLL在两相静止坐标轴下，PMSM的电压方程：方法特点旋转高频注入法适用于凸极率较大的PMSM（结构性凸极）对电机参数摄动不敏感、抗扰动能力强脉振高频注入法适用于凸极率较小PMSM（饱和性凸极）注入的高频信号为正弦信号，需要使用多个滤波器来实现信号分离。1111ssssssssdiRiuedtLLLdiRiuedtLLL=sin=cosrfrrfree方法特点滑模观测器法优点：算法简单、鲁棒性好；缺点：存在滑模抖振。模型参考自适应法优点：抗扰能力强；缺点：对模型参数的准确度依赖较大。扩展卡尔曼滤波法优点：能够抑制测量噪声和系统噪声；缺点：计算量大、复杂度高。估计的参数中存在高频噪声，必须使用滤波器。PMSM矢量控制框图电流环控制器转速环控制器PI三相逆变器SVPWMPIPIPMSM,dqabcreldcU机械位置传感器*rr*0dsibiaiiidsiqsi*qsiuu,dq主要工作①改进了转速环控制器和电流环控制器，提高了系统抗扰动能力。无位置传感器控制01③在低速段，研究了两种基于无滤波器信号分离策略的脉振高频方波电压注入法。创新点：采用方波信号注入，实现了无滤波器信号分离，提高了转子位置估计精度。②在中高速段，研究了一种具有电机参数在线估计的基于自适应二阶滑模观测器的转子位置检测方法。创新点：有效抑制了滑模抖振，避免了滤波器的使用，提高了转子位置估计精度。④针对全速范围内的无位置传感器控制，研究了一种复合控制算法。02PARTTWO永磁同步电机矢量控制系统控制器设计02PMSM基于PI调节器的矢量控制系统PMSM矢量控制框图电流环控制器转速环控制器没有摆脱对电机模型和参数的依赖，当扰动过大时，其无法满足调速要求。PI三相逆变器SVPWMPIPIPMSM,dqabcreldcU机械位置传感器*rr*0dsibiaiiidsiqsi*qsiuu,dq仅实现了静态解耦，并没有消除动态耦合关系。+++1ssRsLrsL--duqurfrsL1ssRsLdiqi耦合项02电流环控制器设计为了观察电机d-q轴电流的耦合影响，进行了仿真分析。图所示的工况为初始转速为零，在0.2s时刻转速阶跃给定为0-300rad/s，在0.4s时刻给定300-600rad/s的转速阶跃，在0.6s时刻给定600-900rad/s转速阶跃。转速阶跃给定时dq轴电流瞬态波形随着转速的升高，交直轴电流的动态过渡过程越来越长。02电流环控制器设计sCsGˆsGsYsU--*sY+sCsGˆsGsYsU-sF*sY+内模控制框图内模等效控制框图其中：为内模控制器，为控制系统的输入给定，为控制系统的输出，为被控对象，sC*sYsYsGˆsG其等效控制器为：1ˆs=-sssFICGC为内模模型。内模控制器可以设计为：11s=ss=ss+ICGLGPIdec+00sss=s+s=+0+0sssrsssrssRLLRLLFFF电流环等效控制器为：反对角线积分项对交叉耦合项起到了补偿作用。未解耦的dq轴电流波形解耦后的dq轴电流波形结论：表明q轴上的电流波动对d轴电流无影响，实现了dq轴电流的解耦。02仿真对比研究a)电机恒转矩运行，转速突变。基于传统PI调节器的仿真结果本文所设计的复合控制器的仿真结果波动幅度高达+23N•m波动幅度为+19N•m结论：表明本文所设计的复合控制器在转速突变时能够实现高性能的矢量控制。02仿真对比研究b)电机恒转速运行，负载突变。基于传统PI调节器的仿真结果本文所设计的复合控制器的仿真结果波动幅度高达-80rad/s给定电气角速度400rad/s，初始负载转矩5N•m，t=0.2s时提高到15N•m，t=0.4s时降低到10N•m。波动幅度只有-10rad/s结论：表明本文所设计的复合控制器抗扰动能力强，稳速效果好。03PARTTHREE基于自适应二阶滑模观测器的中高速段无传感器矢量控制定子电流估计电流误差估计反电动势估计Super-Twisting定子电阻估计+-+-,uu,ii,iiˆˆ,ii,,,ee转子速度估计ˆrˆˆ,eeˆsR,ii转子磁链估计电磁转矩估计++负载转矩项估计转子位置估计,,qdqiiuˆˆ,eeˆfˆeT1ˆTˆr观测器结构框图自适应二阶滑模观测器位置跟踪观测器03自适应二阶滑模观测器设计定子电流估计+-,uu,ii,iiˆˆ,iiˆsRˆˆ,ee①建立定子电流状态估计方程：ˆˆ11ˆˆˆˆ11ˆˆssssssssdiRiuedtLLLdiRiuedtLLL其中：符号“”代表估计值，“”代表误差值。11ssssssssdiReiudtLLLdieRiudtLLL电机的电流状态方程：03自适应二阶滑模观测器设计电流误差估计Super-Twisting+-,ii,,,eeˆ1+ˆ1+ssssssssssdiRRiidtLLLdiRRiidetLLLe②根据电流误差状态方程建立二阶滑模观测器方程：1/12/21221sgn()sgn(ˆsgn()1ˆ1s)+gn()ssssssssssdRRiidtLLLdRRiidkkkdtLLktLdtT()0Sx选择滑模超平面。==ii③用等效控制法来获得：,ee1/2121/212=sgn()+sgn()=sgn()+sgn()ekkdtekkdt收敛时ii其中：其中：，，。03自适应二阶滑模观测器设计④采用模型参考自适应法估计反电动势：反电动势估计,ee转子速度估计ˆrˆˆ,ee参考模型rr0-==0sesededtAee可调模型ˆ1ˆˆ=+sessssdidtLAeeerr0-=0eArrˆ0-ˆ=ˆ0eATseee⑤采用李亚普诺夫方程进行稳定性分析：选取李亚普诺夫函数如下:2T21111=+++2222TcssrssVRseeii若，则系统稳定。0cdVdt＜ˆˆˆrdeeeedtˆ11=sssdRiiiidtLL修正s为拉普拉斯运算符。ipˆˆˆ)rKKeeees（+）(''ip11ˆ=()sssKRKiiiisLL（+）其中，pK、'pK为比例系数，iK、'iK为积分系数，s为拉普拉斯运算符。03仿真对比研究0a)电机恒转矩运行，转速突变。传统SMO仿真波形图ASMO仿真波形图转速估计到的转速中不含高频噪声03仿真对比研究0a)电机恒转矩运行，转速突变。传统SMO仿真波形图ASMO仿真波形图反电动势估计到的反电动势中不含高频噪声03仿真对比研究0a)电机恒转矩运行，转速突变。传统SMO仿真波形图ASMO仿真波形图转子位置估计到的转子位置角中不含高频噪声结论：本文提出的转子位置检测方法有效地抑制了滑膜抖振，估计到的所有参数中均不含高频噪声。03仿真对比研究b)电机恒转速运行，负载突变。①实际转子角速度与估计转子角速度②实际转子位置角与估计转子位置角负载转矩突变时的STA-ASMO仿真波形图结论：在负载突变时，本文提出的观测器也能准确地估计出电机的转速和位置。04PARTFOUR基于脉振高频方波信号注入法的低速段无传感器矢量控制04传统脉振高频正弦电压信号注入法PISVPWMPIPIPMSM,dq*rr*0dsiiidsiqsi*qsiuu,dqabcBPFLPF位置跟踪观测器UcoshhtLPF2sinhtˆrˆrdcUraibiˆrαβdqˆdˆqOrˆr实际同步旋转坐标系与估计同步旋转坐标系示意图传统脉振高频信号注入法原理框图ˆˆUcos=0hhdhqhutuˆˆd-q向轴注入如下电压信号：会限制电流控制器的带宽，降低双闭环矢量控制系统的动态响应性能。对位置跟踪观测器造成时间延迟，使得估计出的转子位置存在滞后现象。ˆ022ˆ0cos2Usin=sin2dhrhhqhrhiLLtiLLL04无滤波器信号分离策略包络检波器位置跟踪观测器BPFsincosI、abcˆrrfihiiLPFabci信号分离过程框图fhfh1=+=kkiiiiii幅值相等、符号相反fh=+iiiTPWMT方波kk-1三角载波采样时刻基波分量高频分量保持不变f1+=2kkkiiih1=2kkkiii位置跟踪观测器1/z+++包络检测器12ihifiˆrcossinI、改进后的信号处理过程框图04仿真对比研究传统脉振高频正弦电压注入法仿真结果方波电压注入估计同步旋转坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果方波电压注入静止坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果稳态时，估计出的转速较为平滑04仿真对比研究传统脉振高频正弦电压注入法仿真结果方波电压注入估计同步旋转坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果方波电压注入静止坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果估计到的转子位置存在明显滞后结论：所提出的基于无滤波器信号分离策略的方波信号注入法所估计出的转