两类永磁电机的无传感器控制方法研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.89MB 54 页 15积分

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摘要

永磁同步和无刷直流电机以其结构简单、体积小、效率高、运行可靠、维护方便

等优点，在生产和生活的各个领域都有着广泛的应用。然而，为获得准确的转子位置

与速度信息以实现电机高性能的闭环控制，常常需要在电机转子上安装位置或速度传

感器。传感器的安装一方面增加了系统成本，另一方面使得系统的复杂度提高从而导

致系统的可实现性降低，甚至在一些恶劣的环境下传感器会失去作用。因此，电机的

无传感器控制方法研究就显得非常有必要。

本论文首先介绍了永磁同步和无刷直流电机的两种主流控制策略——矢量控制和

直接转矩控制，随后针对永磁同步电机和无刷直流电机当前海内外学者提出的无传感

器控制方法进行了详细论述，并逐一指出原理和优点以及局限性。

其次，本文对永磁同步和无刷直流电机的两种无传感器控制方法进行了深入地研

究。论文中首先研究的是滑模变结构模型参考自适应方法，本方法是将模型参考自适

应系统与滑模变结构的思想相结合，使得原系统可以更好地处理电机的非线性现象，

并且针对滑模变结构方法中存在的抖振缺点提出了一点改进措施，将原来变结构控制

中使用的开关函数替换成了双歪曲函数，从而在一定程度上减小了抖振。接着，本论

文将比例修正最小偏度单形采样无迹卡尔曼估计方法应用于无刷直流电机上。并且将

其与一般无迹变换相比，运算量较小但估计精度较高的最小偏度单形采样运用到无迹

卡尔曼中。此外，一种比例修正方法被用来克服单形采样中有可能出现的非局部效应。

另一方面，为了控制的简便，原先分段的反电动势函数被一系列正弦和余弦函数展开，

从而避免了判断电角度的区间。最后，本论文还将无迹卡尔曼估计方法引入到永磁同

步电机控制系统中，仿真结果证实该法的估计精度较高，使得控制系统运行稳定。

关键词：永磁同步电机无刷直流电机滑模变结构模型参考自适应

比例修正最小偏度单形采样无迹卡尔曼 MATLAB/Simulink

ABSTRACT

Recently years, the permanent magnet synchronous motor (PMSM) and the permanent

magnet brushless DC motors (PMBLDCM) have been widely employed in our life and

industrial control because of their several inherent advantages of simple structure, small,

high efficiency, high reliability and convenient maintenance. Generally speaking,

high-precision and high-resolution sensors are necessary to obtain accurate position and

speed information to control PMSM or PMBLDCM precisely. However, the applications of

position sensors inevitably increase the cost of system and decrease the reliability. In

addition, position sensors are quite sensitive to the environments, even in the conditions of

high temperature and high humidity they can't work properly. Therefore, a lot of researchers

have paid their considerable attentions to sensorless control of PMSM or PMBLDCM and

many excellent control techniques have been explored.

First of all, this paper introduces the vector control as well as the direct torque control

which are the main two methods of the application of PMSM or PMBLDCM, and a number

of sensorless control methods for PMSM or PMBLDCM have been discussed in some detail

including their merits and demerits.

Moreover, in this paper, two kinds of sensorless control methods for PMSM and

PMBLDCM have been studied deeply. The first research about the sensorless control is

variable-structure model reference adaptive system which is the conbination of the variable

structure control and the model reference adaptive control, and it leads to a strong non-linear

processing ability of the system. Then, an observer is designed to identify the speed of

PMSM based on a variable-structure model reference adaptive system, in which a sigmoid

function with an adaptive gain is applied to replace the conventional signum function to cope

with the chattering problem caused by the discontinuous switch function. In addition, a

sliding mode speed regulator is developed to overcome the limitations of traditional PI

scheme. Secondly, in this paper, a scale-corrected minimal skew simplex sampling

Unscented Kalman filter (UKF) algorithm for BLDCM sensorless control has been studied to

cancel the position sensor by use of a systematic and analytical approach. Compared with

general UKF, to reduce amount of computation and increase the estimation precision, the

sampling method with the least Sigma points called minimal skew simplex sampling is

adopted. Moreover, the scale-corrected strategy is introduced into the minimal skew simplex

sampling UKF to overcome the nonlocal effects. On the other hand, for more easily to

calculate the value of back-EMF, the shape function of counter electromotive force is

approximated by a series of sine and cosine functions based on the law of Fourier series. In

the end, UKF has also been introduced into the PMSM control system, and the simulation

results show the correctness and the affectivity of the proposed method.

Key Words: Permanent Magnet Synchronous Motor, Brushless DC Motor,

Variable-structure Model Reference Adaptive System,

Scale-corrected Minimal Skew Simplex Sampling UKF,

MATLAB/Simulink.

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论……………………………………………………………………………….1

1.1 课题研究的背景和意义 ……………………………………………………...……..1

1.2 永磁无刷电机的两类控制策略概述 ……………………………………………….2

1.2.1 矢量控制 ……………………………………………………………………...2

1.2.2 直接转矩控制 ………………………………………………………………...2

1.3 永磁无刷电机的无传感器控制策略概述 ………………………………………….3

1.3.1 永磁同步电机的无传感器控制方法 ………………………………………...3

1.3.2 无刷直流电机无传感器控制方法 …………………………………………...5

1.4 课题的主要研究内容 ……………………………………………………………….6

第二章基于滑模变结构模型参考自适应的永磁同步电机速度估算 …………………...7

2.1 永磁同步电机简介及变结构模型参考自适应方法概述 ………………………….7

2.1.1 永磁同步电机简介 …………………………………………………………...7

2.2.2 变结构模型参考自适应方法概述 …………………………………………...7

2.2 模型描述 …………………………………………………………………………….9

2.3 转速估计器和速度调节器的设计 ………………………………………………...11

2.3.1 转速估计器设计 …………………………………………………………….11

2.3.2 速度控制器设计 …………………………………………………………….12

2.4 仿真结果及分析 …………………………………………………………………...15

2.5 本章小结 …………………………………………………………………………...18

第三章基于比例修正最小偏度单形采样无迹卡尔曼滤波的无刷直流电机无速度传感

器控制………..……………………………………………………………………………...19

3.1 无迹卡尔曼简述 …………………………………………………………………...19

3.2 无刷直流电机模型描述 …………………………………………………………...20

3.3 基于比例修正最小偏度单形采样的无迹卡尔曼 ………………………………...25

3.3.1 最小偏度单形无迹变换 ………………………………………………...…..25

3.3.2 比例修正无迹变换 ………………………………………………………….26

3.3.3 整个算法的流程 …………………………………………………………….27

3.4 无刷直流电机离散时间模型 ……………………………………………………...28

3.5 仿真结果及分析 ……………………………………………………………….....31

3.6 本章小结 …………………………………………………………………………...34

第四章基于对称采样无迹卡尔曼滤波的永磁同步电机无速度传感器控制……..…….35

4.1 本章简述 …………………………………………………………………………...35

4.2 对称采样无迹卡尔曼 ……………………………………………………………...35

4.2.1 对称采样 …………………………………………………………………….35

4.2.2 算法的总流程 ……………………………………………………………….36

4.3 基于该算法的永磁同步电机离散时间模型 ……………………………………...37

4.4 仿真实验 …………………………………………………………………………...39

4.5 本章小结 …………………………………………………………………………...41

第五章结论与展望 ……………………………………………………………………….42

5.1 结论 ………………………………………………………………………………...42

5.2 展望 ………………………………………………………………………………...43

参考文献 …………………………………………………………………………………...46

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ………………………………...50

致谢 ……………………………………………………………………………………...52

第一章绪论

1.1 课题研究的背景和意义

在当今社会中，电动机作为将电能转换为机械能的执行机构，已经被运用到

国民经济，国防航空，日常生活等各个领域中。早在 19 世纪到 20 世纪中叶，直

流电机以其控制简单以及机械特性好的优点被广泛应用于各种电气传动场合。然

而，直流电机通过换向器和电刷进行换向，容易造成碳刷磨损严重，容易损坏等

问题，严重时会造成工业事故。随后，感应电机因相比直流电机坚固耐用，可靠

性高等特点，而被大量使用，但是其闭环控制策略比较复杂，并且控制性能易受

外界环境的影响。

近年来，伴随着现代电子技术、控制理论、电机制造和永磁材料的飞速发展

而出现了一种新型机电一体化电机，永磁电机。永磁电机以其使用时间长，维护

方便，电磁噪声小，功率因数高，体积小重量轻等突出优点，在军事、汽车系统、

航天及现代装备等领域得到大量应用。永磁电机根据永磁体励磁磁场在定子感应

出的反电势波形不同，通常可以分为两种，一种是梯形波反电动势的永磁无刷直

流电机，另一种是正弦波反电动势的永磁同步电机，并且这两种电机的本体及其

控制电路的成本基本相当。无刷直流电机相比永磁同步电机而言，其控制策略相

对简单，其牵引力相对永磁同步电机较高，并且其检测装置相对简单，由此降低

了系统成本。但是，永磁无刷直流电机的定子绕组电流不是矩形波，只能得到梯

形波电流，由此会使得振动噪声较大，转矩脉动加大等问题，因此永磁无刷直流

电机只能运用于相对性能精度要求不是很高的伺服驱动系统。永磁同步电机转矩

平稳，控制精度高，噪声低，但是其控制算法相对较复杂，不过随着高性能数字

信号处理器的高速发展和计算机技术的进步，控制算法的复杂程度已不再是制约

其应用的关键因素，现如今永磁同步电机已是高精度交流伺服驱动系统的首选。

无论如何，无刷直流电机和永磁同步电机都在各自擅长的领域发挥着无可替代的

作用。

不管是由无刷直流电机还是由永磁同步电机构成的高性能电气传动系统中，

要想实现精确的闭环自控式调速，必须要获得电机精确的转子位置和速度信息。

在传统的电机控制方案中，要想获得这些信息必须安装位置传感器，如今，常用

的传感器有旋转变压器，磁性变压器，光电式编码器，霍尔传感器等，但是，机

械式传感器会给整个系统带来许多不利的地方，比如增加了系统成本，体积，降

低了电机运行的可靠性，甚至在一些恶劣的环境下传感器无法工作。为了克服上

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摘要永磁同步和无刷直流电机以其结构简单、体积小、效率高、运行可靠、维护方便等优点，在生产和生活的各个领域都有着广泛的应用。然而，为获得准确的转子位置与速度信息以实现电机高性能的闭环控制，常常需要在电机转子上安装位置或速度传感器。传感器的安装一方面增加了系统成本，另一方面使得系统的复杂度提高从而导致系统的可实现性降低，甚至在一些恶劣的环境下传感器会失去作用。因此，电机的无传感器控制方法研究就显得非常有必要。本论文首先介绍了永磁同步和无刷直流电机的两种主流控制策略——矢量控制和直接转矩控制，随后针对永磁同步电机和无刷直流电机当前海内外学者提出的无传感器控制方法进行了详细论述，并逐一指出原理和优点以...

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