无速度传感器技术PPT课件.ppt

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1、无速度传感器技术无速度传感器技术 王王 军军交流传动系统交流传动系统 在在高性能高性能的交流传动系统中，的交流传动系统中，高精度的位置高精度的位置和和速度传感速度传感器是必器是必不可少不可少的的.Data交流传动控制系统交流传动控制系统 为了实现高精度、高动态性能的速度和位置控制，为了实现高精度、高动态性能的速度和位置控制，交流传动系统一般采用以下两种控制策略交流传动系统一般采用以下两种控制策略:磁场定向磁场定向矢量控制矢量控制：通过：通过坐标变换坐标变换，将定子电流，将定子电流（矢量）分解为（矢量）分解为励磁电流分量励磁电流分量与与转矩电流分量转矩电流分量（标量（标量），实现电机），实现电机

2、磁通和转矩的解耦控制磁通和转矩的解耦控制。直接转矩控制直接转矩控制：通过检测电机定子电压和电流，：通过检测电机定子电压和电流，借助借助电压空间矢量电压空间矢量计算电机的磁链和转矩，并根据与计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得的差值，采用给定值比较所得的差值，采用bang-bangbang-bang（两位）控两位）控制，实现制，实现磁链和转矩的直接调节磁链和转矩的直接调节。r rUsbUsaC Co oo or rd di i-n na at te eT Tr ra an ns s-f fo or rmma a-t ti io on nF Fi ie el ld dS St ta at

3、to or rP PWWMMCurrentiSaCurrent iSbUsqUsdi -controlsdi -controlsqw w-controlrefw wsdiisqw wPMSMPMSMCoordinateCoordinateTransformationTransformationPosition异步电机的矢量控制框图异步电机的矢量控制框图异步电机直接转矩控制框图异步电机直接转矩控制框图传感器传感器电压和电流传电压和电流传感器感器转子位置和速度转子位置和速度传感器传感器磁链和转矩观磁链和转矩观测器测器交流传动系统中的传感器交流传动系统中的传感器关键技术：全速度范围下的转子位置检测关

4、键技术：全速度范围下的转子位置检测机械位置传感器机械位置传感器成本成本分辨率分辨率传统的霍尔传感器传统的霍尔传感器光电编码器光电编码器无传感器技术无传感器技术解算器解算器问题的提出问题的提出 机械传感器的安装给系统带来以下一些缺陷：机械传感器的安装给系统带来以下一些缺陷：系统的成本大大增加。系统的成本大大增加。码盘在电机轴上的安装，存在同心度问题，安装码盘在电机轴上的安装，存在同心度问题，安装不当将影响测速精度。不当将影响测速精度。增增加加了了电电机机轴轴上上的的转转动动惯惯量量，加加大大了了电电机机空空间间尺尺寸寸和和体体积积，增增加加了了电电机机与与控控制制系系统统之之间间的的连连线线和和

5、接接口口电电路路，使系统易受干扰，降低了可靠性使系统易受干扰，降低了可靠性。在在高高温温、高高湿湿的的恶恶劣劣环环境境下下无无法法工工作作，而而且且码码盘盘工工作作精度易受环境条件的影响。精度易受环境条件的影响。因因此此，无无传传感感器器交交流流调调速速系系统统成成为为近近年年来来的的一一个个研究热点。研究热点。无传感器控制技术无传感器控制技术第第一一类类：取取决决于于电电机机基基波波励励磁磁和和与与转转速速有有关关的的现现象象（所所产产生生的的反反电电动动势势）。这这类类方方法法实实施施虽虽然然简简单单，但但在在零零速速或或低低速速时时因反电势过小或根本无法检测，因此只因反电势过小或根本无法

6、检测，因此只适用于高转速适用于高转速运行。运行。第第二二类类：具具有有三三个个基基本本特特征征起起决决定定作作用用的的空空间间凸凸起起、持持续续励励磁磁和和高高带带宽宽、噪噪声声过过滤滤的的估估算算，可可以以实实现现电电机机全全速速度度范范围内转子位置的检测。围内转子位置的检测。第一类无传感器控制技术第一类无传感器控制技术异步电机中的无异步电机中的无传感器控制技术传感器控制技术动态速度估计器方法动态速度估计器方法模型参考自适应方法（模型参考自适应方法（MRAS)自适应速度观测器自适应速度观测器转子齿谐波法转子齿谐波法 高频注入法高频注入法基于基于PI调节器方法调节器方法人工智能理论基础上的估算

7、方法（如神经网络、人工智能理论基础上的估算方法（如神经网络、模糊控制等）模糊控制等）动态速度估计器方法动态速度估计器方法两种典型的算法：两种典型的算法：1.直接计算方法直接计算方法利用的数学模型推算利用的数学模型推算2.利用磁通的代数计算方法利用磁通的代数计算方法通过计算两相静止坐标系通过计算两相静止坐标系下的电机方程，以三角函数的形式得到转子的位置角下的电机方程，以三角函数的形式得到转子的位置角优点：计算简单，动态响应快，几乎没有什么延迟缺点：需要准确测量定子端量，对电机参数的准确性要求也比较高，因此鲁棒性较差。这种方法的出发点是基于动态关系的电机派克方程,从电机电磁关系式及转速的饿定义中得

8、到关于转差或转速关系的表达式.多数情况下,角速度计算表达式是由同步角速度 与转差角速度 相减得到的.(4-109)同步角速度的计算公式可由静止坐标系下的定子电压方程式推得,重写该方程式为:动态转速估计器动态转速估计器 由定子磁通矢量关系可知 (4-112)(4-110)(4-111)将式(4-110)与式(4-111)代入式(4-112)得 在转子磁场定向控制中,重写式(4-14)为在定子磁场定向控制中重写式(4-28)为 (4-115)(4-113)(4-114)由式(4-113)(4-115)可得转子角速度 .除了上述从推导转差角速度入手的思想之外,还可以根据电机方程式直接推导角速度,下面

9、给出推导过程.静止参考坐标下,由转子电压方程式 消去转子电压电阻 得 (4-116)再由定子磁链方程式得 (4-117)(4-118)把式(4-117)和式(4-118)代入式(4-116),整理得 (4-119)再联解转子磁链方程式与定子磁链方程式,并消去转子电流 ,可得 (4-120)(4-121)再将式(4-120)和式(4-121)代入式(4-119)得 (4-122)这种方法的优点是直观性强,从理论上讲速度计算没有延时。但缺点也很突出：1.速度的计算需要知道磁通，因而磁通观测与控制的好坏直接影响转速辩识的精度。2.计算过程中用到大量电机参数，如果缺少任何参数辩识环节，当电机参数变化时

10、计算精度受到严重影响。3.由于缺少任何误差校正环节，难以保证系统的抗干扰性能，甚至有可能出现不稳定的情况。这种适用于转子磁场定向的矢量 控制系统，其基本思想失 利用某些量的误差项，使其通过PI自适应控制器而得到转速信息。具体原理可由转子磁场定向下电机派克方程推得。同步 旋转坐标系下，转子电压方程式与 转子磁链方程式为 （4123）基于基于PIPI自适应控制器方法自适应控制器方法（4124）将式（4124）代入（4123）消去 可得 （4125）（4126）式中，由转子磁场定向转差角速度方程式（4127）来决定。（4127）将式（4126）代入式（4125）可得 （4128）由式（4127）与

11、 式（4128）可知，稳态时，若 0，则有 此时，辨识角速度 应该等于实际角速度。可采用 一个 PI调节器对 进行为为零得调节控制，并令该调节器得输出即为 ，可得角速度估计表达式为 （4129）转子磁链的q轴分量可由静止坐标系下 的 转子磁链观测器得到，即 （4130）（4131）这样控制的结果，即使得 达零的同时，电机转速的估计值达到实际值。另一种基于PI调节器方法时利用机电运动方程式（4132）推得的。（4132）转子磁场定向控制中 （4133）认为控制过程中 保持恒定，则 完全由 决定。因而给定转矩电流分量 与其实际响应 之间的差值就反映了转速的变化特性，对它进行处理就可得到转速信息。误

12、差信号送入PI调节器，其输出为角速度估计：（4134）这种基于PI调节器方法的最大优点是算法 结构简单，有一定的自适应能力，但由于涉及转子磁链的估计及控制问题，辨识精度很大程度上受磁链控制性能的 影响，而且线性PI调节器的有限调节能力也限制了 辨识范围的进一步扩大。但总的来说，它仍是一种简单易行，效果良好的速度估算方法。基本思想基本思想：将含有待估计参数的方程作为：将含有待估计参数的方程作为可调模可调模 型型，将不含未知参数的方程作为，将不含未知参数的方程作为参考模型参考模型，两个模型，两个模型具有相同物理意义的输出量。两个模型同时工作，并具有相同物理意义的输出量。两个模型同时工作，并利用其输

13、出量的差值，根据合适的自适应率来实施调利用其输出量的差值，根据合适的自适应率来实施调节可调模型的参数，以达到节可调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考控制对象的输出跟踪参考模型模型的目的。的目的。模型参考自适应方法模型参考自适应方法 由于电机参数的变化，由于电机参数的变化，低速低速时估计时估计精度较差精度较差。电流-电压模型法模型参考自适应方法模型参考自适应方法模型参考自适应方法模型参考自适应方法电压模型是参考模型，当给定定子 和 轴的电压电流，可以直接计算出 ，这是希望的磁链；而电流模型是可调模型，它不但需要定子轴的电流在 轴的分量，而且需要 ，这是需要辨识的角速度，得到实际的 ，把两个

14、模型得到的偏差调到0，通过一个PI调节器，就可以得到一个 ，因此构成反馈，这是一个自适应的原理。模型参考自适应方法模型参考自适应方法模型参考自适应方法模型参考自适应方法基于定子端电压和电流的估算法基于定子端电压和电流的估算法基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 由于神经网络具有自适应和自学习性，故它与线性系统的自适应控制有许多相似之处，基于神经网络的自适应转速辩识方法便由此而产生，利用神经网络进行辩识，一般都是预先规定网络结构，然后通过学习系统的输入和输出，使要求的误差函数达最小，进而归纳出隐含在系统输入和输出的关系.基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结

15、构的转速辨识方法 感应电动机的速度估计使用BP算法两层神经网络技术，神经网络的输出期望的值进行比较。期望值和估计值之间的误差用作回馈来调节权位，以使得估计转速跟踪实际电动机转速。采用人工神经网络（ANN)的方法辨识转速，是将可调模型用ADALINE模型替代，其中PI自适应律则利用ADALINE在学习过程中自动调节权值(即采用LMS学习算法)，是一个自适应可调的线性神经元网络。基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 1 自适应线性神经元结构自适应线性神经元结构(ADALINE)其中 基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 图中，x xl,x2,

16、xn为输入信号；Wjwlj,w2j,wnj为权值；分别为输出结点j的实际、期望及其误差值。ADALINE模型的特点是：根据外界的输入和期望的响应，模型可随时学习；自适应算法可用于权值的学习。2 ADALINE的学习算法的学习算法 学习算法是人工神经网络的主要特征，其学习算法是人工神经网络的主要特征，其学习过程就是修改权值的过程，最终使期学习过程就是修改权值的过程，最终使期望输出与实际输出之差最小，应用的学习望输出与实际输出之差最小，应用的学习算法很多，其中大多数均由早期的算法很多，其中大多数均由早期的Hebb算算法演变而来。法演变而来。首先，定义一个输出误差函数首先，定义一个输出误差函数 基于

17、神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 显然，EW只取决于网络的权值和期望输出。根据梯度下降法，有 基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 为学习速率；wij为节点i与节点j之间的权值。3 电流模型的离散化电流模型的离散化 对MRAS速度辨识系统的可调模型进行离散化，可得到 基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 式中 T采样周期，且令基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 可简记为 ADALINE等效模型 基于神经元网络结构的转速辨识方法基于神经元网络结构的转速辨识方法 速度给定157rad/

18、s，空载启动0.2秒时加入TL=10时的磁链波形 速度给定157rad/s，空载启动0.2秒时加入TL=10时的速度波形 观测器基础上的估算方法观测器基础上的估算方法 全阶状态观测器方法全阶状态观测器方法：需要在电机高速和低速时采：需要在电机高速和低速时采用不同的增益矩阵，因此估计算法比较复杂，而且系用不同的增益矩阵，因此估计算法比较复杂，而且系统对负载变化比较敏感。统对负载变化比较敏感。扩展卡尔曼滤波法扩展卡尔曼滤波法：算法复杂，计算量大，需采用：算法复杂，计算量大，需采用高速、高精度的数字信号处理器，提高了系统成本，高速、高精度的数字信号处理器，提高了系统成本，而且需要大量的调试工作。低速

19、时精度差。而且需要大量的调试工作。低速时精度差。滑模观测器法滑模观测器法：具有较好的鲁棒性，但由于其本质：具有较好的鲁棒性，但由于其本质上是不连续的开关控制，因此会引起系统发生抖动，低上是不连续的开关控制，因此会引起系统发生抖动，低速运行时会引起比较大的转矩脉动。速运行时会引起比较大的转矩脉动。第二类无传感器控制技术第二类无传感器控制技术 转子凸极追踪法转子凸极追踪法 电机必须具有一个可检测的电机必须具有一个可检测的磁凸极磁凸极（对电机进行改造（对电机进行改造或内部寄生的不对称性）或内部寄生的不对称性）需要有需要有持续高频励磁信号持续高频励磁信号 利用利用凸极跟踪观测器凸极跟踪观测器获得转子位

20、置信号获得转子位置信号 在在包包括括零零速速在在内内的的任任何何速速度度下下都都能能够够获获得得精精确确的的转转子位置信息子位置信息电机的凸极效应电机的凸极效应电机中的凸极效应产生的原因：电机中的凸极效应产生的原因：.电机结构的电机结构的不对称不对称 .定子或转子铁心定子或转子铁心饱和饱和对于内埋式永磁同步电机对于内埋式永磁同步电机(IPM)、同步磁阻和开关磁阻电机同步磁阻和开关磁阻电机:转子转子d轴和轴和q轴电感存在较大的差值，具有较明显的轴电感存在较大的差值，具有较明显的凸极效应凸极效应对于面贴式永磁同步电机对于面贴式永磁同步电机(SPM):转子转子d轴和轴和q轴电感几乎相同，凸极效应不明

21、显轴电感几乎相同，凸极效应不明显电机的凸极效应电机的凸极效应 对于凸极效应不明显的电机，可以采取以下两种方法对于凸极效应不明显的电机，可以采取以下两种方法获得较明显的凸极特性获得较明显的凸极特性:设计改进设计改进 适用于斜槽转子结构的感应电机或表面永磁同步电机适用于斜槽转子结构的感应电机或表面永磁同步电机 感应电机的改进：感应电机的改进：改变转子漏感改变转子漏感 表面永磁电机的改进表面永磁电机的改进：在永磁材料间增加一些铁素：在永磁材料间增加一些铁素 饱和感应饱和感应 适用于斜槽转子的感应电机适用于斜槽转子的感应电机结论结论:在某些电机中具有固有的凸极极特性，而在其他电机中，必须通过改变设计结

22、构才会得到较明显的凸极极特性。永磁同步电机的数学模型永磁同步电机的数学模型包含凸极效应的永磁同步电机的数学模型包含凸极效应的永磁同步电机的数学模型包含凸极效应的永磁同步电机的数学模型包含凸极效应的永磁同步电机的数学模型在以在以转子速度转子速度同步旋转的同步旋转的d-q坐标系坐标系中，中，永磁同步电机的电压方程为永磁同步电机的电压方程为:磁链方程为磁链方程为:永磁同步电机的数学模型永磁同步电机的数学模型在在静止静止d-q坐标系坐标系中中电压方程为：电压方程为：其中，定子平均电感其中，定子平均电感 定子微分电感定子微分电感 磁链方程为：磁链方程为：永磁同步电机的数学模型永磁同步电机的数学模型高频载

23、波电压信号励磁时电机的数学模型高频载波电压信号励磁时电机的数学模型高频载波电压信号励磁时电机的数学模型高频载波电压信号励磁时电机的数学模型 高频载波电压信号可以高频载波电压信号可以用一个以用一个以载波信号频率旋载波信号频率旋转转的载波的载波电压矢量电压矢量来表示来表示:永磁同步电机的数学模型永磁同步电机的数学模型只考虑高频信号时电机的有效模型可以简化为只考虑高频信号时电机的有效模型可以简化为:永磁同步电机的数学模型永磁同步电机的数学模型 载波电压矢量作用在有凸极效应的电机中，产载波电压矢量作用在有凸极效应的电机中，产生出的载波电流矢量生出的载波电流矢量为：为：其中，正相序分量和其中，正相序分量

24、和负相序分量负相序分量的幅值分别为：的幅值分别为：很明显，只有载波电流的很明显，只有载波电流的负相序分量负相序分量包含转子位置信息包含转子位置信息.基于空间凸极追踪的转子位置检测原理基于空间凸极追踪的转子位置检测原理 在在SPWMSPWM电压源型逆变器电压源型逆变器供电的拖动系统中，可以供电的拖动系统中，可以通过逆通过逆变器变器将将高频载波信号直接加在高频载波信号直接加在电机的电机的基波励磁基波励磁上：上：基于空间凸极追踪的转子位置检测原理基于空间凸极追踪的转子位置检测原理S-CHPC-S基于空间凸极追踪的转子位置检测原理基于空间凸极追踪的转子位置检测原理 同步高通滤波器的设计同步高通滤波器的

25、设计功能功能:滤掉反馈信号中的载波电流正相序分量同步高通滤波器的原理图为:基于空间凸极追踪的转子位置检测原理基于空间凸极追踪的转子位置检测原理 转子位置跟踪观测器的设计转子位置跟踪观测器的设计.锁相环锁相环(PLL)具有滞后特性具有滞后特性,动态跟踪性能不理想。动态跟踪性能不理想。.零滞后滤波器零滞后滤波器 采用采用外差法外差法 基于空间凸极追踪的转子位置检测原理基于空间凸极追踪的转子位置检测原理 如果电机在每一个极距范围内只呈现出一个空间凸极如果电机在每一个极距范围内只呈现出一个空间凸极，此时转子位置跟踪观测器为此时转子位置跟踪观测器为基于空间凸极追踪的转子位置检测原理基于空间凸极追踪的转子

26、位置检测原理外差法外差法 通过通过单位幅值单位幅值载波电流载波电流负相序分量负相序分量与与实际实际载波电流载波电流负负相序分量相序分量的的矢量叉矢量叉乘获得乘获得转子位置误差信号转子位置误差信号，即，即跟踪误差跟踪误差可以表示为可以表示为0静止坐标系静止坐标系中中载波电流载波电流图图(fi=500Hz,Vi=1Volt)不同转子位置下的载波电流不同转子位置下的载波电流仿真结果仿真结果静止坐标系静止坐标系中转子不同位置上载波电流矢量轨迹 载波电流矢量轨迹载波电流矢量轨迹静止坐标系静止坐标系中转子连续转动转子连续转动时载波电流矢量轨迹 仿真结果仿真结果 当电机由当电机由测量位置控制测量位置控制时，

27、在不同的转速下，时，在不同的转速下，转子转子的估算的估算位置与实际位置与实际位置位置以及两者的以及两者的差值差值 60r/min 6000r/min 仿真结果仿真结果 当当电机由估算位置控制电机由估算位置控制时，在时，在额定负载额定负载（0.64Nm）和和额额定转速定转速（6000r/min）下，电机的电流和转矩特性分别为下，电机的电流和转矩特性分别为仿真结果仿真结果 当当电机由估算位置控制电机由估算位置控制时，在时，在额定负载额定负载（0.64Nm）和和额定转速额定转速（6000r/min）下，电机的转速特性和估算转子电角度误差分别为下，电机的转速特性和估算转子电角度误差分别为仿真结果仿真结

28、果 当当电机由估算位置控制电机由估算位置控制时，在时，在空载和额定转速空载和额定转速下，电机的电下，电机的电流、转矩、转速特性和估算转子电角度误差分别为流、转矩、转速特性和估算转子电角度误差分别为仿真结果仿真结果 当当电机由估算位置控制电机由估算位置控制时，在时，在额定负载和低转速（额定负载和低转速（60r/min)条件条件下，电机的电流、转矩、转速特性和估算转子电角度误差分别为下，电机的电流、转矩、转速特性和估算转子电角度误差分别为仿真结果仿真结果 当当电机由估算位置控制电机由估算位置控制时，在时，在空载和低转速（空载和低转速（60r/min)条件下条件下电机的电流、转矩、转速特性和估算转子

29、电角度误差分别为电机的电流、转矩、转速特性和估算转子电角度误差分别为仿真结果仿真结果 当当电机由估算位置控制电机由估算位置控制时，在时，在额定转速额定转速下电机下电机突加负载突加负载时时电机的电流、转矩、转速特性和估算转子电角度误差分别为电机的电流、转矩、转速特性和估算转子电角度误差分别为仿真结果仿真结果 当当电机由估算位置控制电机由估算位置控制时，在时，在低转速低转速下电下电突加负载突加负载时电机时电机的电流、转矩、转速特性和估算电角度误差分别为的电流、转矩、转速特性和估算电角度误差分别为仿真结果仿真结果 当电机由当电机由测量位置测量位置和和估算位置估算位置分别控制时，电机从零速启分别控制时

30、电机从零速启动到给定转速动到给定转速(6000r/min）过程的转矩和转速特性分别为）过程的转矩和转速特性分别为仿真结果仿真结果 当电机由当电机由测量位置测量位置和和估算位置估算位置分别控制时，在额定转速下分别控制时，在额定转速下电机突加负载时的转矩和转速特性分别为电机突加负载时的转矩和转速特性分别为结论结论v适用于具有适用于具有一定一定程度程度凸极率的电机凸极率的电机v采用了采用了高频载波注入高频载波注入技术，摆脱了传统基波信技术，摆脱了传统基波信息检测、辨识的处理方式，因此能够在息检测、辨识的处理方式，因此能够在全速度范全速度范围围内有效检测转子的空间位置内有效检测转子的空间位置v由于转子位置信息只存在于载波信号电流负相由于转子位置信息只存在于载波信号电流负相序分量的相角中，因此该方法序分量的相角中，因此该方法对电机参数的变化对电机参数的变化不敏感不敏感，具有，具有较强较强的的鲁棒性鲁棒性。Thanks!Thanks!