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1、湖南大学 硕士学位论文 基于模型参考自适应的永磁同步电机直接转矩控制研究 姓名：徐振宇 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：黄守道 20120526 摘要 永磁同步电机具有体积小 重量轻、效率高、转子无发热等优点，在电力传 动领域内已经获得了广泛的应用。近年来，永磁同步电机直接转矩控制系统具有 结构简单、转矩响应快、鲁棒性好等特点，使其受到国内外的普遍重视。 首先，论文介绍了永磁同步电机的直接转矩技术以及永磁同步电机的无速度 传感器控制技术的研究背景以及现状；简要地介绍了永磁同步电机的结构及其特 点，分析了永磁同步电机在不同坐标系的数学模型。 然后，根据永磁同步电机的数学模型，推导论
2、证了永磁同步电机直接转矩控 制的理论基础，介绍了几种永磁同步电机直接转矩控制策略，并对比了各种控制 策略的优缺点，尤其详细分析了运用空间电压矢量调制法 (SVM)的永磁同步电机 的直接转矩控制 （ SVM-DTC)原理及其实现方式。 此外，接着针对机械式的速度传感器的安装会对系统产生诸如增加系统复杂 性，构建以及维护成本，减小系统的稳定性、鲁棒性等等不利的 影响，为了避免 速度传感器的引入，设计了一种基于定子磁链的模型参考自适应 （ MRAS)位置 辨识器来实现对转子速度与位置进行辨识，仿真结果表明，采用该方式的速度辨 识器能很好地辨识转子速度以及位置。 最后，设计了一种新颖的 SVM-DTC
3、系统，该系统利用两个 PI控制器分别调节 磁链和转矩实现对电机空间矢量中转矩和磁链两分量的解耦，同时，为了克服传 统定子磁链的电压模型存在的直流偏置与原点偏移等不利影响，采用基于转子位 置和定子电流的定子磁链估算方法观测定子磁链，采用 MRAS无速度传感器来估 算转子转速、位置。仿真与实验结果表明，所提出的方法能有效地估算定子磁链 与转速，减小电磁转矩和定子磁链脉动，系统具有很好的动、静性能。 关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；空间矢量脉宽调制；无速度传感器；模 型参考自适应 Abstract Nowadays, because permanent magnet synchronous mo
4、tor (PMSM) has such advantages as small size, simple structure, good performance, high reliability, its applications are broaden continuously in electric drive field. Direct torque control (DTC) of PMSM has a simple control structure, fast dynamic response, so DTC has received extensive attention. A
5、t first, this thesis introduced the background and current technologies of direct torque control and the sensorless control of permanent magnet synchronous motor around the world. And then the structure and characteristics of permanent magnet synchronous motor were described briefly, and the mathema
6、tical model of the permanent synchronous motor in the different coordinate systems were analyzed. Secondly, according to the mathematical model of the PMSM, the theoretical basis of permanent magnet synchronous motor direct torque control were demonstrated by derivation. Several control strategy for
7、 DTC of PMSM were introduced, of which the control strategy adopted space voltage vector modulation (SVM) was analyzed in detail. Meantime, the advantages and disadvantages of various of various control strategies were compared. Thirdly, the installation of speed sensor increased the complexity of t
8、he system and reduced system reliability and robustness. Moreover, it increased the system cost and maintenance requirements. In order to overcome these drawbacks of the intro- ducetion of speed sensor, a speed sensorless based on the principle of the model reference adaptive system (MRAS) was studi
9、ed to obtain the speed and the location of the rotor. At last, a novel direct torque control system based on space vector pulse width modulation technique (SVM-DTC) was proposed, of which the stator flux and torque were regulated by PI controllers to decouple motor space vector in the two components
10、 of stator flux and torque. Meanwhile, because the traditional stator voltage integration method to estimate stator flux was prone to produce offset drifting and integral saturation, a stator flux estimation method based on rotor position and stator current was used to estimate the stator flux. And
11、a sensorless based on MRAS was designed to estimate the rotor speed and position. Simulation and experimental results show that the proposed method can effectively estimate the stator flux, and also reduce the electromagnetic torque and stator flux ripples, so the system has good in statistic and dy
12、namic performance. Key Words: permanent magnet synchronous motor (PMSM); direct torque control (DTC)； space vector pulse width modulation(SVPWM)； Sensorless, the model reference adaptive system (MRAS) 第 1 章绪论 1.1课题研究背景 目前，虽然仍有很多电机驱动系统采用恒速控制，但使用最普遍的方式是调 速传动，即按照需要对电机的速度和转矩进行调节以适应各种机械负载的变化。 传统的直流电机调速控制
13、经过几十年发展，已十分成熟，但它需要机械换向器和 电刷的固有缺陷已使之逐渐退出历史舞台。随着电力电子器件和微处理器技术的 不断发展，交流电机调速控制技术逐渐成熟起来。交流电机可以分为异步电机与 同步电机。异步电机转子具有结构简单、可靠，现已在工业中被大量应用，但功 率因数较低 、效率不高。电励磁同步电机虽然具有较复杂的转子结构，但具有功 率因数高、效率高。采用永磁体励磁永磁同步电机 （ PMSM)， 则具有两者优点， 因此永磁同步电机控制系统的研究己成为目前热点的研究方向，尤其是当今随着 永磁材料的飞速发展、电机控制理论日益成熟以及电力电子器件性能不断提高， 由于 PMSM具有体积小，重量轻，
14、高效率，高转矩惯量比，高能量密度的优点而 获得不少的关注，从而使永磁同步电机的研究和应用得到了飞跃式的发展 1。 与其它交流电机的驱动方法相同，目前 PMSM的控制策略主要包括：变压变 频控制 （ Variable Voltage Variable Frequency， 简称 VVVF)， 磁场定向矢量控制 (Vector Control， 简称 VC)以及直接转矩控制 （ Direct Torque Control， 简称 DTC) 三种 2。 VVVF控制策略的控制对象是电机的电压和频率。系统将所需的电压和频率 输入到 V/制器中生成控制信号，然后通过逆变器产生一个交变的正弦电压作用 于电
15、机，使之运行在给定的电压和频率下。通过逆变器所用的控制信号为脉宽调 制(PWM)信号。 PWM具有多种的实现方式，最常用的是空间矢量调制 （ SVM)。 该方法的优点是属于开环控制，无需从电机引入电压、电流反馈信号或者速度、 位置信息，而且该控制系统易于实现、价格低廉。但是其不足的地方是，因为控 制系统中没有速度、位置等信息，需要即时获得电机状态，因此使之无法精确对 电磁转矩进行控制；因为只采用一个调节器实现对电压与磁链两个变量的调制， 降低了输入电压、频率信号和电磁转矩、速度响应之间的通讯速度，导致了电机 响应变慢。因此该驱动系统多用于风机、水泵之类对控制性能要求不高的场合。 VC控制策略的
16、控制思想是 认为交流电机和直流电机的具有相同的转矩生成 机理，在磁链定向坐标上，模拟直流电机转矩的控制方式，在永磁同步电机的 vc 控制系统中电机的电磁转矩是由永磁体产生的磁链和与其垂直的电流之积，因此 可通过控制电机定子电流来控制电磁转矩，进而实现控制速度。在 VC控制系统中 需要 PMSM的转子磁链位置信息，同时需要通过调制器生成一个参考电压空间矢 量，施加于 PMSM的定子绕组上，使之工作在所需的状态。 VC控制是一种理想的 控制方式， VC控制系统具有很多优点，例如，可以从零转速进行 速度控制，调速 范围宽；可以对转矩进行精确地控制，系统响应速度快，加减速特性好等等。其 不足之处在于转
17、子位置的精度决定了控制性能好坏，因此为了得到高性能，必须 安装如编码器等速度传感装置，这将导致系统造价提高，系统的结构复杂性增加， 故障率增加。这些导致 VC控制难以充分发挥永磁同步电机本身的结构简单等优 势。 DTC控制策略是近年来发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技 术 3。 DTC控制的基本思想就是不采用电流解耦控制，取消了复杂的旋转坐标变 换，首先检测电机的定子电压和电流，采用瞬时空间矢量理 论计算出电机的磁链 和转矩，然后根据它们与给定值进行做差比较，差值通过滞环控制器得到所需的 工作状态，最终实现对磁链和转矩的直接控制。 DTC控制系统最明显的特点就是 采用了定子磁场定向
18、，转矩作为被控量直接控制转矩。因此，与矢量控制相比， 直接转矩控制的优势总结如下 4: (1) 基于静止坐标系对电动机进行闭环控制，控制系统简单，省掉了磁场定 向矢量控制技术中的旋转坐标变换，坐标变换的复杂度大大降低； (2) 没有电流调节单元，不需要在磁场定向矢量控制技术中对定子电流的磁 场分量与转矩分量进行闭环控制； (3) 磁链控制是对定子磁链进行控制，由于采用电压积分法只要定子电阻已 知就能观测定子磁链，可知其对转子参数的变化不敏感，从而对电机参数的依赖 性大大减小了； (4) 由于对转矩反馈直接使用进行控制，所有具有十分迅速的转矩响应； (5) 对电机与逆变器进行一体化研究，采用空间
19、电压矢量的概念对电机的数 学模型分析并且控制其系统的物理量，从而使问题变得明确简单。 因此， DTC控制作为一种现代先进的电机控制技术 ，一 经提出便获得广泛的 关注，很多学者对其进行了大量的研究，取得了不少的进展。然而 DTC控制策略 最早是在感应电机中获得使用，近年来，才被引入到永磁同步电机控制系统中， 永磁同步电机的直接转矩控制是一个热点的研究方向，同时也是本文研究的重点。 DTC虽然被认为是一种不需要速度传感器的交流电机控制方式 4】 ，但是当要 求较高系统的性能时，速度闭环控制是必不可少的。然而在电机控制系统中，通 常采用速度编码器或者旋转变压器等速度传感器来获得转子速度信息。速度传
20、感 器的引入必将会对系统造成不利影响 5 6】 ： （ 1)高精度的传感器价格昂贵，造成系 统硬件与维护成本的增加， （ 2)机械式传感器安装难度大，容易存在同心 度的问题， (3) 使系统的体积增大， （ 4)使系统硬件结构复杂性增加，故障率增大，（ 5)由于速 度传感器的精度容易受到环境条件的影响，系统的可靠性降低。因此研究无速度 传感器的控制策略在永磁同步电机的控制系统中的运用是十分必要的。近年来， 有关无速度传感器控制技术的研究也是交流传动系统中的十分活跃的研究领域， 尤其是在一些高速电机、微型电机等等一些特殊运用场合具有重要的意义。本文 将主要研究无速度传感器控制技术在 PMSM-D
21、TC的运用。 1.2国内外研究现状 1985年，直接转矩控制的理论最早由 Depenbrock教授提出 7，其工作原理是： 按照预先给定的定子磁链幅值指令和相位关系依次切换 6个非零电压空间矢量从 而实现了预设的六边形定子磁链轨迹控制，同时根据转矩的 Bang-Bang控制，合 适地增加零矢量以调节转矩。这种控制方法的优点是结构简单，开关损耗小，其 缺点是电压、电流畸变比较严重，在低速运行时转矩脉动很大。现在大多应用于 元件开关频率不高的大功率场合。 目前广泛使用的 DTC控制策略是由日本的 I.Takahashi于 1986年提出 8，该控 制策略 针对于圆形的定子磁链运动轨迹提出的，采用查
22、询电压矢量表的方法同时 对电机转矩和磁链进行控制。这种控制策略的优点在于磁链运动轨迹被调节近似 为圆形，因此减少了电压、电流中的谐波含量，不足的地方是增加了控制方式复 杂性，由于它可以充分利用新型电力电子器件 (如 IGBT)的开关频率的优势，广泛 应用在中小功率场合。 矢量控制技术自提出后，很快便应用在永磁同步电机中，而直接转矩控制技 术诞生后，并没有很快应用在永磁同步电机中。直到 1997年， Zhong和 Rahman将 DTC理论引入到 PMSM控制中 9，深入研究了 PMSM-DTC理论及其实现方法，证 明了 DTC的转矩响应快于 VC。 近年来，经过研究人员不断努力，永磁同步电机的
23、 直接转矩控制系统得到迅速的发展。目前 PMSM-DTC的控制性能还存在着一些问 题，尤其是在低转速的情况下特别明显，严重影响了电机在低速范围中的 应用， 为此各国学者展开了大量的研究和改进工作，主要集中在以下几个方面 ： (1) 抑制低速运行时的转矩脉动 目前，抑制转矩脉动主要的方法包括：优化改进开关表、釆用空间电压矢量 调制 （ SVM)生成所需的目标空间电压矢量两个方面。 文献 10提出引起电流和转矩脉动的主要原因是开关表的电压空间矢量的有 限数目，转矩、磁链滞环环宽和空间电压矢量的选择方法。为此不少学者对开关 表的进行优化设计。文献 11通过研究 PMSM的结构以及运行特点，指出零矢量
24、 有抑制转矩波动的作用，并提出了一种新的包含零矢量的开关表，达到了有效抑 制转矩脉动的效果，改善系统的静态性能。文献 12采用改进的开关表选择最佳 的电压矢量获得了对转矩和磁链更精确地控制，以上方法虽然能够改善系统的静 态性能，但是都存在着由于开关表可以选择的电 压空间矢量的个数为 8个，因此无 法从根本上消除转矩的脉动，因此，文献 13-17引进空间矢量调制 （ SVM)方案。 其基本思想是，在一个周期内安排多个空间矢量合成所需任意电压空间矢量，构 成更加精细的空间矢量开关表，从而实现对转矩和磁链进行更准确的控制。由文 献可知，采用 SVM-DTC方式能使大大减小转矩脉动。文献 18结合传统
25、 DTC动态 性能良好与 SVM控制稳态转矩脉动小的两者优点，提出了一种 DTC和 SVM控制的 混合控制方案，该方法具有优良的动、稳态性能。 (2) 改进定子磁链观测方法 对于直接转矩来说，定子磁链观测精度决定了系统性能好坏。常见的定子磁 链的观测方法主要包括电压积分模型，电流模型。电压积分法是定子磁链观测最 常用的方法，其方法是通过对反电势进行积分运算得到，由于此计算只涉及的电 机参数是定子电阻兄，因此该方法的优点计算简单，不足的地方是采用纯积分器 运算易于产生直流偏置以及原点偏移等等问题，尤其当电机低速运行时，这些问 题变得非常严重。同时，定子电阻的测量的偏差大小对磁链观测精度产生很大影
26、 响，进而对系统的性能产生很大的影响。对此，人们做了大量的改进工作。针对 定子电阻测量 问题，文献 19-21提出了几种解决方法但是这些方法都存在收敛时 间太长，只适用于系统稳态运行时。考虑定子电阻在运行中随着环境和条件的变 化，也有不少学者引入了定子电阻的在线辨识技术，比如文献 22-23和文献 24 分别采用模糊控制理论、神经网络技术，对定子电阻进行在线估算。这些方法不 足的地方在于系统的鲁棒性没得到很好的论证，同时，这些智能方法引入使得 DTC 系统结构和控制变得复杂，失去了 DTC控制本身的优越性。针对由于纯积分器运 算存在的直流偏置以及原点偏移问题，研究人员提出了一些改进的措施，主
27、要方 法就是对积分器进行改进，文献 25-26提出采用一种低通滤波器来代替积分器消 除纯积分器的不利影响，该方式的优点是结构简单而且易于实现，但是采用低通 滤波器会产生定子磁链幅值以及相位的计算存在误差的问题，尤其当低速时，问 题特别严重。为此，不少学者采用电流模型来观测定子磁链 27。相比于电压模 型，电流模型由于不存在积分器，克服了积分器产生的不良影响，但是它的不足 的地方在于依赖电感等电机的参数，同时，电机的转速或者位置是必须知道的， 为了获得精确的磁链，安装速度传感器是必须的，这将对系统产生很多 的不利影 响。 (3) 采用多电平逆变器 根据前文分析可知， DTC在转矩、磁链脉动大很大
28、原因是在于可用的空间电 压矢量个数有限。因此，相对经典的 DTC控制系统采用两电平变换器，为了产生 更多的空间电压矢量，不少学者采用多电平逆变器构成新型 DTC系统。其中采用 双三相逆变器 28和双三电平逆变器 29是最常见的两种方式。上述方法虽然能改善 了 DTC系统的性能，但是其代价是增加了系统结构的复杂性以及系统的成本，现 在多用用于大功率场合。 (4) 现代控制理论的应用 最近几年来，现代控制理论得到了很大发展，不少学者将模糊控制、神经网 络 变结构控制等现代控制方法引入到 DTC中，据此提出了很多智能的 DTC控制 策略。 模糊逻辑控制在 DTC运用得到了广泛的研究。文献 30-31
29、分别提出了在 DTC 中采用模糊逻辑控制器 (FLC)替代常规 DTC控制中的两个滞环比较器和开关表。文 献 32提出了 一 种定子磁链角度的映射技术，并将它引入到模糊 DTC中，减少了 模糊规则的数量，提高了模糊推理的计算速度。文献 33将模糊逻辑引入到 PMSM 中，设计一种针对 PMSM的模糊控制器。文献 34采用一个结合 PI控制器控制和模 糊逻辑的观测器来观测检测定子电阻的变化和定子电流。文献 35设计一种结合 了模糊逻辑的 PI速度控制器和一个神经网络实现对定子电阻的估计。这些现代控 制算法能够有效提高系统的性能，但是都存在共同的不足就是算法复杂，而且目 前大部分的研究停留在仿真阶
30、段，实际实现比较困难。当然，随着研究的不断深 入以及发展，这些技术在 DTC中会得到越来越多的运用。 前面曾经提到，无速度传感器对于高性能的 DTC系统是十分必要的。无速度 传感器控制的基本思想是，通过采集一些 容易测量的电机信号，比如定子电流、 电压等，采用间接测量、直接计算、状态估计以及参数辨识等方式得到转子的速 度或者位置信号，实现对速度闭环的控制，以达到避免引入机械式速度传感器的 目的。目前，适用于 PMSM的无速度传感器策略主要可以分为以下几类 36: (1) 基于永磁同步电机基本电磁关系的直接计算方法； (2) 基于观测器的速度估计器； (3) 基于电机磁路的不对称性的估计器； (
31、4) 基于模型参考自适应 （ MRAS)的速度估计器； (5) 基于人工智能理论的速度估计器 方法 (1)常用有常用的两种方法： 直接计算法 直接检测定子电压和电流量，根据 PMSM的电压方程以及磁链方程，直接计 算出转子的速度和位置。该方法的优点是计算简单，动态响应快；其缺点是必须 对准确地定子端的信息量进行测量，而且对电机参数的准确性要求很高，如果电 机参数随运行状况的改变而变化，就会出现估计值与实际值偏离，因此采用该方 法必须结合电机参数的在线辨识技术；同时它没有考虑噪声的影响，因为存在微 分运算，该方法将会放大噪声。因此，这种方法多用于对性能要求不高的场合。 基于定子磁通或者反电动势计
32、算方法 和直接 计算法一样，通过电机模型，推导得到转子位置角的正、余弦表达式。 具体过程是：利用定子侧的电压、电流，计算得到反电动势，再对反电动势进行 积分得到磁通，最后得到位置角的正、余弦表达式。采用该方法能够避免对测量 信号直接进行微分运算，但是不足的是引入了积分运算，由于采用积分运算会出 现零漂等问题，因此得到的磁通有积分误差，通常必须增加误差补偿环节；此外， 在低速运行时，由于电机的反电动势很小，很难准确地估算出转子的速度和位置。 因此这种方法适用于电机中、高速运行的情况。 方法 (2)的基本思想是进行状态重构，其工 作原理是利用系统容易测量的输 入、输出量，重新构造一个系统，这个构造
33、系统的状态和原系统的状态在一定的 条件下是等价的。构造系统的全部状态或者某一状态能够替代原系统的状态组成 状态反馈。为了能够取代机械速度传感器，可以将速度和位置量作为系统的状态 量，利用状态观测器的原理，对这两种状态进行重构。 PMSM无速度传感器控制 常用的观测器主要包括降维、滑模、全维、 Luenberger、 自适应观测器以及扩展 卡尔曼滤波器，这些当中最常用的有两种： 滑模观测器方法 其工作原理是首先采用滑模观测器估算得到定子的反电动势 ，再对反电动势 求反三角函数来得到转子位置。其工作进程是利用定子的测量电流与估计电流两 者之差构成滑模面，设置滑模控制函数，运用李亚普诺夫稳定性原理分
34、析求得滑 模观测器的收敛条件，然后证明其稳定性。滑模控制函数输出为高频脉冲信号， 然后对该高频脉冲信号进行低通滤波，就能够得到反电动势的估计值。采用滑模 观测器的估计方法具有参数调节简单，只要对滑模控制函数的反馈系数进行调节， 整体的鲁棒性高的优点。其缺点就是对电机反电动势要求很高，必须完全按照正 弦波分布，当反电动势发生畸变时，估计效果就会变得很差。此外，滑 模控制的 本质就是不连续的开关控制，会引起系统发生抖动，这导致电机低速运行时会引 起较大的转矩脉动。 “ 扩展卡尔曼滤波器方法 1960年，美国学者卡尔曼提出了卡尔曼滤波这种基于最小方差意义上的最优 预测估计的方法。该方法研究了观测值和被估计量的统计特性，其主要特点是可 以有效地削弱测量噪声和随机干扰的影响。而扩展卡尔曼滤波算法 (EKF)就是将 线性卡尔曼滤波器推广应用在非线性系统中而得的。 EKF能够从随机噪声信号中 获得最优观测，但它的缺点是算法复杂，由于需要矩阵进行求逆运算，计算量非 常大。为达到实时控制的要求，必须采用高精度高速度的数字信号处理器。此外， EKF滤波器需用到不少随机误差的统计参数，因为模型复杂，涉及因素较多，导 致分析参数变得比较困难，必须通过大量调试最后才能得到适当的随机参数。其 优点是避免了对信号的直接微分运算，还考虑了噪声的影响， EKF滤波器在当电