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1、电动汽车永磁同步电机无位置传感器矢量控制研究PART01PART 02PART03PART04PART05背景与意义背景与意义永磁同步电机矢量控制系统控永磁同步电机矢量控制系统控制器设计制器设计基于自适应二阶滑模观测器的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的低速段无传感器矢量控制结论及展望结论及展望目录CONTENTS01PART ONE背景与意义0 01 1研究背景0 01 1研究背景 电机类型电机类型比较项目比较项目直流电机直流电机异步电机异步电机开关磁阻开关磁阻 电机电机永磁
2、同步永磁同步电机电机功率密度（功率密度（kW/kgkW/kg）差差好好好好很好很好转矩稳转矩稳定性能定性能低速低速好好好好一般一般很好很好高速高速好好很好很好一般一般很好很好可靠性可靠性差差很好很好很好很好好好NVHNVH（振动噪声舒适性）（振动噪声舒适性）一般一般很好很好一般一般很好很好运行效率运行效率差差好好好好很好很好高效率（高效率（85%85%）运行区）运行区所占比例所占比例高高高高很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国家车型车型类型类型电机类型电机类型日本日本丰田丰田Pruis混合动力汽车混合动力汽车永磁同步电机永磁同步电机本田本田Insight混合动力汽车
3、混合动力汽车永磁同步电机永磁同步电机本田思域本田思域混合动力汽车混合动力汽车永磁同步电机永磁同步电机日产聆风日产聆风纯电动纯电动永磁同步电机永磁同步电机美国美国特斯拉特斯拉models纯电动纯电动异步感应电机异步感应电机雪佛兰雪佛兰Volt纯电动纯电动永磁同步电机永磁同步电机德国德国宝马宝马i3混合动力汽车混合动力汽车永磁同步电机永磁同步电机大众大众e-up纯电动纯电动永磁同步电机永磁同步电机0 01 1研究意义性能不稳定性能不稳定机械位置传感机械位置传感器在实际应用器在实际应用中存在的问题中存在的问题同心度问题同心度问题成本较高成本较高降低可靠性降低可靠性无位置传感无位置传感器器控制技术控制
4、技术 位置位置传感器传感器 定子绕组定子绕组转子磁铁转子磁铁0 01 1研究现状无位置传感器控制无位置传感器控制中高速中高速段段基波基波数学模型法数学模型法低速（零速）段低速（零速）段高频信号高频信号注入法注入法在两相静止坐标轴在两相静止坐标轴下下，SPMSM的电流的电流状态方程：状态方程：在两相静止坐标轴在两相静止坐标轴下下，PMSM的电压的电压方程：方程：方法方法特点特点旋转高频旋转高频注入法注入法适用于凸极率较大的适用于凸极率较大的PMSMPMSM（结构性凸极）（结构性凸极）对电机参数对电机参数摄动不敏感、摄动不敏感、抗扰动能力抗扰动能力强强脉振高频脉振高频注入法注入法适用于凸极率较小适
5、用于凸极率较小PMSMPMSM（饱和性凸极）（饱和性凸极）注注入入的的高高频频信信号号为为正正弦弦信信号号，需需要要使使用用多多个个滤滤波器来实现波器来实现信号分离。信号分离。方法方法特点特点滑模观测器法滑模观测器法优点：算法简单、鲁棒性好；优点：算法简单、鲁棒性好；缺点：存在滑模抖振。缺点：存在滑模抖振。模型参考自适模型参考自适应法应法优点：优点：抗扰能力强；抗扰能力强；缺点：对模型参数的准确度缺点：对模型参数的准确度依赖较大。依赖较大。扩展卡尔曼滤扩展卡尔曼滤波法波法优点：优点：能够抑制测量噪声和能够抑制测量噪声和系统噪声系统噪声；缺点：计缺点：计算量大、复杂度高。算量大、复杂度高。估估计
6、计的的参参数数中中存存在在高高频频噪噪声声，必必须使用滤波器。须使用滤波器。PMSM矢量控制框图矢量控制框图电流电流环环控制器控制器转速环转速环控制器控制器主要工作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。无位置传无位置传感器控制感器控制0 01 1在低速段，在低速段，研究研究了两了两种基于种基于无滤波器信号无滤波器信号分离策略的脉振高频分离策略的脉振高频方波电压注入法方波电压注入法。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。在中高速段，在中高速段，研究了研究了一种具有电机参数在一种具有电机参数在线估计的基于自适应线估计的基于自适应二阶滑模观测器的
7、转二阶滑模观测器的转子位置检测方法子位置检测方法。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。针对全速针对全速范围内范围内的无位置传感器的无位置传感器控制，研究了一控制，研究了一种复合控制算法。种复合控制算法。02PART TWO永磁同步电机矢量控制系统控制器设计0 02 2PMSM基于PI调节器的矢量控制系统PMSM矢量控制框图矢量控制框图电流电流环环控制器控制器转速环转速环控制器控制器没有摆脱对没有摆脱对电机模型和电机模型和参数的依赖参数的依赖，当扰动当扰动过大过大时，其无法时，其无法满足调速要满足调速要求。求。仅实现了静仅实现了静态解耦，并态解耦，并没有消除动
8、没有消除动态耦合关系态耦合关系。耦合项0 02 2电流环控制器设计为为了了观观察察电电机机d-qd-q轴轴电电流流的的耦耦合合影影响响，进进行行了了仿仿真真分分析析。图图所所示示的的工工况况为为初初始始转转速速为为零零，在在0.2s时时刻刻转转速速阶阶跃跃给给定定为为0-300rad/s，在在0.4s时时刻刻给给定定 300-600rad/s的的转转速速阶阶跃跃，在在0.6s时时刻刻给给定定600-900rad/s转速阶转速阶跃。跃。转速转速阶跃给定时阶跃给定时dq轴电流瞬态波形轴电流瞬态波形随着随着转速的升高，交直轴电流的转速的升高，交直轴电流的动态过渡过程越来越动态过渡过程越来越长。长。0
9、 02 2电流环控制器设计内模内模控制框图控制框图内模等效控制框图内模等效控制框图其其中中：为为内内模模控控制制器器，为为控控制制系系统统的的输输入入给给定定，为为控控制系统的输出，制系统的输出，为被控对象，为被控对象，其等效控制器为：其等效控制器为：为内模模型。为内模模型。内模控制器可以设计内模控制器可以设计为：为：电流环电流环等效等效控制器为：控制器为：反对角线积分反对角线积分项对交叉耦合项起到项对交叉耦合项起到了补偿作用。了补偿作用。未解耦的未解耦的dq 轴电流波形轴电流波形解耦后的解耦后的dq 轴电流波形轴电流波形结论：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。0
10、 02 2仿真对比研究a)电机电机恒转矩恒转矩运行，运行，转速突变转速突变。基于传统基于传统PI调节器调节器的仿真结果的仿真结果本文所设计的复合控制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波动幅度高达+23N+23Nm m波动幅度为波动幅度为+19N+19Nm 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。0 02 2仿真对比研究b)电机电机恒转速运行，恒转速运行，负载突变负载突变。基于传统基于传统PI调节器调节器的仿真结果的仿真结果本文所设计的复合控制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波动幅度高达达-80rad/s-80rad/s
11、给定电气角速度给定电气角速度400rad/s，初始负载转矩，初始负载转矩5Nm，t=0.2s时提高到时提高到15Nm，t=0.4s时降低到时降低到10Nm。波动幅度只有波动幅度只有-10rad/s-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。03PART THREE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观测器结构框图观测器结构框图自适应二阶滑模观测器自适应二阶滑模观测器位置跟踪观测器位置跟踪观测器0 03 3自适应二阶滑模观测器设计建立定子电流状态估计方程：建立定子电流状态估计方程：其中：符号其中：符号“”代表估计值，代表估计值，“”代表误差值代表误差值
12、。电机电机的电流的电流状态方程状态方程：0 03 3自适应二阶滑模观测器设计根据电流误差状态方程建立根据电流误差状态方程建立二阶滑模观测器方程：二阶滑模观测器方程：选择选择 滑模超平面。滑模超平面。用等效控制法来获得用等效控制法来获得 ：收敛时收敛时其中：其中：其中：，。0 03 3自适应二阶滑模观测器设计采用模型参考自适应法估计反电动势：采用模型参考自适应法估计反电动势：参考模型参考模型可调模型可调模型可调模型可调模型采用李亚普诺夫方程进行稳定采用李亚普诺夫方程进行稳定性分析：性分析：选取李亚普诺夫函数如下选取李亚普诺夫函数如下:若若 ，则系统稳定。，则系统稳定。修正修正0 03 3仿真对比
13、研究0a)电机电机恒转矩恒转矩运行，运行，转速突变转速突变。传统传统SMO仿真仿真波形图波形图ASMO仿真仿真波形图波形图转速估计到的转速中不含高频噪声估计到的转速中不含高频噪声0 03 3仿真对比研究0a)电机电机恒转矩恒转矩运行，运行，转速突变转速突变。传统传统SMO仿真仿真波形图波形图ASMO仿真仿真波形图波形图反电动势估计到的反电动势中不含高频噪声估计到的反电动势中不含高频噪声0 03 3仿真对比研究0a)电机电机恒转矩恒转矩运行，运行，转速突变转速突变。传统传统SMO仿真仿真波形图波形图ASMO仿真仿真波形图波形图转子位置估计到的转子位置角中不含高频噪声估计到的转子位置角中不含高频噪
14、声结论：本文结论：本文提出提出的转子位置检测方法的转子位置检测方法有效地抑制了滑膜有效地抑制了滑膜抖振，估计到的所有参数中均不含高频抖振，估计到的所有参数中均不含高频噪声。噪声。0 03 3仿真对比研究b)电机电机恒转速运行，恒转速运行，负载突变负载突变。实际转子角速度与估计转子角速度实际转子角速度与估计转子角速度实际转子位置角与估计转子位置角实际转子位置角与估计转子位置角负载转矩突变时的负载转矩突变时的STA-ASMO仿真波形图仿真波形图结论：在结论：在负载突变时，本文提出的观测器也负载突变时，本文提出的观测器也能准确地能准确地估计出电机估计出电机的转速和的转速和位置。位置。04PART F
15、OUR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0 04 4传统脉振高频正弦电压信号注入法实际同步旋转坐标系与估实际同步旋转坐标系与估计同步计同步旋转坐标系旋转坐标系示意图示意图传统脉振高频信号注入法原理框图传统脉振高频信号注入法原理框图向向 轴注入轴注入如下电压如下电压信信号：号：会会限限制制电电流流控控制制器器的的带带宽宽，降降低低双双闭闭环环矢矢量量控控制制系系统统的的动态响应性能。动态响应性能。对对位位置置跟跟踪踪观观测测器器造造成成时时间间延延迟迟，使使得得估估计计出出的的转转子位置存在子位置存在滞后现象。滞后现象。0 04 4无滤波器信号分离策略信号信号分离过程分离过程框图
16、框图幅值相等、符号相反幅值相等、符号相反基波分量基波分量高频分量高频分量保持不变保持不变改进后的信号处理过程框图改进后的信号处理过程框图0 04 4仿真对比研究传统脉振高频正弦电传统脉振高频正弦电压注入法仿真结果压注入法仿真结果方波电压注入估计同步方波电压注入估计同步旋转坐标系的脉振高频旋转坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果信号注入法仿真结果方波电压注入静止坐方波电压注入静止坐标系的脉振高频信号标系的脉振高频信号注入法仿真结果注入法仿真结果稳态时，估计出的转速较为平滑稳态时，估计出的转速较为平滑0 04 4仿真对比研究传统脉振高频正弦电传统脉振高频正弦电压注入法仿真结果压注入法仿真结果方波电压
17、注入估计同步方波电压注入估计同步旋转坐标系的脉振高频旋转坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果信号注入法仿真结果方波电压注入静止坐方波电压注入静止坐标系的脉振高频信号标系的脉振高频信号注入法仿真结果注入法仿真结果估计到的转子估计到的转子位置存在明显位置存在明显滞后滞后结论：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估计出的转子位置基本不存在的转子位置基本不存在滞后现象，转子位置估计精度较高。滞后现象，转子位置估计精度较高。0 04 4电机无位置传感器全速范围运行复合观测器结构框图复合观测器结构框图加权控制函数加权控制函数转子角速
18、度转子角速度转子位置角转子位置角所所设计的复合观测器实现了脉振高频方波电压信号注入法与自适设计的复合观测器实现了脉振高频方波电压信号注入法与自适应二阶滑模观测器法之间的平滑切换切换，估计的转速输出平滑。应二阶滑模观测器法之间的平滑切换切换，估计的转速输出平滑。05PART FIVE结论及展望0 05 5结论改改进进了了转转速速控控制制器器和和电电流流控控制制器器，提提高高了了系系统统的的抗抗扰扰动动能能力力，改改善善了了系系统统的的动动态态响响应应性性能能，为为无无位位置置传传感感器器控控制奠定了坚实的基础。制奠定了坚实的基础。在在无无位位置置传传感感器器运运行行的的中中高高速速阶阶段段，提提
19、出出了了一一种种具具有有电电机机参参数数在在线线估估计计的的基基于于自自适适应应二二阶阶滑滑模模观观测测器器的的转转子子位位置置检检测测方方法法，避避免免了了低低通通滤滤波波环环节节的的使使用用，有有效效地地抑抑制制了了滑滑模模抖抖振振，提高了转子位置观测精度。提高了转子位置观测精度。在无在无位置传感器运行的低速位置传感器运行的低速阶段，提出了基于无滤波器阶段，提出了基于无滤波器信号分离策略的脉振高频方信号分离策略的脉振高频方波电压注入法，简化了信号波电压注入法，简化了信号处理过程，避免了滤波环节处理过程，避免了滤波环节的使用，提高了转子位置的的使用，提高了转子位置的估计精度。估计精度。研究了
20、一研究了一种复合控制种复合控制算法，实现算法，实现了脉振高了脉振高频方波电压注入法与频方波电压注入法与自适应二阶滑模观测自适应二阶滑模观测器法的有效器法的有效融合。融合。0 05 5展望应应加加入入参参数数辨辨识识理理论论对对电电机机永永磁磁磁磁链链进进行行实实时时估估计计，为为控控制制器器的的设设计计提提供供较较为为准准确确的的被被控控对对象参数。象参数。需需对对方方波波电电压压信信号号的的频频率率和和幅幅值值进进行行量量化化分分析析，以以确确定定出出方方波波电电压压信信号号的的最最佳幅值和频率佳幅值和频率。针对脉振高频方波电压注入针对脉振高频方波电压注入法应加入转子磁极极性辨识法应加入转子磁极极性辨识技术，以保证电机能顺利起技术，以保证电机能顺利起动动。同时应加入。同时应加入逆变器死区逆变器死区效应补偿方案，以进一步提效应补偿方案，以进一步提高转子位置估计高转子位置估计精度。精度。THANKS