采用低分辨率位置传感器的PMSM控制技术

第 27 卷 第 3 期 2006 年 � 6 月 河 南 科 技 大 学 学 报 : 自 然 科 学 版Journal of Henan University of Science and Technology: Natural Science Vol. 27 No. 3 Jun. 2006 基金项目: � 十五�国家科技攻关引导项目(2005BA206C) 作者简介:王 � 伊( 1982- ) ,男,河南洛阳人,硕士生. 收稿日期: 2006- 01- 04 文章编号: 1672- 6871( 2006) 03- 0044- 04 采用低分辨率位置传感器的 PMSM控制技术 王 � 伊,程善美 (华中科技大学 控制科学与工程系, 湖北 武汉 430074) 摘要 :介绍了永磁同步电机( PMSM)控制技术的发展和研究热点,综述了采用低分辨率位置传感器的永磁同步 电机控制技术,了由霍尔信号得到转子位置信息应用于电机控制的各种算法及其特点,并对未来低分辨 率 PMSM控制技术作出了展望。 关键词:永磁同步电机; 调速技术;低分辨率位置传感器; 位置观测 中图分类号:TN141. 9 文献标识码: A 0 � 前言 目前永磁同步电动机( PMSM)因具有功率密度大、效率高、转子损耗小等优点,已在医疗器械、化工、 数控机床、工业机器人、仪器仪、微型汽车等许多领域获得应用。 20世纪 80年代以来,随着价格低廉的钕铁硼(NdFeB)永磁材料的出现,永磁电机得到了很大发展, 以下仅就永磁同步电机控制技术的进展及发展趋势进行综述。 1 � 永磁同步电机调速技术发展 永磁同步电机是以永磁体代替直流励磁作为恒定励磁的电机,由三相逆变器经脉宽调制在电机的 定子产生一个旋转磁场, 它与转子永久磁铁所产生的磁场相互作用而产生旋转转矩。在永磁同步电机 的控制策略中, 传统的获取转子位置的方法是采用高分辨率的位置传感器,例如:光电编码器或者旋转 变压器。但带有位置传感器的永磁同步电动机成本高,并且传感器的性能易受到高温、潮湿等恶劣环境 的影响,由此也影响了永磁同步电动机的推广使用。传感器的存在也增加了 PMSM 伺服系统的价格和 体积,降低了可靠性,限制了应用环境。 目前已经有多种无传感器的转子位置观测方法。针对 PMSM 的位置估计方法常用的有电感法、磁 链法、假想坐标系法、观测器法、卡尔曼滤波法等。但是这些算法均比较复杂,程序开销大。并且由于转 子初始位置检测困难,无位置传感器算法启动阶段需单独设计, 启动时有可能造成反转;由于算法的限 制,电机运行的最低转速受到制约; 一些算法需要的电机内部参数会随着运行环境的改变变化, 影响运 行效果。 与此同时, 一部分国内外研究者一直在寻找一种基于低分辨率的位置传感器的控制技术。低分辨 率位置传感器一般指霍尔元件,成本低,运行可靠,但与传统的位置编码器相比,霍尔元件提供的反馈信 号分辨率较低。如何通过对这些低分辨率的霍尔信号进行处理, 得到高分辨率的位置信号用于永磁同 步电机的高动态性能调速,一直是基于低分辨率位置传感器技术的研究重点。 2 � 采用低分辨率位置传感器的控制技术现状 低分辨率传感器技术的特点就是用低成本的霍尔元件取代编码器, 因此各种算法也是围绕着如何 通过霍尔信号得到转子位置、计算转子速度等问题来进行研究。一般选取的霍尔元件是开关型霍尔元 件, 如图1所示:三个霍尔元件安装在相隔120�机械角度的圆周上,计为ha , hb , hc ; 转子机械角速度和 图 1� 三项两极式同步电机安装开关型霍尔元件 机械角度表示为 �rm和�rm ;转子电角度速度和转子电角度表 示为 �r 和 �r; 转子相对于霍尔元件的机械位置表示为 �rhm。 这种低分辨率的霍尔元件反馈信号为三相相隔 120�的 方波形式, 各有 180�的有效角度。这些信号把 360�的电角度 分为 6个 60�的霍尔扇区。文献[ 1]在转子每次进入新的霍 尔扇区时校正一次三角函数值,并根据上一扇区内转子平均 速度和当前时刻估算转子角度。这种算法在启动时读取一 次霍尔信号,并且假设转子处于当前霍尔扇区中央,初始位 置最大误差为 30�电角度。这种方法依据于理想状态下的信 号模型,对于环境恶劣条件或者电机加速或减速阶段, 结论 不能完全适用。实现过程中,在观测器中引入了积分环节, 这使得估算得到的电流相位滞后, 无法实现�零相位滞后�。 文献[ 2]假设转子速度在一个霍尔扇区内保持不变, 并 且与前一个扇区的平均速度相等。若转子加速度为 A ,转子在 t= 0时刻平均速度为 �m0, 则有 �m = �m0+ At , �( t ) = Pn�t0 �mdt = Pn( �m0t + 12 At2) 由 �( t- 1) = - �/ 3, �( t 1) = �/ 3得到转子估计位置: �D ( t ) = 12 Pn( �m0+ �m02- 2�3PnA ) t 这种算法的位置观测误差与电机速度和加速度有关,在电机速度减小或加速度变大的时候,位置观 测误差较大,所以不能应用于电机启动阶段和低速加减速阶段。 文献[ 3]用软件实现了控制算法,并且每隔 60�电角度,在进入新的霍尔扇区时校正一次位置估计误 差。减小了位置估计误差,但是低速和启动阶段的问题还是没有解决。 2001年, Caricchi提出了一种新的采用线性霍尔元件的控制策略[ 4]。线性霍尔元件提供宽幅值的微 分输出,可以避免外部环境的影响。但是线性霍尔元件成本仍然较高,难于安装调试并且位置观测误差 比较大。 文献[ 5]为了进一步节约成本,去掉了电流传感器,通过电机模型估算电流值进行控制。为了改善 启动和低速性能,通过转子加速度对估算速度和角度进行补偿, 从而使控制方法适用于全速度范围。文 献[ 6]进一步改进了位置观测方法,通过加入 q轴参考电流的影响来计算位置补偿。同样,这个方法也 适用于电机启动阶段。 Capponi从泰勒展开式的角度阐述了转子位置和速度观测算法[ 7, 8]。根据电角度估算表达式的泰勒 展开式分为零阶算法和一阶算法。首先假设在每一个霍尔扇区内转子的速度保持恒定, 零阶算法中: ��0( t ) = �k + ��0k( t - tk) , �k � ��0( t ) � �k + �3 ,其中 � � 0k = �/ 3�tk- 1,是转子在上一个霍尔扇区内的平 均速度。 一阶算法中: ��1( t ) = �k + ��0k( t - tk) + � �(1) 1k 2 ( t - t k) 2 , �k � ��1( t ) � �k + �3 ,其中的一阶微分定 义为: �� (1)1k = �0k - �0( k- 1)�tk- 1 。 毫无疑问, 阶数的增加必然使估算误差降低, 但是处理器计算量增大, 更高阶数的角度估算难于通 过程序实现。零阶和一阶算法中, 存在一个最小转速使得算法的假设不成立,与此同时当转速很低时, 会导致处理器内部计数器溢出,因此需要单独设计启动方法。Capponi采用了 120�的方波电流控制方法 启动电机, 当转速超过最低转速,并且转子刚刚换相进入新的霍尔扇区时,切换为正弦波控制。这样可 以避免转矩大幅度脉动。 在针对传统的霍尔反馈信号处理算法改进的同时,文献[ 8]提出了一种矢量追踪观测器的思路,采 用一个旋转的单位矢量对环计算得到的电角度进行反馈处理。无位置传感器技术中的旋转矢量是与观 �45�第 3期 王 � 伊等:采用低分辨率位置传感器的 PMSM 控制技术 测器估算的电压矢量乘积输入控制器, 低分辨率技术里则是将旋转矢量与霍尔旋转矢量一起做矢量乘 积输入到控制器。与此同时, 通过电机模型的建立,得到一个前馈的电磁转矩矢量, 与控制器输出一起 在电机机械模型中估算电角度,如图2所示。 图 2 � 矢量追踪观测器法结构图 这种矢量追踪观测器的实现方法首次提出了霍尔反馈矢量的概念,并且应用到实际的反馈计算中, 用类似空间矢量的方法分析了电机转子换相的过程。由于其借鉴了无位置传感器技术的特点和算法, 因此具有无传感器技术的一些缺点,例如算法复杂,需要建立相对准确的电机模型参与计算, 对电机参 数精度要求高等等。 文献[ 9]将无位置传感器技术中的状态滤波器观测法同低分辨率位置传感器技术相结合,利用一个 复合函数的设计,使得在不同转速阶段, 两种位置和速度观测法分别起作用, 从而达到全速度范围内无 跳变调速。 3 � 发展方向 降低成本并获得较好的动态性能依然是永磁同步电机控制目前的研究重点之一。主要的研究方向 有以下几个方面。 ( 1)应用最新的处理器和电力电子技术实现控制算法。随着电力电子技术的发展和 DSP 处理器的 应用, 许多高频率、大计算量的控制算法得以实践,目前已有研究者利用 CPLD或者 FPGA实现永磁同步 电机的实时控制[ 10]。 ( 2)与无位置传感器的控制方法相结合。低分辨率传感器的使用可以解决转子起始位置检测的问 题,从而改善无位置传感器控制策略的电机启动问题。霍尔扇区的准确分布和反馈信号对于转子位置 的确定,可以同其他无传感器技术结合,作为校正转子估计位置的依据, 从而减小了位置观测误差[ 11]。 所以也有学者提出了�准无位置传感器技术�,即采用低分辨率霍尔元件作为传统无位置传感器技术的 一个补充和校正。 ( 3)进一步降低成本,减少霍尔元件的数量。采用无电流传感器技术[ 5]或者采用一二个霍尔元件 实现位置观测[ 9, 12]。由于采用一个霍尔元件使得霍尔扇区为 180�电角度, 致使这种方法的初始位置观 测误差达到了 90�电角度。 ( 4)无接触的位置传感技术。无接触传感技术有霍尔效应、电磁效应和感应技术。传统的无接触霍 尔传感器采用线性霍尔技术, 其性能受热效应影响大, 输出角度只能达到 140�, 无法实现 360�旋转角度 检测输出。Triaxis公司一直致力于无接触旋转位置传感器的研究[ 13] , 2005年推出了 MLX90316霍尔传 感集成电路,避免了温度对测量精度的影响, 扩大了芯片适用的温度范围, 并且输出角度达到了 360�。 MLX90316具有模拟量输出、PWM输出和串口输出三种输出形式,可以直接应用于下一步的信号处 理,这些输出信号都是可编程控制的。MLX90316作为新兴的传感芯片,性能强大并且成本低,今后会得 到广泛的应用。 �46� 河 南 科 技 大 学 学 报 : 自 然 科 学 版 � � � � � � � � � � � � 2006 年 4 � 结束语 永磁同步电机具有许多独有的优点,使得它已被广泛地应用于许多领域。在改善启动性能和低速 运行方面,基于低分辨率传感器或者准无位置传感器技术有很大的研究潜力。新兴的传感技术同样也 是技术革新的重要机遇。 参考文献: [ 1] � CORDNE K A, SUDHAFF S D, A Hybrid Observer for High Performance Brushless DC Motor Drives[ J] . 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Key words: PMSM;Low resolution position sensor; Position observation CLC number: TN141. 9 � � � � � � Document code: A Article ID: 1672�6871( 2006) 03�0044�04 �Architecture� Uniaxial Static Creep Test of the High Temperature Stability of Asphalt Mixture ( 48 )������� LI Hui, ZHANG Jiu�Peng, HUANG Xiao�Ming � ( Transportation College, Southeast University , Nanjing 210096, China) Abstract: A static uniaxial creep test was carried out to investigate the influence of the void ratio and the asphalt� aggregate ratio on the high temperature stability of modified AC �20I asphalt mixture. The results are as follows: there is a clear correlation between the F t and the stability of the mixture at high temperature, with the stability increasing as the F t gets greater; as the intercept and slope of the compliance�time semi�logarithm curve gets larger, the stability decreases, but the correlation is not so obvious; when the void rat io was more than 4%, the less the void ratio, the more stable the mixture is; when the asphalt�aggregate ratio is optimum, the mixture is fairly stable at high temperature. Key words:Asphalt mixture;Uniaxial static creep test; Void ratio; Asphalt�aggregate rat io; Flow time CLC number: U414. 75 � � � � � Document code: A Article ID: 1672�6871( 2006) 03�0048�04 WebGIS�Based Emergency System for Major Urban Accidents ( 52 )�������������� ZENG Xian�Lu, ZHANG Guo�Shu, ZHOU Bo, GUO Ji�Hong � ( Department of Resource Management , Anhui University of Science & Technology , Huainan 232001, China) Abstract:WebGIS is applied in traditional urban safety management to develop a city accident emergency system of quick response and scientific decision�making. The system mainly consists of modules like basic information management, geographical informat ion management, hazard analysis and management, emergency decision�making and management, system management, etc. The application of the system can prevent the occurrence or spread of accidents and reduce the property loss and casualty to a minimum extent. Key words:Net; Geographical information system; Major urban accident ; Emergency system CLC number: TU99; K909 � � � � � Document code: A Article ID: 1672�6871( 2006) 03�0052�04 Stress Analysis of SRC Transfer Beams ( 56 )����������������������� LIANG Bin1, MENG Fan�Shen2, LU Xin�Wei3 � (1. Architectural Engineering College, Henan University of Science & Technology , Luoyang 471003, China ; 2. College of Civil Engineering , Luoyang University , Luoyang 471023, China; 3. Yanshi Supervision Company for Engineering Construction, Yanshi 471900, China) Abstract: The structural behavior of steel reinforced concrete ( SRC ) transfer beam and upper shear wall in cooperation is studied with the elastic mechanics method and the nonlinear finite element method. The results show that the beam can be an eccentric tension member, meanwhile the performance of shear wall must be considered. Results also show that at the end of the transfer beam and the shear wall, special consideration must be given to the shear stress and vertical compressed stress, and the interact ion between them. Key words: Steel reinforced concrete; Transfer beam; Shear wall; Elastic mechanics solution; Nonlinear finite element method CLC number: TU323. 3 � � � � � Document code:A Article ID: 1672�6871( 2006) 03�0056�03 Sensitivity Analysis and Calculation of Probability Fatigue Life of Thick�walled Cylinders with Internal Pressure ( 59 )������������������������������������ LI Xue�Ling1a, WANG Hui�Ping1b, LIU Yong2, CUI Fa�Shan2, ZHANG Wei1b � ( 1a. College of Science; 1b. Architectural Engineering College, Henan University of Science & Technology , Luoyang 471003, China; 2. Design Institute of City Construction & Investigation of Luoyang , Luoyang 471000, China) Abstract: Sensitivity analysis of structural fat igue life of thick�walled cylinder is very important for the design and No. 3 CONTENTS AND ABSTRACTS � ��