2024年3月12日发(作者：梦幻西游手游网易官网下载)

触持电棚　２０ｌ２年第４０卷第１期　驱动　

…一……－一一……………一…………………一……………………………………一…………ｃ，　／　／　％　，　≯　……　

高速永磁同步电动机无速度传感器矢量控制　

王继强　，李国华　，佟宁泽　

（１．辽宁工程技术大学，辽宁葫芦岛１２５１０５；２．冶金自动化研究设计院伺服系统研究设计所，北京１０００７１）　

摘要：研究了一种以定子电流为状态变量的高速永磁同步电动机无速度传感器模型。该速度传感器将参考　

模型ｑ轴电流与可调模型ｑ轴电流之差作为误差信号送人ＰＩ调节器调节后得到估计转速。为了确保特殊结构的高　

速永磁同步电机参数计算的准确性，建立了其场路耦合模型，并利用该模型计算了电机的交、直轴电感、转子磁链等　

参数。在此基础上进行了无速度传感器矢量控制仿真，仿真结果结果表明所提出的控制方案能准确检测高速永磁　

同步电动机的转子位置和转子速度，电机高速运行时具有良好的动态和稳态运行性能。　

关键词：高速；永磁同步电动机；模型参考自适应；无速度传感器；矢量控制　

中图分类号：ＴＭ３５１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４－７０１８（２０１２）０１—００３５—０３　

Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ　Ｖｅｃｔｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　ＰＭＳＭ　

ＷＡＮＧ　Ｊｉ－ｑｉａｎｇ　，ＬＩ　Ｇｕｏ－ｈｕａ　，ＴＯＮＧ　Ｎｉｎｇ－ｚｅ　

（１．Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕｌｕｄａｏ　１２５１０５，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｓｅｒｖｏ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｓｅｉｊｉｎｇ　１（３（１１７１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｐｅｅｄ　ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ　ｏｆ　ａ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｙ　

ｕｓｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｓｙｓｔｅｍ（ＭＲＡＳ）ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ　ｑ　ａｘｌｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ａｄ—　

ｊｕｓｔａｂｌｅ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｐｕｔ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ＰＩ　ｒｅｇｕｌａｔｏｒ．Ａｎｄ　ｒｏｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ　ｗａｓ　ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｌａｗｓ　ａｐｐｌｉｅｄ．Ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｐａ－　

ｒａｍｅｔｅｒ’Ｓ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ－ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ＰＭ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｗａｓ　ｂｕｉｈ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｎ－　

ｓｏｒ——ｌｅｓｓ　ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅｌ　ｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｃａｐａｂｌｅ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ　ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｒｏｔｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　

ｕｎｄｅｒ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｇｏｏｄ　ｓｔａｔｉｃ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｒｅ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ａｔ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ；ＰＭＳＭ；ｍｏｄｅｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｓｙｓｔｅｍ；ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ；ｖｅｃｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　

０引　言　

ＭＲＡＳ的永磁同步电机速度辨识方案并对转速和定ｊ　

子电阻进行辨识。文献［６—１０］分别采用扩展的卡　

为了实现对转矩的高品质控制，获得优良的动　

尔曼滤波、神经网络、滑模变结构等方法建立了永磁ｊ　

态性能，永磁同步电动机（以下简称ＰＭＳＭ）一般需　

同步电动机无速度传感器模型，但这些算法的设计ｉ　

要安装高精度、高分辨率机械式速度和位置传感　

比较复杂，实现起来对硬件的性能要求较高。文献　

器＿　ｌＪ。高速永磁同步电动机转子转速高达３０　０００　

［１１］提出了一种基于电磁转矩反馈补偿的新型ＰＩ　

—

１００　０００ｒ／ｍｉｎ。为了保证高速运行的安全，其转　

速度控制器，提高了速度环的抗负载转矩扰动能力。ｉ　

子长度必须受到严格的控制。安装机械式传感器，　

文献［１２－１３］对高性能变频调速控制系统中存在典ｊ亩　

必将增加转子长度，从而影响高速永磁同步电动机　

型离散控制问题进行了深入的分析。文献［１４］分　

转子的动力学性能。同时，高速永磁同步电动机的　

析了电机参数误差对永磁同步电机性能的影响。文　菘　

定子电源频率高达１　０００　Ｈｚ左右，其高次电磁谐波　

献［１５—２０］分别利用模型参考自适应、小波变换和；　

和高频振动对机械传感器精度造成较大影响　ｊ。　

神经网络、ＨＨＴ、Ｐａｒｋ模型等方法计算了永磁电机：曼　

无速度传感器不但能准确估计转子速度和转子位　

的参数，但这些方法较复杂。文献［２１—２２］利用场　

移，而且能避免机械式传感器对高速电机转子动力　

路耦合方法进行了异步电机和同步电机参数计算。　：蘧　

学性能的影响。因此无速度传感器对高速和超高速　

本文首先利用场路耦合方法计算了高速永磁同　禧　

电机而言具有重要的意义。　

步电动机的交、直轴电感、转子磁链等参数，并建立　

目前，无传感器ＰＭＳＭ矢量控制中转子位置和　

了一种以定子电流为状态变量的高速永磁同步电动；　

速度的估计方法有多种。文献［１］采用一种基于　

机无速度传感器模型。该速度传感器将参考模型ｇ　ｉ覆　

收稿１３期：２０１１—０６—２３　

轴电流与可调模型ｇ轴电流之差作为误差信号送人　

改稿１３期：２０１ｌ一１１—０９　

ＰＩ调节器调节后得到估计转速。该模型结构输入ｉ　

基金项目：辽宁省重点实验室项目（２００８Ｓ１０８）　

变量少，结构相对简单，可靠性高，特别对电动机的　３５　

驱动　

……

触持电棚　２０１２年第４ｏ卷第１期　

…一……一………………………一……………………………………………………………　ｃ，　，　／　ｇ　，　昀　

高速运行具有有效性和可行性。　转速估计：　

１隐极永磁同步的速度估计模型　

一ｄ一¨　一出　¨

．　

一　

在同步由坐标系中，隐极ＰＭｓＭ的电压方程　：　

∞ｒ　

埘　仕以　若　　一＝＝　ｄ一　一一　

数　：　

（等＋　）　（８）　

式中：　：　×　

：　

如图２所示，∞　会迫使ｉ　趋于　当　与ｉ　趋近　

ｄ　

ｓ　

Ｒ一一　

。　

Ｊ　

吼　

一　

令：　

划　

（２）　

表示：　

一　

ｒ　

ｓ　

（３）　

Ｌ　

一　

圈　

定义广义误差ｅ＝ｉｓ　－ｉ　，即　＝　一　，　＝ｉｑ　－ｉｑ　。　

将式（２）与式（３）相减，可得：　

Ｌ　

—　

ｒ　

ｄ『０ｄ１　

ＬＢ　

ｒ

ＲＬ　

‘　

一　

（４）　

即：　

掌：Ａ。

ｄｔ　

　一　

（５）　

ＲＬ　

一了一　Ｌｒ　

ｓ　

式中：Ａ　＝　

尺Ｌ　

，

Ｗ＝Ｊ（∞　一　）ｉ　，Ｊ＝　

一　

囊ｉ　ｈ　０　Ｊ。　

…磊珏　示菱～　

耄：　由式（５）可得如图　

前馈系统　

；１所不的标准反馈系　

蓄　统。若使这个反馈系　

ｉ统稳定，必须满足如下　

ｉ条　：　

图１等效非线性反馈系统　

感ｉ　（６）／　

器；　Ｖｔ，＞０　

矗・ｌ　

ｉ；式中：１＂ｏ为一有限正数。　

薷　将　和　分别代人：　

叼（０　）＝ｆ　ｅＴＪ（ｔｏ　一ｏ．１　）［ｉｆｔ　（７）　

３６　对Ｐｏｐｏｖ积分不等式进行逆向求解，就可得到　

一

致时，　逐渐逼近　。　

图２　ＭＡＲＳ估计转子速度和位置　

２高速永磁同步电动机的参数计算　

高速永磁同步电动机的额定转速为６０　０００　ｒ／　

ｍｉｎ，为了防止永磁体在巨大的离心力作用下破坏，　

采用非导磁高强度合金　．　掌　套　

钢护套对永磁体进行保．Ｆ二二二　一　

护　，如图３所示。为准七＝＝＝＝　

确计算该电机的交、直轴　图３转子结构示意图　

电感、永磁体磁链等参数，利用场路耦合方法建立了　

其有限元模型，并利用该模型计算了永磁体磁链。　

高速永磁同步电动机的转子磁链可以由下式计算：　

ｑ＇ｒ－－　Ｅｏ　（９）　

高速永磁同步电动机在６０　０００　ｒ／ｍｉｎ时的空载　

电压Ｅ。如图４所示。由式（９）可得其转子磁链约　

为０．０７４　Ｗｂ　

图４空载时电枢绕组上的反电动势　

对于直轴电感，先求出空载时的气隙基波磁通　

，。，

再求出直轴电流等于，ｄ时的气隙基波磁通　

，

便可利用式（１０）计算直轴电感　］：　

ｔＬ％ｄ：　一　，　（１０）＼　Ｖ，　　

』ｄ　

对于交轴电感　，直接在定子绕组中通入交轴　

电流　，求出此时产生的气隙磁通　叩，于是：　

Ｌ　：　＝　（１１）　

』ｄ　

高速永磁同步电动机某时刻空载和负载气隙磁　

密沿空间的分布如图５所示。由图５可知，负载时　

【１Ⅲ日喜≈　＿

触持电棚　２０ｌ２年第４ｏ卷第１期　

…………

－＿………………………………………………………………………………………０．　ｒ一　／　够　

∞∞柏

驱动　

∞　

……：　

气隙磁密存在较大的畸变，经傅里叶分析可以得到　

气隙磁密的基波幅值为０．１６　Ｔ，如图６所示。应用　

式（１０）可得其直轴电感为０．１１　ｍＨ。由于该电机　

为隐极结构，交轴电感也为０．１１　ｍＨ。　

０．２０　［　

罨　蓦　

图５空载和去磁时　

图６气隙磁场　

的气隙磁密分析　的空间谐波分析　

３仿真结果及分析　

本文利用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真来检验高速　

永磁同步电动机无速度传感器辨识算法的正确性。　

给定电机转速为６０　０００ｒ／ｍｉｎ，给定转矩为１２　Ｎ・　

ｍ，其额定功率为７５　ｋＷ，其转子转动惯量为０．０２５　

ｋｇ・ｍ。

。

给定和实际的速度上升曲线如图７所示，　

给定和实际的转矩如图８所示。电机在５．５　ｓ后速　

度稳定在６０　０００ｒ／ｍｉｎ。电机速度上升到额定转速　

之前，其输出转矩为最大输出转矩，约为３０　Ｎ・１１１，　

约为额定转矩的２．５倍。当转速上升到额定转速　

后，其给定转矩为零。６　Ｓ时，给电机施加额定负载　

转矩１２　Ｎ・ｍ。　

。　。ｍ　—

：

ｔＯ

藤　『＿育１０　

图７高速永磁同步电动机　图８高速永磁同步电动机　

的给定和实际速度上升曲线　的给定和实际转矩　

高速电机的相电流如图９所示，额定负载转矩　

时电流幅值约为１２０　Ａ，有效值约为８５　Ａ。相电流　

分解为直轴电流和交轴电流，如图１０和图１１所示。　

０　

图９高速永磁同步电动机图１０高速永磁同步电动机　

的相电流　的ｑ轴电流　

。　

图１１高速永磁同步电动机的ｄ轴电流　

高速永磁同步电动机的交轴电流与负载转矩成　

咖咖咖咖　

正比，空载时约为零，额定负载时其平均为１０８　Ａ。　

而直轴电流幅值在一４０—４０　Ａ之间变化，平均值约　

为零，高速永磁同步电动机的电磁转矩可由式（１２）　

计算，其电磁转矩为１２　Ｎ・ｍ。　

＝

１．５ｐ　Ｌ　（１２）　

４结语　

高速永磁同步电动机的转子结构和传统的永磁　

电机转子结构有所不同，为了准确计算该电机参数，　

建立了其场路耦合模型并计算了参数计算。在参数　

计算的基础上，建立了以定子电流为参考变量的高　

速永磁同步电动机自适应速度估计模型，并进行了　

仿真分析，验证了参数计算和速度估计模型的正确　

性。　

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（下转第４４页）　３７