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      低分辨率位置傳感器永磁同步電機精確位置估計方法綜述

      發布時間:2018-01-30 16:36:00 點擊:    

       
       

      無錫宏達起重電機2018年1月30日訊 永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)憑借著運行可靠、效率高和體積小等優點逐漸成為交流調速和伺服領域的主流。尤其在數字控制系統中,矢量控制和空間矢量脈寬調制方法的應用使得永磁同步電機能夠實現高性能的速度和位置控制。目前,PMSM在加工制造業、新能源汽車和家電等領域都有著廣泛的應用。

       

      在高性能PMSM控制系統中,為了調節轉子速度和位置,一般需要在電機轉子軸端安裝位置傳感器用于轉速和位置閉環控制。常用的高精度位置傳感器有光電編碼器和旋轉變壓器,但這些傳感器在實際應用中會帶來很多問題,比如硬件結構復雜、系統成本增加、接口和電纜增多導致系統可靠性降低、引入電磁干擾等。

       

      為了解決這些問題,在過去的40年里國內外學者對交流電機的無位置/速度傳感器控制進行了大量的研究[1-6]。無位置傳感器方法可以分為工作在閾值轉速之上的位置估算方法和工作在零速及低速條件下的位置估算方法兩類。

       

      對于前一種方法,轉子位置估算是基于電機定子電壓方程和電機參考模型實現的,受電機參數和測量限制的影響,在低速和零速條件下,無法保證轉矩的可控性且控制回路帶寬非常低[7-10]。

       

      后一種方法即高頻信號注入法,是基于交流電機磁場凸極特性提出的,可以實現電機在零頻率時的正常工作[11-16]。但高頻信號的使用會導致額外的損耗、噪聲和振動,這就極大地限制了這種無位置傳感器方法在工業以及家電領域中的應用。

       

      此外,在加工制造業、新能源汽車和家電等領域,永磁同步電機的應用還以表貼式為主,由于沒有磁凸極,高頻信號注入法很難從感抗的變化中確定電機的轉子位置。

       

      如上所述,在家電和工業伺服等領域,無傳感器方法還無法保證全速度范圍下轉子位置跟蹤的準確性,同時在應用和實際性能表現上受電流傳感器以及逆變器等非線性因素影響較大,目前還無法實現兼顧成本和性能的目標。因此,要實現永磁同步電機全速度范圍穩定運行且具有較好的抗擾動性能,位置傳感器不可移除。

       

      低分辨率位置傳感器永磁同步電機驅動技術是一種能夠保證電機運行性能,同時能夠有效降低控制系統成本的轉子位置檢測技術。以開關型霍爾位置傳感器為例,其安裝簡單、成本低、體積小且對工作環境抗性較高。

       

      開關型霍爾位置傳感器在一個電周期內只能提供六個準確位置信息,無法實現轉子位置的精確定位。因此利用六個離散的霍爾位置信號估計得到高精度的轉子位置信息是霍爾傳感器永磁電機驅動技術的關鍵,是實現低成本并且提高系統控制性能及運行可靠性的根本性解決措施,具有重要的理論研究意義和工程應用價值。

       

      同時轉子位置信息的估計高度依賴開關型霍爾位置傳感器提供的六個準確轉子位置信號,因此對其安裝精度要求極高,需要對機械安裝誤差進行有效校正,以減小偏差,提高估算精度。

       

      本文以開關型霍爾位置傳感器為主,歸納梳理近年來的國內外關于低分辨率位置傳感器電機控制的文獻,詳細分析了霍爾傳感器安裝誤差矯正方法和高精度位置估算方法的基本思想及各種方法優缺點,總結現有研究進展和存在的問題。

       

      結論

       

      1)低分辨率位置傳感器永磁同步電機驅動技術是一種能夠保證電機運行性能,同時有效控制系統成本并提高系統可靠性的轉子位置檢測技術?;诘头直媛饰恢眯盘柟烙嬰姍C轉速和轉子位置的方法有很多,從模型法到非模型法,從開環控制到閉環控制。選擇何種估算方法取決于實際電機系統的硬件狀況和應用需求。

       

      2)以平均速度法和平均加速度法為代表的插值法和濾波器法作為非模型法轉速估計方法能夠在特定速度范圍內保證轉速的穩定控制,但因為估算結果噪聲含量較高且滯后明顯,該估算方法的應用僅局限于風機、泵類等轉速連續性變化較少的場合。

       

      3)具有閉環特性的觀測器轉速估算方法不僅對安裝誤差有更好的容忍性,同時能夠提高轉子位置估算精度,降低轉速估算誤差,為拓展電機系統速度環帶寬提供了可能。部分觀測器方法已成功應用于洗衣機、空調等家電和電動車領域。

       

      4)目前低分辨率位置傳感器永磁同步電機正弦波驅動技術集中應用于恒轉速和恒負載,正反轉和調速動態性要求較低的條件下。而在數控機床等現代工業場合中轉速和負載經常連續性變化,因此研究一種能夠實現低分辨率位置傳感器通用伺服全閉環控制的轉速和位置估算技術是一個重要的研究方向。此外,從算法實際應用表現、估算方法和電機控制器協同設計入手,同時結合系統參數辨識技術也將是未來的研究熱點。

       
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