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永磁同步電機無速度傳感器：一種永磁同步電機的無速度傳感器控制方法及系統[發明專利]

專利內容由知識產權出版社提供
摘要：
本發明公開了一種永磁同步電機的無速度傳感器控制方法及系統，通過利用位置估算模型
估算永磁同步電機的轉子位置，代替了傳統永磁同步電機的機械式位置傳感器，降低了在永磁同步電
機在運行時受到的溫度和電磁噪聲的干擾，提高了裝置的運行可靠性，同時本發明在啟動階段采用電
流閉環控制，該控制方法具有“轉矩
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功角自平衡”特性，且具有一定的負載抗擾性，在高低速切換過
程不受負載轉矩變化的影響，電流幾乎無波動，系統魯棒性強。
申請人：
清能德創電氣技術(北京)有限公司,蕪湖清能德創電子技術有限公司
地址：
北京市豐臺區科技園外環西路26號院15號樓北棟
國籍：
CN
代理機構：
北京高沃律師事務所
代理人：
王愛濤
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永磁同步電機無速度傳感器：永磁同步電機無速度傳感器控制（三）——模型參考自適應法（一）【估計原理】

本篇對另外一種無速度傳感器控制策略做詳解——模型參考自適應MRAS無速度控制策略。

1 MRAS簡介
MRAS的主要思想：構建兩個具有相同物理意義的輸出量的模型，其中以不含有位置參數的電機方程作為參考模型，而將待估計參數的方程作為可調模型。利用兩個模型輸出量的差值構建適當的自適應律來實時調節可調模型的參數，使得可調模型的輸出跟蹤參考模型的輸出。MRAS結構圖如圖所示：

在MRAS轉速估計中，系統和轉速的漸近收斂由Popov超穩定理論來保證。對Popov積分不等式逆向求解即可得到由PI調節器控制的轉速估算公式。

2 基于MRAS的PMSM參考模型和可調模型的建立
首先看看PMSM在dq軸坐標系下的數學模型，定子電壓方程如下，其中p為微分算子。

定子磁鏈方程如下：

若將其轉換為電流模型，即將定子磁鏈方程帶入到定子電壓方程中即可得到以定子電流作為狀態變量的電流模型，如下所示：

令 id'= id + phif/L ,，iq' = iq ，Vd' = Vd + Rs*phif/L，Vq' = Vq，

則可以將參考電機模型寫為：

將可調模型寫為：

3、轉速估計的原理
在設計完參考電機模型和可調模型之后，可以結合文章開頭所述，利用兩個模型輸出量的差值構建適當的自適應律來實時調節可調模型的參數，使得可調模型的輸出跟蹤參考模型的輸出。那么兩個模型的輸出是什么呢？是電流。調節可調模型的什么參數呢？轉速。經過處理的電流差值（后面介紹這里為什么是經過處理的電流差值）經過估算PI調節器后可以得到估算轉速we，這個we會驅使可調模型輸出的id iq向參考模型的idiq逼近。從而使得可調模型收斂于可調模型，進而可以使得可調模型中的估算轉速向實際轉速逼近，進而實現轉速的估計。

永磁同步電機無速度傳感器：永磁同步電機矢量控制到無速度傳感器控制學習教程（PMSM）（一）

一個階段的學習結束了，整理了之前的過程中的學習成果，已經過了工作的年紀，在這里稍微出一下自己做的一套永磁同步電機的教程，從基礎的矢量控制，到應用性較強的MTPA、弱磁控制等，最后深入到無速度傳感器的控制，搜集了三種無速度的方法，足夠大家從基礎到深入整個過程的學習。

相信學過電機控制的同學深有體會，電機控制是一個先難后易的專業類別。為了解決電機控制入門難的問題，我將自己從一知半解到現在的學習記錄整理成如下七個部分學習教程。每個部分以相對應功能的Simulink仿真模型為核心，盡可能詳細對過程中很小的但容易卡住的問題進行解釋，作輔助理解文檔方便大家進行學習。每個部分資料全都基于一個電機參數，是一個系統的學習教程，我有信心大家拿到這份教程，認真學習，一定能夠走進電機控制的大門，并且掌握它。

注：資料僅供個人學習使用，請勿另作其他用途。

主要為目錄如下：
第一部分：（基礎入門一） ? ? ? ? ?  PMSM雙閉環矢量控制仿真實現及其調參詳解第二部分：（基礎入門二） ? ? ? ? ?  基于模糊PI調節器的PMSM雙閉矢量控制第三部分：（進階提升一） ? ? ? ? ?  三閉環位置控制詳解第四部分：（進階提升二） ? ? ? ? ?  MTPA控制專題詳解第五部分：（進階提升三） ? ? ? ? ?  MTPA+弱磁 控制多方法實現詳解專題第六部分：（提高：理論綜合實驗）模糊PI+MTPA+弱磁 控制多方法實現詳解專題第七部分：（實踐：芯片編程） ? ? ? 基于DSP的三閉環位置控制
? ? ? ? 每個部分資料，詳細介紹~其中第一部分：PMSM雙閉環矢量控制仿真實現及其調參詳解適合作為基礎入門，對整個控制框架作一個基礎的了解，對坐標變換、PI調節器、SVPWM模塊等模塊有一個基礎的理解，此部分應深入的探究，對后續的每個部分理解都有直接幫助，是后面所有部分的基礎。 ?第二部分：基于模糊PI調節器的PMSM雙閉矢量控制是在基礎雙閉環矢量控制優化了控制器，優化傳統PI性能，有助于大家深入理解控制器在系統中的作用。第三部分：? 三閉環位置控制詳解更改了控制目標，雙閉環控制的速度，三閉環控制的位置，有助于大家學會如何通過手段實現目標的控制，后續無論實現轉矩控制還是磁鏈控制都是同理。第四部分：MTPA控制專題詳解是優化了系統效率，通過推導系統中電流和轉矩的關系，選擇最小的電流輸出提升系統效率，有助于理解系統各物理量之間蘊涵的關系。第五部分：MTPA+弱磁 控制多方法實現詳解專題是擴展了系統應用范圍，將電機從額定轉速應用范圍，擴展到3~5倍轉速范圍應用，大大提升了系統的應用范圍。第六部分：MTPA+弱磁 控制多方法實現詳解專題就是將上述所有的過程結合起來進行一個綜合應用，單個模塊搭建相對容易，但是當多個功能共同實現時難度要大很多，這個部分有助于大家學會如何調試整個系統，統一調節管理各個模塊之間協同工作，這是有實際意義的，基礎掌握扎實后，做的最多的其實就是這個工作。第七部分：（實踐：芯片編程）就是從理論到實際電機的實現過程了，將仿真中的模型，轉化為代碼在平臺上跑出來，這是找工作或是學習理論的最終目標了。

第一部分：PMSM 雙閉環控制系統仿真實現與調參詳解
另外一些是對于初學者的，對于基礎入門的FOC有點困難的同學，這部分由于之間給學弟補過課，所以寫的比較的詳細，有具體的調試過程和參數計算公式，以及一些我手寫的推導過程，書籍推薦資料等。文檔內公式和VISO圖什么的都比較完全，可以直接復制粘貼到論文和演講PPT中，對于做課程設計和畢設的同學而言是比較好的資料。

第二部分：基于模糊PI調節器的PMSM雙閉環控制實現與分析詳解（雙閉環SVPWM的優化）

此部分是在基礎的雙閉環控制的基礎上進行的深入研究，有可能對于一些同學或者學校來說，只是純粹的雙閉環還無法滿足老師的要求，增加模糊PI調節器，這種自整定調節器，不僅能夠有效解決雙閉環控制中定速度環PI調節器參數在高速和低速的不通用問題，還能提高理論的深度和廣度，模糊PI調節器是一個非常值得深入研究的智能控制方式，有需要的同學或者只是想討論的都可以加我。

第三部分：矢量控制提升——三閉環位置控制詳解

此部分是對一種不同控制目標的控制策略——三閉環位置控制進行專題詳解。

文檔具備以下內容：

三閉環位置控制仿真搭建過程 + 三閉環位置控制仿真位置控制原理推導及其解釋重點：位置環+轉速環+電流環PI調節器設計與調試過程波形記錄及其分析參考論文三閉環提升：加入前饋控制器仿真+搭建過程

文檔主要介紹了三閉環位置控制具體的實現過程，詳細介紹了三閉環位置控制的基本原理及其與雙閉環之間的不同之處。在公式推導與雙閉環的基礎上，詳細介紹了三閉環位置控制在simulink內的搭建過程。本文檔除了以上內容，最重要的是詳細介紹了三個環也就是三個調節器的理論設計及其調試過程，我相信搭建過的同學知道，這是一個復雜的過程，需要一些調參的經驗和時間，所以三環的每個環我都把理論設計和調參過程以單獨的文檔記錄下來，以供同學們能夠了解其中來由，而不是一個仿真。最終對三閉環也進行了一個提升，加入了前饋控制器。具體如下圖

第四部分：矢量控制提升——MTPA控制專題詳解

此部分是對基于id=0的雙閉環矢量控制的一種優化提升的控制策略——MTPA控制的專題詳解。

文檔具備以下內容：

MTPA控制仿真搭建過程+MTPA+對比的id=0仿真MTPA公式推導+原理解釋PI調節器設計與調節過程參考論文波形記錄及其詳細分析（對比分析MTPA效果）

文檔主要以雙閉環為基礎介紹了一種對于凸極性電機而言更加優越的控制策略——MTPA控制，詳細的介紹了MTPA控制的基本原理和公式推導過程，在公式推導的基礎上，以獨立的文檔講解MTPA控制器在simulink內的搭建實現過程。另外關鍵的PI調節器的參數，也以一個專門的文檔記錄其理論設計過程，與根據波形現象調節參數的過程，可以有助于大家深入理解理論的同時，能夠結合仿真模型的結果進行調參。最后波形的分析，著重分析MTPA與id=0的效果對比，從現象闡述為什么MTPA可以實現電流利用率提升的問題。

第五部分：MTPA+弱磁 控制多方法實現詳解專題
此部分將MTPA和弱磁控制結合，在基礎MTPA控制的基礎上，實現了直接計算法（公式法）和變交軸電壓單電流調節器弱磁控制方法，從基礎的超前角弱磁——公式法——變交軸電壓單電流調節器法逐步深入，且在實現弱磁的基礎上，持續優化系統的動態性能，其中變交軸單電流調節器法動態性能最為優越。

第六部分：基于模糊PI調節器的永磁同步電機MTPA+弱磁控制實現與分析詳解
此部分相當于時上面雙閉環控制、MTPA、弱磁控制和模糊PI的綜合設計。如果只是單個實現一個功能其實是相對簡單的，如果想要將這些東西全結合在一起，需要同學們具備比較深厚的基礎，如果老師上來就讓你做這個，可能就無從下手，所以我也在此把這些內容整合在了一起，我做出來了之后也是非常值得慶祝了一番，對此方面有興趣的可以找我探討。

第七部分：基于DSP的三閉環位置控制程序
第二部分是一個基于DSP的位置控制三閉環控制程序，且已在實際平臺上驗證了可行性。程序內部注釋較多，CLAKR變換模塊、PARK變換模塊、SVPWM模塊、轉速調節器PI、位置調節器PI和電流環PI調節器，都有獨立的算法模塊。即使芯片不是DSP，里面的算法都是源碼，移植起來比較方便。

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上述內容主要針對有感控制進行解釋，下面內容主要針對無感控制。
永磁同步電機矢量控制到無速度傳感器控制學習教程（PMSM）（二）
基礎控制策略學習完成后，接下來就是深入到無速度傳感器的控制，在此搜集了三種無速度的方法，分為滑模法、模型參考自適應法、脈振高頻注入法，此三種方法涵蓋了永磁同步電機高速區和低速區的無感控制策略，足夠大家從基礎到深入對無感控制整個過程的學習。

主要為以下順序：
第八部分：簡略的雙閉環矢量到無速度傳感器控制教程第九部分：無速度傳感器控制——模型參考自適應控制實現與詳解第十部分：無位置傳感器控制——滑模觀測器無位置控制詳解第十一部分：無速度傳感器控制——脈振高頻注入（低速）
教程詳細介紹如下，

第八部分：簡略的雙閉環矢量到無速度傳感器控制教程
這個部分的教程呢其實對有一定基礎的同學較為適合，解釋和輔助文檔較少，但是仿真較多，參考論文較多。每個部分仿真都是我驗證過的，如果有需要基礎知識框架的同學以這個文檔進行學習，需要對電機控制世界有個宏觀體會，這個其實也是較為方便，不需要入手那么多復雜的。

總的來說，仿真的分為兩類，

第一類，id=0矢量控制，基于矢量控制的MTPA，基于矢量控制的弱磁控制，基于矢量控制的三閉環控制。第二類，無速度傳感器，滑膜控制，模型參考自適應控制，高頻注入控制。
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第九部分：無速度傳感器控制——模型參考自適應控制實現與分享詳解
在基礎的控制理論得到夯實之后，可以試著進軍無速度控制領域，對于無速度控制，模型參考自適應是一個非常好的入門方法，可以讓你對如何實現無速度傳感器控制的概念有一個基本的了解，所以我做了一個模型參考自適應詳解供大家打基礎。需要深入探究無速度控制的同學建議以此方法入門，然后深入了解其他方法，進軍低速域高速域。基于數學模型的注入法，基于現代控制理論的各種觀測器法都是解決無速度問題的深層次控制理論，希望大家加油，我也在往這方面努力。

最近準備把之前未整理出來的專題補上。拿到資料的同志們對我提出了非常寶貴的建議，大家都會想要從初始開始到結果，系統且完整的掌握知識，因此對自己的資料進行了一些偏向性的更改，對原理推導過程以及仿真搭建過程更詳細的闡述。資料還在逐步的擴展中，還請大家多加支持，多加指正，我還會繼續更新，感謝大家！！！

第十部分：無位置傳感器控制——滑模觀測器無位置控制詳解
此部分是對一種基礎的無位置傳感器控制方法——滑模觀測器（SMO）專題進行講解。

文檔內具備以下內容：

滑模觀測器仿真搭建過程+SMO仿真滑模觀測器公式原理推導解釋（手寫）滑模參數與雙閉環PI參數設計與調節過程參考論文電機基本參數說明波形記錄及其簡要分析
文檔內較為詳細的介紹了滑模觀測器的數學原理，以及滑模觀測器模塊的仿真搭建過程，這個過程以一個文檔的形式單獨記錄下來。另外關鍵的PI調節器與滑模觀測器的參數，也以一個專門的文檔記錄其理論設計過程，與根據波形現象調節參數的過程，可以有助于大家深入理解理論的同時，能夠結合仿真模型的結果進行調參，深入的理解整個系統各個物理量之間的內在聯系。另外，將滑模觀測器封裝為mask模塊，可以在換個電機時，外部更改即可。

第十一部分：低速無速度傳感器控制——脈振高頻注入
脈振高頻電壓注入法是指在估計的同步旋轉坐標系的直軸上（也就是d軸）注入高頻正弦電壓，所以注入信號在靜止坐標系中是一個脈振的高頻電壓信號。注入后，對交軸高頻電流進行調制解調，得到轉子位置和速度信息。

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永磁同步電機無速度傳感器：河北工業大學徐桂芝教授：大健康背景下生物電工領域的機遇與挑戰

北京交通大學電氣工程學院、北京縱橫機電科技有限公司的研究人員許中陽、郭希錚、鄒方朔、游小杰、邱騰飛，在2019年《電工技術學報》增刊1上撰文指出，基于定子電流模型參考自適應的永磁同步電機無速度傳感器控制算法簡單，對參數擾動具有較強魯棒性，適用于中高速運行場合下的轉子位置估計。利用數字處理器執行無速度傳感器控制算法時，需要將連續的電機時域模型轉換為離散模型，常用的前向歐拉方法隨著離散化步長的增加，已不能構造準確的可調模型。
本文以內置式永磁同步電機無速度傳感器控制為目標，分析在開關頻率變化時，七種不同離散化方法對于轉子位置估計精度的影響。仿真與實驗結果表明，當開關頻率大于5kHz時，采用前向歐拉法或階躍響應法，可以節省控制器運算資源，防止數字系統超限；在低開關頻率2kHz下，采用斜坡響應變換法或時移階躍響應變換法可兼顧轉子位置估計精度與運算時長要求，更加適用于大功率、低開關頻率的場合。
隨著現代電力電子技術與電力電子器件的不斷發展，電機控制技術由早期的工頻驅動發展為變頻控制調速，同時微電子技術與數字控制芯片運算能力的提高，使得交流調速系統可以有效實時數字化控制，具有更大的靈活性和可靠性。
為了節省成本，提高運行可靠性，永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）無位置傳感器矢量控制成為當下研究熱點，根據電機運行速度的不同，PMSM無位置傳感器控制方法整體可分為兩大類：一類是適用于零速或低速的控制方法，在電機基波信號上施加外部激勵信號，通過檢測外加信號響應估計轉子位置，由于電機運行時持續的激勵注入，會不可避免地帶來高頻損耗、轉矩脈動等問題。
另一類方法適用于中高速運行階段，其本質是直接或間接地從電機反電動勢信息中獲取和轉子位置有關的量，其中降維狀態觀測器（Reduced-Order Observer, ROO），穩定性好、魯棒性強，但存在算法復雜、計算量大的問題。
擴展卡爾曼濾波器（Extended Kalman Filter, EKF），基于最小方均差誤差理論，抗干擾能力強，缺點是會涉及到大量的矩陣運算。滑模觀測器（Sliding Mode Observer, SMO），參數魯棒性強，存在不可避免的抖動現象。
模型參考自適應法（Model Reference Adaptive System, MRAS）按照參考模型和可調模型的不同，又可分為基于定子電流的MRAS方法、基于定子磁鏈的MRAS方法、基于無功功率的MRAS方法。
基于無功功率的MRAS方法從穩態方程出發，動態性能較差；基于定子磁鏈的MRAS方法的參考模型由電機參數方程計算得到，對參數準確性有很強的依賴；而基于定子電流的MRAS方法將電機模型作為參考模型，從而避免了因參考模型不準確帶來的影響。
結合上述分析，本文采用基于定子電流的MRAS方法作為無速度傳感器控制的理論基礎。
目前對于無速度傳感器控制，多數學者致力于在全速度范圍內進行轉子位置有效估計的研究，在數字實現時開關頻率較高。但在軌道交通大功率應用場合中，一般開關頻率不會超過2kHz。
在基于定子電流的MRAS無速度傳感器矢量控制中，為了能夠在DSP等數字控制系統中實現轉子位置的有效估計，一般通過電流或電壓的差分方程將可調模型從連續域轉換到離散域，求解過程至少含有一個微分環節，隨著開關頻率下降，數字控制離散化方法的精度及穩定性會受到迭代步長和迭代方法選取的影響。
為了討論不同離散算法在低頻采樣計算下對于轉子位置估計的影響，除了常用的前向歐拉法（Forward Euler, FE）外，本文又引入了后向歐拉法（Back Euler, BE）、近似梯形法（Approximate Trapezoidal, ATZ）、梯形法（Trapezoidal, TZ）、階躍響應變換法（Step Invariant Transformation, SIT）、斜坡響應變換法（Ramp Invariant Transformation, RIT）、時移階躍響應變換法（Time Shifted Step Invariant Transformation, TSSIT）六種不同的離散化方法作為可調模型數字離散化實現的手段。
從離散精度、控制性能、運算步長、數字實現難易程度進行了綜合對比分析，得到在較低開關頻率下轉子位置估計的最優離散化方法，理論分析及仿真結果都證明了該方法的正確性及可行性。
圖10 永磁同步電機對拖實驗平臺
總結
本文深入剖析數字離散化方式對于PMSM轉子位置估計的影響，將七種不同離散化方法應用于基于定子電流的MRAS系統中，發現在較低開關頻率下，前向歐拉算法已不能在數字控制系統中構造較為準確的可調模型，這將影響轉子位置估計的精確性。
理論分析和仿真實驗結果表明，一階精度SIT算法等同于FE算法，在低開關頻率2kHz下，FE法與SIT法的轉子位置估計誤差最大，ATZ法的轉子位置估計精度稍有提高，RIT法與TZ法的轉子位置估計精度基本一致，且優于ATZ法。BE法與TSSIT法的轉子位置估計誤差最小。隨著開關頻率增加至5kHz，FE法、ATZ法、SIT法的轉子位置估計精度明顯提高，基本與TZ法、RIT法的估計精度一致，但對于BE法、TSSIT法的電角度估計精度改善并不顯著。
綜合考慮七種離散化方法的運行時長，在開關頻率大于5kHz情況下，采用FE法可以節省運算資源，防止數字系統運算時間超限，在低開關頻率2kHz下，采用RIT法或TSSIT法能夠兼顧轉子位置估計精度與運算時長要求，更加適合大功率牽引傳動系統無速度傳感器控制。
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