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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,PART 01,PART 02,PART 03,PART 04,PART 05,背景与意义,永磁同步电机矢量控制系统控制器设计,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,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,结论及展望,目录,CONTENTS,01,PART ONE,背景与意义,01,研究背景,01,研究背景,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,01,研究意义,性能不稳定,机械位置传感器在实际应用中存在的问题,同心度问题,成本较高,降低可靠性,无位置传感器控制技术,01,研究现状,无位置传感器控制,在两相静
2、止坐标轴下，SPMSM的电流状态方程：,在两相静止坐标轴下，PMSM的电压方程：,注入的高频信号为正弦信号，需要使用多个滤波器来实现信号分离。,估计的参数中存在高频噪声，必须使用滤波器。,PMSM矢量控制框图,电流环控制器,转速环控制器,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。,无位置传感器控制,01,在低速段，研究了两种基于无滤波器信号分离策略的脉振高频方波电压注入法。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，研究了一种具有电机参数在线估计的基于自适应二阶滑模观测器的转子位置检测方法。创新点：有效抑制了滑模抖振，避免了滤
3、波器的使用，提高了转子位置估计精度。,针对全速范围内的无位置传感器控制，研究了一种复合控制算法。,02,PART TWO,永磁同步电机矢量控制系统控制器设计,02,PMSM基于PI调节器的矢量控制系统,PMSM矢量控制框图,电流环控制器,转速环控制器,没有摆脱对电机模型和参数的依赖，当扰动过大时，其无法满足调速要求。,仅实现了静态解耦，并没有消除动态耦合关系。,耦合项,02,电流环控制器设计,为了观察电机d-q轴电流的耦合影响，进行了仿真分析。图所示的工况为初始转速为零，在0.2s 时刻转速阶跃给定为0-300rad/s，在0.4s时刻给定 300-600 rad/s 的转速阶跃，在0.6s时
4、刻给定600-900 rad/s转速阶跃。,转速阶跃给定时dq 轴电流瞬态波形,随着转速的升高，交直轴电流的动态过渡过程越来越长。,02,电流环控制器设计,内模控制框图,内模等效控制框图,其中：为内模控制器，为控制系统的输入给定，为控制系统的输出，为被控对象，,其等效控制器为：,为内模模型。,内模控制器可以设计为：,电流环等效控制器为：,反对角线积分项对交叉耦合项起到了补偿作用。,未解耦的dq 轴电流波形,解耦后的dq 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。,02,仿真对比研究,电机恒转矩运行，转速突变。,基于传统PI调节器的仿真结果,本文所设计的复
5、合控制器的仿真结果,波动幅度高达+23Nm,波动幅度为+19Nm,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。,02,仿真对比研究,b)电机恒转速运行，负载突变。,基于传统PI调节器的仿真结果,本文所设计的复合控制器的仿真结果,波动幅度高达-80rad/s,给定电气角速度400rad/s，初始负载转矩5 Nm，t=0.2s时提高到15 Nm，t=0.4s时降低到10 Nm。,波动幅度只有-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。,03,PART 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,自适应二阶
6、滑模观测器,位置跟踪观测器,03,自适应二阶滑模观测器设计,建立定子电流状态估计方程：,其中：符号“”代表估计值，“”代表误差值。,电机的电流状态方程：,03,自适应二阶滑模观测器设计,根据电流误差状态方程建立二阶滑模观测器方程：,选择 滑模超平面。,用等效控制法来获得：,收敛时,其中：,其中：，。,03,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：,采用李亚普诺夫方程进行稳定性分析：,选取李亚普诺夫函数如下:,若，则系统稳定。,修正,03,仿真对比研究,0,电机恒转矩运行，转速突变。,传统SMO仿真波形图,ASMO仿真波形图,转速,估计到的转速中不含高频噪声,03,仿真对比研
7、究,0,电机恒转矩运行，转速突变。,传统SMO仿真波形图,ASMO仿真波形图,反电动势,估计到的反电动势中不含高频噪声,03,仿真对比研究,0,电机恒转矩运行，转速突变。,传统SMO仿真波形图,ASMO仿真波形图,转子位置,估计到的转子位置角中不含高频噪声,结论：本文提出的转子位置检测方法有效地抑制了滑膜抖振，估计到的所有参数中均不含高频噪声。,03,仿真对比研究,b)电机恒转速运行，负载突变。,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,负载转矩突变时的STA-ASMO仿真波形图,结论：在负载突变时，本文提出的观测器也能准确地估计出电机的转速和位置。,04,PART FO
8、UR,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,04,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计同步旋转坐标系示意图,传统脉振高频信号注入法原理框图,向 轴注入如下电压信号：,会限制电流控制器的带宽，降低双闭环矢量控制系统的动态响应性能。,对位置跟踪观测器造成时间延迟，使得估计出的转子位置存在滞后现象。,04,无滤波器信号分离策略,信号分离过程框图,幅值相等、符号相反,基波分量,高频分量,保持不变,改进后的信号处理过程框图,04,仿真对比研究,传统脉振高频正弦电压注入法仿真结果,方波电压注入估计同步旋转坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果,方波电压注入静止坐标系的脉振高频
9、信号注入法仿真结果,稳态时，估计出的转速较为平滑,04,仿真对比研究,传统脉振高频正弦电压注入法仿真结果,方波电压注入估计同步旋转坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果,方波电压注入静止坐标系的脉振高频信号注入法仿真结果,估计到的转子位置存在明显滞后,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估计出的转子位置基本不存在滞后现象，转子位置估计精度较高。,04,电机无位置传感器全速范围运行,复合观测器结构框图,加权控制函数,转子角速度,转子位置角,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。,05,PART FIVE,
10、结论及展望,05,结论,改进了转速控制器和电流控制器，提高了系统的抗扰动能力，改善了系统的动态响应性能，为无位置传感器控制奠定了坚实的基础。,在无位置传感器运行的中高速阶段，提出了一种具有电机参数在线估计的基于自适应二阶滑模观测器的转子位置检测方法，避免了低通滤波环节的使用，有效地抑制了滑模抖振，提高了转子位置观测精度。,在无位置传感器运行的低速阶段，提出了基于无滤波器信号分离策略的脉振高频方波电压注入法，简化了信号处理过程，避免了滤波环节的使用，提高了转子位置的估计精度。,研究了一种复合控制算法，实现了脉振高频方波电压注入法与自适应二阶滑模观测器法的有效融合。,05,展望,应加入参数辨识理论对电机永磁磁链进行实时估计，为控制器的设计提供较为准确的被控对象参数。,需对方波电压信号的频率和幅值进行量化分析，以确定出方波电压信号的最佳幅值和频率。,针对脉振高频方波电压注入法应加入转子磁极极性辨识技术，以保证电机能顺利起动。同时应加入逆变器死区效应补偿方案，以进一步提高转子位置估计精度。,THANKS,
