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控制系統(tǒng)

永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)傳感器控制技術(shù)綜述(二)

星之球激光 來(lái)源:中電網(wǎng)2012-12-17 我要評(píng)論(0 )   

基于觀測(cè)器技術(shù)的位置辨識(shí)方法 觀測(cè)器實(shí)質(zhì)是一種狀態(tài)重構(gòu),即重新構(gòu)造一個(gè)系統(tǒng),利用原系統(tǒng)中可直接測(cè)量的變量作為他的輸入信號(hào),并使其重構(gòu)狀態(tài)在一定條件下等價(jià)于原系...

基于觀測(cè)器技術(shù)的位置辨識(shí)方法

  觀測(cè)器實(shí)質(zhì)是一種狀態(tài)重構(gòu),即重新構(gòu)造一個(gè)系統(tǒng),利用原系統(tǒng)中可直接測(cè)量的變量作為他的輸入信號(hào),并使其重構(gòu)狀態(tài)在一定條件下等價(jià)于原系統(tǒng)狀態(tài)。等價(jià)的原則為兩者的誤差在動(dòng)態(tài)變化中能夠漸近穩(wěn)定地趨于零。這個(gè)用以實(shí)現(xiàn)重構(gòu)的系統(tǒng)稱為觀測(cè)器。

  觀測(cè)器按信號(hào)類型分為確定性觀測(cè)器和隨機(jī)性觀測(cè)器,按系統(tǒng)分為線性觀測(cè)器和非線性觀測(cè)器。觀測(cè)器基本結(jié)構(gòu)是由電機(jī)數(shù)學(xué)模型所構(gòu)成狀態(tài)估計(jì)方程加之以校正環(huán)節(jié),兩者構(gòu)成閉環(huán)的狀態(tài)估計(jì),即觀測(cè)器。電氣領(lǐng)域?qū)W者汲取世界眾多科學(xué)領(lǐng)域理論成果,結(jié)合各學(xué)科前沿思想創(chuàng)造性融入觀測(cè)器理論之中,形成諸多有價(jià)值不同控制思想的觀測(cè)器。在pmsm無(wú)傳感器技術(shù)中常采用自適應(yīng)全階觀測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器(ekf)和滑模觀測(cè)器(smo)。

(1)自適應(yīng)全階觀測(cè)器

  自適應(yīng)觀測(cè)器是融自適應(yīng)控制于觀測(cè)器理論的一種無(wú)傳感器技術(shù)。基本思想是將自適應(yīng)控制引入觀測(cè)器結(jié)構(gòu)的校正環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制。pmsm自適應(yīng)全階觀測(cè)器首先以pmsm兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓方程構(gòu)建電流觀測(cè)器。然后以經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理的pmsm數(shù)學(xué)模型作為參考模型。以構(gòu)建的電流觀測(cè)器為可調(diào)模型,用兩個(gè)模型輸出誤差驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)。在自適應(yīng)規(guī)律作用下,能夠不斷地修正待估參數(shù),以使兩模型輸出誤差趨于零。自適應(yīng)觀測(cè)器不僅可以用來(lái)估計(jì)pmsm轉(zhuǎn)子位置和速度,而且是基于波波夫穩(wěn)定性理論辨識(shí)電機(jī)參數(shù),減少了參數(shù)變化的影響,提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

 ?。?)擴(kuò)展卡爾曼濾波器

  卡爾曼濾波器同樣也觀測(cè)器的一種。是卡爾曼濾波思想在觀測(cè)器理論的應(yīng)用。擴(kuò)展卡爾曼濾波器同其他觀測(cè)器一樣,能夠跟蹤系統(tǒng)狀態(tài),其所不同的是它是非線性的、隨機(jī)的。ekf狀態(tài)估計(jì)分為兩大階段:預(yù)測(cè)階段和校正階段。在預(yù)測(cè)階段由上一次估計(jì)所得結(jié)果推算下一次估計(jì)的預(yù)測(cè)值。在校正階段為利用實(shí)際輸出和預(yù)測(cè)輸出偏差對(duì)預(yù)測(cè)值進(jìn)行反饋校正??柭鼮V波實(shí)質(zhì)就是對(duì)預(yù)測(cè)值反饋校正。因此,不僅具有優(yōu)化和自適應(yīng)能力,而且可以更好地抑制測(cè)量噪聲和系統(tǒng)噪聲。但是ekf濾波器缺點(diǎn)在于系統(tǒng)測(cè)量噪聲和系統(tǒng)噪聲的未知,帶來(lái)的問(wèn)題是難于采用確定的辦法選擇ekf濾波器中協(xié)方差矩陣。一般采用試湊法選擇協(xié)方差矩陣,而協(xié)方差矩陣關(guān)系到系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能及其穩(wěn)定性。因此,協(xié)方差矩陣的確定關(guān)乎系統(tǒng)穩(wěn)定與否顯得至關(guān)重要。

 ?。?)滑模觀測(cè)器

  滑模觀測(cè)器是滑模變結(jié)構(gòu)控制在觀測(cè)器理論的一種應(yīng)用。其特點(diǎn)是性能完全由其滑模超平面決定,過(guò)渡過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生超調(diào),整個(gè)系統(tǒng)對(duì)本身參數(shù)變化及外部擾動(dòng)均具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性?;舅枷胧鞘紫雀鶕?jù)pmsm數(shù)學(xué)模型建立滑模電流觀測(cè)器,選擇滑模觀測(cè)器觀測(cè)電流與實(shí)際電流偏差為滑模超平面,該偏差經(jīng)砰砰控制,估算出含高次諧波的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)構(gòu)成系統(tǒng)閉環(huán),含有高次的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)濾波后計(jì)算得出位置和轉(zhuǎn)速。估計(jì)變量中含有高次諧波是滑模觀測(cè)器的不足之處,這影響了高性能伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用,盡管可以進(jìn)行濾波處理,但通常方式的濾波會(huì)引起相位偏差。如前所述卡爾曼濾波器可以考慮噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響,可以將滑模觀測(cè)器與卡爾曼濾波有效結(jié)合,成分發(fā)揮卡爾曼濾波的長(zhǎng)處,構(gòu)成更加完善的觀測(cè)器。

基于pmsm電機(jī)特性估計(jì)方法

  pmsm無(wú)傳感器技術(shù)多數(shù)基于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)得以估計(jì)轉(zhuǎn)子位置。但當(dāng)轉(zhuǎn)速很低或零速時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)趨于零,轉(zhuǎn)子磁極位置難于精確估計(jì),甚至無(wú)法估計(jì)。高頻信號(hào)注入法是基于pmsm電機(jī)特性——凸極性以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極位置的觀測(cè),具有很大優(yōu)勢(shì),其主要方法有旋轉(zhuǎn)電壓矢量法和脈動(dòng)電壓矢量法。

 ?。?)旋轉(zhuǎn)電壓矢量法

  旋轉(zhuǎn)電壓注入法是向插入式pmsm電機(jī)注入三相對(duì)稱的高頻正弦電壓信號(hào),在電機(jī)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生幅值恒定而高速旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量,空間電壓矢量在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),受到轉(zhuǎn)子凸極周期性地調(diào)制,調(diào)制結(jié)果自然要反映在電流響應(yīng)上,定子高頻電流成為包含有轉(zhuǎn)子位置信息的載波電流,進(jìn)行解調(diào)處理后就可以從中提取出相關(guān)的轉(zhuǎn)子位置信息,以此構(gòu)成各種閉環(huán)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制。是目前十分受關(guān)注的一種無(wú)傳感器控制方法。

(2)脈動(dòng)電壓矢量法

  脈動(dòng)電壓注入法是向永磁同步電機(jī)注入脈動(dòng)電壓矢量,脈動(dòng)電壓矢量與勵(lì)磁磁場(chǎng)疊加,這會(huì)改變勵(lì)磁磁路的飽和程度,使勵(lì)磁磁路具有凸極性,這種凸極特性對(duì)脈動(dòng)電壓矢量產(chǎn)生調(diào)制作用,這種調(diào)制作用隨著脈動(dòng)電壓偏離勵(lì)磁磁極軸線變化而變化,這種變化反映在高頻電流響應(yīng)中,因此在這個(gè)電流響應(yīng)中便會(huì)載有轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差的信息。

  兩者均利用電機(jī)的凸極特性調(diào)制,但是旋轉(zhuǎn)電壓注入法的凸極性是屬于結(jié)構(gòu)性凸極,即應(yīng)用于插入式pmsm。而脈動(dòng)電壓注入法凸極性主要是飽和性凸極,結(jié)構(gòu)性凸極對(duì)高頻電壓調(diào)制作用微弱。即可應(yīng)用于面裝式pmsm,而旋轉(zhuǎn)電壓注入法卻不能。兩種方法均適用于低速估計(jì),也可用于初始位置估計(jì),均利用pmsm的凸極性,而不依賴于電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)。脈動(dòng)電壓輸入法特點(diǎn)在于不依賴于電機(jī)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài),可以工作在全速域內(nèi),甚至零速狀態(tài)下。

基于人工智能理論的估算方法

  基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能理論估算轉(zhuǎn)子位置方法是以mras為大背景而提出,目的在于利用其模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單,穩(wěn)定,改善mras在低速區(qū)速度估計(jì)精度并提高其對(duì)電機(jī)參數(shù)敏感程度。隨著人工智能理論的不斷發(fā)展和完善,研究無(wú)傳感器技術(shù)應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取代pmsm電流模型轉(zhuǎn)子觀測(cè)器,并以誤差方向傳播算法取代比例積分自適應(yīng)進(jìn)行位置估計(jì)。網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出具有明確的物理意義。網(wǎng)絡(luò)權(quán)值為電機(jī)參數(shù),網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程就是速度和位置估計(jì)過(guò)程。極具理論意義,但其理論研究尚不成熟,硬件實(shí)現(xiàn)也有一定的困難?,F(xiàn)智能控制理論如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊控制在電力傳動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用方面論文屢有發(fā)表,但實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化尚有一段距離。

pmsm無(wú)傳感器控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

  pmsm無(wú)傳感器控制是目前pmsm控制理論發(fā)展方向,其理論成果拓寬了pmsm應(yīng)用領(lǐng)域。pmsm無(wú)傳感器控制基本思想都是通過(guò)檢測(cè)電壓、電流引用相應(yīng)控制理論實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子信息的估計(jì)。但尚無(wú)一種pmsm無(wú)傳感器控制可實(shí)現(xiàn)pmsm系統(tǒng)全速運(yùn)行。一方面由于高頻信號(hào)注入法在零低速領(lǐng)域的絕對(duì)優(yōu)勢(shì),使其有望成為pmsm系統(tǒng)全速運(yùn)行的一種方法,但是由于高頻信號(hào)注入法本身帶來(lái)的一些問(wèn)題尚需更進(jìn)一步的研究,是眾多學(xué)者專攻的一個(gè)方向。另一方面人們基于觀測(cè)器分析方法引入現(xiàn)代控制理論如自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制以及非線性控制形成眾多無(wú)傳感器控制方法,每一種控制方法都有其自身優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也存在一些問(wèn)題,單一的控制很難取得理想的控制效果,探討將各種控制互相滲透和復(fù)合可以更好的提高無(wú)傳感控制性能是未來(lái)無(wú)傳感器控制技術(shù)的發(fā)展方向。

結(jié)語(yǔ)

  本文綜述pmsm無(wú)傳感器控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,分析比較pmsm無(wú)傳感器控制技術(shù)各種方法優(yōu)缺點(diǎn),指明pmsm無(wú)傳感器控制技術(shù)研究重點(diǎn)和所要解決的問(wèn)題,預(yù)測(cè)pmsm無(wú)傳感器控制技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向:一是以高頻信號(hào)注入法的零低速領(lǐng)域拓展到全速領(lǐng)域的研究方向;二是以基于觀測(cè)器的各種現(xiàn)代控制理論結(jié)合和滲透的研究方向。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

 

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