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文、编辑凉薯不凉

前言

针对传统永磁同步电机（PMSM）直接转矩控制系统低速运行磁链观测不精确、转子位置估计存在相位延迟等问题。

设计了适用于全速度域的磁链观测器，并利用锁相环（PLL）技术改进了传统转子位置估计方法。提出了基于PI控制器的多模型组合磁链观测器。

实现了电阻在线估计和直流偏移补偿：利用锁相环技术设计了基于复变陷波器的转子位置估计结构。

最后，通过仿真和实验证明了提出的新型PLL结构能够有效地滤除观测反电势中的谐波成分，提高了转子位置估计精度。

永磁同步电机（PMSM）具有高功率密度、高可靠性等优势，广泛应用于航空航天电动汽车、医疗器械、机器人伺服系统等领域。

不同于矢量控制对电机定子电流进行解耦控制直接转矩控制以电机转矩为主要控制对象，因此基于直接转矩控制策略的永磁同步电机可以获得更优异的动态响应性能。

随着永磁同步电机应用领域的工况条件越来越严苛，使得永磁同步电机中检测转子位置的传统机械式位置传感器难以满足系统要求。

基于基波数学模型法或者高频信号注入法的无传感器转子位置估计方式成为国内外研究热点。

基于基波数学模型法的转子位置估计方式采用电机反电势为计算量，不会对电机正常运行造成干扰，在电机无位置传感器领域获得广泛应用。

采用基波数学模型法进行转子位置估计需要对电机反电势（定子磁链）进行合理观测。现有定子磁链观测器一般是基于电压模型法或者状态观测器实现的。

基于电压模型法的定子策略观测器存在误差积累和直流温漂等问题，现有定子磁链状态观测器普遍存在结构复杂、计算量大等问题。

反正切函数法是转子位置信息提取最简单的方式，但是由于逆变器非线性气隙磁场畸变等因素影响，导致观测反电势中存在大量谐波成分，严重影响到转子位置估计精度。

采用低通滤波器可以实现谐波成分的滤除，但同时影响系统动态响应性能。

近年来，在电网中广泛应用的锁相环技术在电机转子位置估计领域得到越来越多的研究应用。

基于锁相环的转子位置估计技术可以有效抑制观测反电势中谐波成分，提高转子位置估计精度。

但同时低通滤波器的使用会降低直接转矩控制系统的动态响应性能。现有锁相环滤波环节大多针对a一B静止坐标系下进行，导致滤波环节复杂。

本文首先提出一种基于PI控制器的多模型组合磁链观测器，该多模型组合磁链观测器以传统电压模型和电流模型为基础。

利用PI控制器调节磁链观测器在低速和中高速不同区域运行性能，针对传统定子电阻变化和递变器电压变化等因素导致磁链观测不精确问题。

设计了电阻在线估计和直流偏移补偿，提高了定子磁链观测精度。

其次，利用电网广泛应用的锁相环技术设计了转子位置估计结构，利用陷波器可以滤波特定谐波成分的特点。

针对观测反电势中主要谐波成分，设计了复变陷波器，提高了转子位置估计精度。

软件仿真验证所设计定子磁链观测器在不同速度域运行时的有效性，最后实验验证了基于PLL的转子位置估计精度比传统反正切函数法的优势。

多模型组合磁链观测器设计

传统永磁同步电机直接转矩控制系统原理框图，可知，定子磁链观测器是实现永磁同步电机直接转矩控制系统正常运行的基础。

为解决参数变化和外部扰动等因素对磁链观测精度的影响，a一3静止坐标系或者d-q旋转坐标系下的速度自适应观测器通常被采用，自适应环节的引人导致系统计算量增大，且容易造成相位延迟等问题。

本部分采用PI控制器将典型电压模型和电流模型组合起来，构成多模型组合磁链观测器，实现了全速度域定子磁链的有效观测。

观测器设计

WW为d.q轴的磁链;R为定子电阻：0为转子电角速度，4为永磁体与定子交链的磁链。

假设定子磁链状态可变，定子电流为输出值，则定子磁链观测器可表示为

新型磁链观测器同时在a-静止坐标系和d-q旋转坐标系2种坐标系下工作，并且采用了传统电压模型法和电流模型法定子磁链观测模型。

同时加人电流估计误差反馈和直流偏移消除环节，因此该新型磁链观测器具备传统电压模型法中高速磁链观测优势，又同时具备传统电流模型法低速磁链观测器精确特性。

1磁链观测器改进研究

0.1定子电阻估计

磁链观测器中电流模型涉及电阻参数，为消除电机运行过程不利因素对定子电阻值的影响，采用定子电阻在线估计方式进行电阻值误差修正可知：

R=-y/（ii.+igg）dt（11）较大的自适应系数值会影响到系统的动态响应性能。

而且引起谐振成分，由于电机运行时定子电阻值变化缓慢，因此取自适应系数r值为1是比较理想的数值。

0.2 直流偏移补偿

由于定子电阻引起的直流电压Ucc测量偏移会影响观测值u。

和u测量误差会导致较大转子位置估计误差。本系统针对直流偏移引起的误差，加入积分补偿环节进行消除。

0.3仿真研究

本部分采用Matlab仿真方式，对比传统定子磁链观测器和改进多模型组合磁链观测器在电机低速、高速运行时磁链观测精度，为保证本文所提改进控制策略有效性，仿真和实验所用电机参数是相同的。

永磁同步电机参数设置如下：极对数p=4.定子电阻R=0.8Ωd轴电感L=0.0085Hq轴电感L=0.0016H，电源电压Uc=36V，额定功率P=100W额定转速w=3000r/min。

电机稳态运行于低速（50r/min）时，传统定子磁链观测器和改进磁链观测器仿真结果。

电机稳态运行于高速（500r/min）时，传统定子磁链观测器和改进磁链观测器仿真结果，其中电机负载取50%额定值。

可知，采用传统定子磁链观测器时，电机低速运行时定子磁链估计值波动较大，电机高速运行定子磁链估计值波动较小，效果比较理想。

采用改进多模型组合磁链观测器时，无论电机运行于低速或者高速区域，定子磁链观测值波动都很小，性能优于传统定子磁链观测器。

转子位置估计方式研究

0.1电谐波分析

由于逆变器非线性、气隙磁场等因素影响，定子电流中会存在大量谐波成分，导致反电势观测值存在各种阶次谐波，影响到传统转子位置估计精度。

0.2复器设计

为消除观测反电势中主要谐波成分和其它相关谐波，本节提出基于复变陷波器的锁相环结构。

其中滤波环节采用复变陷波器（（complexnotch filterCNF）和滑动平均值滤波器（movingaverage filterMAF）串联组成的混合滤波环节，CNF用于滤波d-q坐标系下2次和6次谐波成分，MAF用于滤波其它阶次谐波分量。

由上述2种滤波器分析可知，新型复变陷波器可以有效滤除观测反电势中2次和6次主要谐波成分，MAF也可以实现对其它谐波成分的有效滤除。

仿真及实验研究

0.1仿真及结果分析

仿真研究在低速50r/min与50%额定负载情况下，电机转速突变至高速500r/min时，基于不同转子位置估计方式的电机转速波形和转子位置估计情况。

分析上述电机仿真结果可知，采用传统LPF反正切函数法转速波动为12r/min，转子位置误差为5°。

采用新型复变陷波器PLL转子位置估计方式的电机转速波动为9r/min，转子位置估计误差仅有3。

当电机转速从低速突变至高速时，传统反正切函数法由于LFP的使用，使得系统动态响应缓慢，动态响应时间为0015s，转子位置估计跟踪能力较差。

而基于新型CNF转子位置估计方式滤波环节对系统动态响应性能影响较小转速响应时间仅为0008s有效实现转速突变情况下转子位置跟踪目的。

0.2实验研究

本部分采用永磁同步电机样机实验的方式，对比分析传统转子位置估计方式和基于复变陷波器的PLL转子位置估计方式性能，对上述理论推导及仿真进行验证。

本文设置实验电机参数与31节的仿真电机参数相同。

实验研究在50%负载情况下电机转速从100r/min突变至500r/min情况时，采用2种转子位置估计方式的电机运行性能，其电机转速动态响应波形。

电机稳态运行于500r/min时，基于不同转子位置估计方式的转子位置估计误差。

从上述实验结果可以看出，采用传统转子位置估计方式和新型转子位置估计方式的电机稳态运行转速波动，均接近于15r/min基于2种转子位置估计方式的转子位置估计误差分别为6和35。

采用传统转子位置估计方式的电机转速动态响应时间为0025s，比新型转子位置估计方式电机慢了001s。

验证了基于复变陷波器的PLL可以有效滤除观测反电势中谐波成分、具有较高转子位置估计精度和较快动态响应性能的优势。

结论

本文设计了一种基于PI控制器的多模型组合磁链观测器，该磁链观测器可以实现电机低速和高速全速度域定子磁链的精确估计，为提高转子位置估计精度提供保障。

分析了由于逆变器非线性等因素影响，导致观测反电势中存在的主要谐波成分，以及这些主要谐波成分在不同坐标系的谐波阶次。

设计了基于复变陷波器的PLL滤波环节，实现了主要谐波成分的完全滤除和其它谐波成分的有效滤除。

仿真对比分析传统定子磁链观测器和多模型组合磁销观测器在电机低速和高速运行时定子磁链观测值的精度，验证了所设计磁链观测器可实现在全速度域对定子磁链的有效观测。

分析了传统LPF转子位置估计方式和改进复变陷波器PLL转子位置估计方式的性能，实验结果表明基于复变陷波器的PLL可有效减小转子位置跟踪误差，提高转子位置估计精度。

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