交直交永磁同步电动机无速度传感器矢量控制系统研究

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1、交直交永磁同步电动机无速度传感器矢量控制系统摘要：本文研究了交直交永磁同步电动机无速度传感器矢量控制系统，分别介绍了其交直交变压变频器的直流环节、矢量控制系统与扩展卡尔曼滤波算法在PMSM无速度传感器矢量控制系统中的应用。利用MATLAB，仿真验证了这三种模型的正确性与有效性。关键词：PWM整流器；矢量控制；SVPWM；扩展卡尔曼滤波SensorlessVectorControlSystemforAC/DC/ACPMSMAbstract:ThispaperpresentedsensorlessvectorcontrolsystemforAC/DC/ACPMSM,maked

2、acomprehensiveanalysisonrectifyingsystemofAC/DC/ACfrequencyconvertersandvectorcontrolsystemandExtendedKalmanFilteringforsensorlessvectorcontrolsystem,respectively.Thesimulationresultssuggestedthemodeliseffective.Keywords:PWMrectifiers;VectorControl;SVPWMExtended；KalmanFiltering0引言交直交变压变频器

3、被广泛地应用于交流调速系统中，永磁同步电动机(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)作为交流调速领域的一个重要分支，具有体积小、功率密度高、效率和功率因数高等优点。为了获得能和直流电机相媲美的动态性能，永磁同步电机控制系统通常采用矢量控制技术，将无传感器控制技术应用于永磁同步电机驱动系统更是近年来的研究热点。因而交直交永磁同步电动机无速度传感器矢量控制系统具有很高的研究价值。1直流环节设计1.1三相电压型PWM整流器数学模型三相电压型PWM整流器(VSR)主电路拓扑结构如图1所示。图中ea、eb、ec为交流侧的三相交流电压源，ia、ib

4、、ic为三相交流侧电流，vdc为直流母线电压，iL为负载电流。L为电抗器及线路的总电感，R为交流侧等效电阻，RL为负载电阻。设va、vb、vc为整流器各相输入端相电压。图1三相电压型PWM整流器Figure.1Three-phasePWMrectifier由基尔霍夫电压定律得VSR三相回路方程为[1](1)为简化控制系统设计步骤，使用坐标变换方法，将三相坐标系下的数学模型转换成基于电网电压定向的两相同步旋转dq坐标系中。式(1)可被表述为(1)1.2电压定向矢量控制系统图2PWM整流器电压定向矢量控制系统框图Figure.2Vectorcontrolblockdiagra

5、mofPWMrectifier由式(2)可得，三相VSR的d、q轴变量相互耦合，这增加了控制器设计的难度。因此，内环采用电流前馈解耦控制策略，以实现d轴与q轴变量的独立控制，外环采用直流电压控制，以维持直流母线电压的稳定。系统控制框图如图2所示。2永磁同步电动机的数学模型及矢量控制2.1永磁同步电动机数学模型dq坐标系下永磁同步电动机的磁链与电压方程如式（3）式（4）所示[2]：(2)(3)其中、、、、和分别为定子电流、定子电压和磁链在d轴与q轴上的分量；、分别为d轴与q轴电感；为电机电角速度且(为电机极对数，为电机机械角速度)；p为微分操作数，且；为定子电阻。由式(3)

6、和式(4)得：(4)永磁同步电机电磁转矩为：(5)忽略系统传动机构中的粘性摩擦和扭转弹性，系统的运动方程如下式所示：(6)2.2id=0控制由式(6)可得，永磁同步电机的电磁转矩主要取决于定子电流。由于永磁同步电机转子磁链基本恒定不变，故控制策略采用转子磁链定向法。此时磁链和转矩方程可简化为：(7)(8)由式（9）可知，电磁转矩仅与定子电流的幅值is成正比，即只需控制定子电流的幅值，便能控制电磁转矩。2.3SVPWM原理及仿真模型SVPWM的原理是通过控制逆变器功率器件的开关模式以产生逼近基准圆的有效电压矢量，由三相全桥PWM逆变器的八种开关状态可得八种基本的电压空间矢量

7、，其中u1~u6为有效工作矢量，在空间互差60°，幅值为2vdc/3(vdc为直流母线电压)，u0与u7为零矢量。基本电压空间矢量图如图3(a)所示。(a)基本电压空间矢量(b)矢量合成原理图图3基本电压空间矢量与矢量合成原理图(a)Thebasicvoltagespacevector(b)SchematicdiagramofcomposingvectorFigure.3Thebasicvoltagespacevectorandschematicdiagramofcomposingvector由图3(b)可知，αβ坐标系中合成