An Approximate High Gain Observer for Speed-sensorless Estimation of Induction Motors

Rotor speed estimation for induction motors is a key problem in speed-sensorless motor drives. This paper performs nonlinear high gain observer design based on the full-order model of the induction motor. Such an effort appears nontrivial due to the fact that the full-model at best admits locally a non-triangular observable form(NTOF), and its analytical representation in the NTOF can not be obtained. This paper proposes an approximate high gain estimation algorithm, which enjoys a constructive design, ease of tuning, and improved speed estimation and tracking performance. Experiments demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm.

真空泵用屏蔽电机无传感器残压重投控制策略

针对真空干泵机组故障、生产工艺需要等原因影响真空设备产线在线运行时间的问题,研究真空干泵用屏蔽式感应电机带速重投策略,寻求重投的有利时刻以保证带速重投的成功,对电机断电后的转速和定子失电残压特性展开研究。为此,根据屏蔽感应电机空间向量模型,建立基于电压电流混合磁链观测的无速度传感器估算模型、推导电机断电期间的转速估算方法以及定子失电残压解析式。通过重点研究定子残压和虚拟重投电压间幅值特性和相角特性,确定控制系统的首次重投点和其次重投点。以4 kW真空干泵用屏蔽感应电机机组为例,通过模型仿真和失电残压实验验证了该控制方法在泵类工程中有较好的适用性和准确性,重投阶段的转速稳定时间为0.5 s以内,重投阶段的冲击电流平均减小59.18%。

一种自适应扩展卡尔曼滤波的永磁同步电机无位置传感器矢量控制

在粗差干扰或噪声统计偏差情况下,扩展卡尔曼滤波(EKF)对永磁同步电机(PMSM)的速度和转子位置估计存在精度下降问题,为此提出一种基于新息序列的自适应扩展卡尔曼滤波算法(AEKF)。首先,将粗差干扰加入系统观测方程中,分析粗差干扰对系统观测精度的影响。其次,为增强算法的抗扰性能,在新息协方差计算中设置加权系数,通过调整临近时刻的新息协方差阵权重,计算出新息协方差值,并更新到卡尔曼增益的计算。最后,建立AEKF数学模型,并对比粗差干扰与噪声统计出现偏差情况下,AEKF与EKF两种策略的观测性能。仿真和实验结果表明,在粗差干扰或噪声统计信息出现偏差情况下,AEKF算法对永磁同步电机转速的观测具备更强的鲁棒性及更高的预测精度。

基于滑模观测器的高速PMSM无传感器控制

针对基于饱和函数滑模观测器方法存在调节参数多及低通滤波器带来的相位延迟问题,研究一种基于超螺旋算法的滑模观测器无传感器控制策略,通过理论推导及系统稳定性分析,设计了一种滑模系数根据转速变化在线调节的自适应滑模系数算法。通过实验验证了该方法相比于基于饱和函数滑模观测器,能在较宽速度范围内有效地抑制抖振,提高了无传感器控制系统的估计精度,简化了参数调节过程及滤波器设计环节。

基于模糊扩展卡尔曼的直线感应电机无速度传感器控制

直线感应电机(linear induction motor,LIM)可实现无接触、无摩擦的直线运动,具有爬坡强、横断面小、低噪音等优势,在中低速磁悬浮与城市轨道交通中被广泛应用。其中,基于观测器的电机无速度传感器矢量控制方法,是解决速度传感器成本高、可靠性低、维护难等问题的有效途径。针对LIM速度辨识受系统内外扰动影响导致观测精度下降问题,提出基于模糊扩张卡尔曼滤波(Fuzzy Extended Kalman Filter,FEKF)的速度观测方法,提高观测器鲁棒性。首先在αβ坐标系下建立考虑动态边端效应的LIM数学模型,利用LIM的实时电流和电压作为输入信号,以电流、磁链和速度作为状态变量,推导出基于扩展卡尔曼滤波(extended kalman filter,EKF)观测器电机状态空间方程的离散模型,利用EKF对LIM的速度和磁链进行在线观测,并用于实现LIM的矢量控制。其次,为提高EKF的噪声协方差矩阵Q对LIM系统内外扰动的鲁棒性,引入模糊控制方法对矩阵Q进行自适应调整,实现速度与磁链的估计精度。具体通过计算系统理论残差与实际残差的偏离程度得到噪声调节因子,实时调整噪声协方差矩阵Q,并在下一周期更新模糊扩展卡尔曼的反馈增益矩阵,提高对速度与磁链的估计精度。之后对系统的能观性与FEKF的收敛性进行分析,探明矩阵Q中各参数的边界及整定规律。最后通过仿真和硬件在环实验验证所提FEKF优化算法的有效性,结果表明FEKF能有效提高对LIM速度辨识准确性,实现LIM无速度传感器矢量控制。

考虑边端效应及参数变化的直线感应电机MRAS速度观测方法

以轨道交通直线感应电机(Linear Induction Motor,LIM)牵引驱动系统速度观测器为研究对象,针对边端效应及电机参数变化导致辨识结果实时性、鲁棒性不足的问题,提出一种基于二阶超螺旋滑模的改进模型参考自适应系统(Model Reference Adaptive System,MRAS)速度观测方法。首先,以计及动态边端效应的初次级电压电流磁链方程为核心,设计直线感应电机标准MRAS速度观测器,降低边端效应对速度辨识性能的影响。然后,进一步分析初级集肤效应和初次级横向错位对标准MRAS速度观测器辨识性能的影响。在此基础上,基于二阶超螺旋算法对MRAS参考模型进行改进,利用主滑模面和辅助滑模面对次级磁链观测的干扰项进行补偿,同时抑制由于滑模算法引入的系统抖振,提高了速度观测器的鲁棒性和动态性能。最后,搭建仿真和硬件在环实验环境进行算法验证。实验结果表明:励磁互感及其他电机参数随边端效应修正因子变化,标准MRAS观测器在突加负载、引入测量误差和电机参数突变的工况下,速度辨识误差明显;改进的MRAS观测器能够实现直线感应电机速度的快速、准确辨识,基于该速度观测器的矢量控制策略,在突加负载、引入测量误差和电机参数突变的工况下,控制性能满足设计要求。研究结果能为轨道交通直线感应电机无速度传感器牵引驱动系统的研究提供一定借鉴。

基于两级滤波的改进滑模观测器PMSM无速度传感器控制

针对永磁同步电动机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)伺服系统中由滑模观测器引起的位置估算误差以及抖振问题,提出了一种改进的两级滤波滑模观测器。首先,根据PMSM的数学模型,设计了利用传统滑模观测器估计定子电流和反电动势的估计算法;其次,分析了传统滑模观测器在PMSM伺服系统应用中的不足;再次,提出了一种新的饱和函数以代替传统的符号函数,改进了滑模观测器的控制律;最后,通过变截止频率滤波器和卡尔曼滤波器组成的二级滤波器,得到PMSM转子更精确的位置估计信息。利用Matlab,对使用了传统观测器的系统和使用改进的观测器的系统分别进行了仿真,仿真结果表明:与使用了传统观测器的PMSM伺服系统相比,使用了改进观测器的PMSM伺服系统转速误差更小、估算结果更准确。

表贴式永磁同步电机无位置传感器零低速起动方法的比较研究

由于运行在中高速状态下的永磁同步电机无位置传感器控制方式大多是采用反电动势来估算角度位置和转速,这在零低速往往不适用。为了实现表贴式永磁同步电机无位置传感器零低速起动和平滑切换到中高速运行,分析了恒压频比控制、恒流频比控制、脉振电压信号高频注入法三种低速起动控制方法。开环恒压频比控制采用了新的V/F曲线和电压补偿,近似补偿定子阻抗压降防止起动失败;单闭环IF控制和双闭环脉振高频电压注入控制采用加权算法切换至滑模观测器。对某一表贴式永磁同步电机应用Matlab/Simulink进行了永磁同步电机无位置传感器控制系统的仿真分析,仿真结果验证了所提出方法的有效性。

永磁同步电机无位置传感器控制技术综述

无位置传感器电机驱动器具有成本低、可靠性高、硬件电路简单以及维护要求少等优势,在学术界和工业应用中受到了越来越多的关注。对适用于零低速域、中高速域以及全速域三种运行范围的多种无位置传感器技术进行了综述。首先,分别对比分析了零低速域和中高速域下各种无位置传感器控制方法的优缺点。其次,梳理和总结了目前全速域运行的切换控制策略。最后,对永磁同步电机无位置控制技术的未来发展趋势进行了展望,并指出了后续研究的关键问题。

三相鼠笼异步电动机无传感器转速检测技术及其适应性

针对三相鼠笼异步电机无位置传感器快速傅立叶变换(fast Fourier transformation,FFT)测速方法需要预先知道转子槽数,且测试精度易受噪声干扰和采集时长等因素的影响,提出一种基于奇异值分解-Prony(singular value decomposition-Prony,SVD-Prony)算法的无位置传感器高精度转速测量技术。运用电机学相关理论,研究转子槽谐波测速机理,并给出整数倍率转子槽数的计算方法。在分析并明确定子电流噪声影响和FFT法存在检测精度受采样时长限制等问题的基础上,研究基于奇异值增长率的SVD滤波方法和用于辨识转子槽谐波的Prony算法,并以Y160M-4型电机为研究对象,在不同运行状态下对该技术的适应性进行分析。在此基础上,构建相关物理测试平台,对YE90S-2型电机进行实测。结果表明,在相同采集情况下,所提方法测试绝对误差仅为FFT测速方法的几分之一,检测精度大幅提高。

基于改进混合模型转子磁链观测器的异步电机无速度传感器控制

针对异步电机无速度传感器控制由于估计转子磁链不准确导致控制精度不佳的问题,提出了一种改进的混合模型转子磁链观测器设计方法。首先,介绍了常规的异步电机磁链观测方法,并借助异步电机的复矢量模型和特征函数详细分析了常规Gopinath型转子磁链观测器存在的主要问题。其次,为了解决常规磁链观测器存在的缺点,提出了一种改进的特征函数设计方法,进而得到了一种改进的混合模型转子磁链观测器。再次,基于特征函数和频率响应函数,进一步对比研究了常规Gopinath型转子磁链观测器和所提改进的混合模型转子磁链观测器的参数灵敏性。最后,利用所提混合模型转子磁链观测器的磁链观测结果和锁相环,实现了异步电机的无速度传感器控制。基于StarSim和YXSPACE-SP2000平台的对比实验结果,验证了所提混合模型转子磁链观测器的参数鲁棒性,同时也验证了所提无速度传感器控制策略的有效性。

基于电流误差加权转速自适应律的异步电机无速度传感器设计方法

针对异步电机无速度传感器低速运行不稳定的问题,提出一种基于电流误差加权转速自适应律的异步电机无速度传感器设计方法。首先,采用小信号线性化模型分析方法说明转子磁链误差与励磁电流误差之间的关系,进而得出新的转速自适应律;然后,推导所提转速自适应律的开环传递函数,采用劳斯稳定性判据得出系统稳定运行的条件,借助MATLAB软件确定加权系数的取值;最后,将反馈矩阵引入含有改进转速自适应律的系统中,分析所提方法的极点分布规律。实验分析表明,所提方法具有较好的稳定性和优越性。

积分型非奇异终端滑模PMSM无传感器控制系统

针对永磁同步电机中高速情况下传统的滑模观测器估算精度低且存在较强抖振的问题,提出一种基于改进型滑模观测器的PMSM矢量控制方法。基于非线性滑模面理论分析,构建一种积分型非奇异终端滑模面,有效降低了抖振现象,提高了系统的观测精确度;并设计了一种自适应反电动势滤波器,使反电动势能随观测器自适应调节,且谐波含量低,进一步提升动态精度;最后,利用正交锁相环原理调制出电机转子位置信息,将提出的新型控制方法应用到永磁同步电机调速系统,与传统滑模控制进行对比。仿真和实验表明,提出的基于新型滑模观测器的永磁同步电机控制系统跟踪精度高、鲁棒性强,动、静态响应好。

考虑参数误差的无速度传感器异步电机低速发电工况稳定性提升策略

对于无速度传感器异步电机控制系统,反馈矩阵理论上可以减小系统发电运行不稳定区域,改善低速发电工况下的转速观测性能。然而,由于电机参数误差,现有控制策略无法在低定子电流频率下实现理想的稳定性目标。针对这个问题,该文提出一种基于多误差项协同的反馈矩阵设计方法,提高系统对电机参数误差的鲁棒性,并提升转速观测的稳定性。首先,该文提出一种基于多误差项解耦的磁链误差在线观测方法,分析并设计了磁链误差权重系数。其次,在观测器反馈矩阵设计中引入电流误差项,实现电流误差项与磁链误差项的协同设计。在此基础上,将误差矢量系数矩阵行列式重构为抛物线函数,通过引入常数项满足系统稳定的必要条件,解决传统反馈矩阵设计方法对电机参数变化敏感的缺陷,提高观测器对参数误差的鲁棒性。在低定子电流频率下,所提方法可以在低速发电区域实现稳定的转速观测。最后,在2.2 kW异步电机平台上验证了所提方法的有效性。

高速永磁同步电机控制策略综述

永磁同步电机具有结构简单、质量轻、体积小、损耗低等优点,是汽车、船舶等交通领域的关键部件之一。电机转速的提高能够减小体积、降低噪音及提高功率密度,是未来的一个必然发展趋势。电机高速和小型化将导致难以安装传感器,使现有基于多传感器的控制理论面临挑战。本文通过回顾永磁同步电机的结构、工作原理和建模思想,对其相关的控制理论如现代控制、智能控制等现状进行了综述,并比较了优缺点。针对高速永磁同步电机无传感器的需求,讨论了矢量控制、神经网络学习等控制方法,并对未来控制策略的建立给出相关的建议。

基于BP双层神经网络MRAS下PMSM的转速辨识研究

针对无速度传感器下传统模型参考自适应(MRAS)方法在低速区转速负载发生突变后速度估计准确度下降的问题,利用双层神经网络超强的在线估计以及自适应能力,提出一种基于误差反向传播(BP)双层人工神经网络(ANN)与MRAS相结合的转速辨识方法,实现了对低速范围下转速响应动态性能的改善。通过Matlab仿真以及PMSM驱动控制实物平台,对ANN-MRAS观测器与传统MRAS观测器进行对比分析,结果表明:在转速及负载转矩发生突变后,该方法仍能保持较好动态性能,具有较强的鲁棒性。

飞机电动环控用高速电机全速域无位置控制稳定性分析

以飞机电动环控用高速永磁同步电机(High-speed permanent magnet synchronous motor,HSPMSM)控制系统为研究对象,考虑到HSPMSM无传感器控制的研究主要集中在算法实现和转子估计误差消除方面,本文提出了一种基于小信号分析的无传感器全速控制全局稳定性分析和参数设计方法。该方法在扩展反电动势法的基础上设计了位置估计环的参数,并建立了位置估计环和速度环的参数对系统稳定性的影响。其次,本文使用根轨迹来设计I/f控制能够运行的最高转速和扩展反电动势法能够运行的最低转速,以确定算法切换的稳定转速。同时分析了电机参数在高温下的灵敏度。最后,在45 kW、4000 r/min表贴式HSPMSM上进行了全速域电动环控实验。结果表明,本文设计的回路参数和切换转速具有更好的动态和稳态性能,参数的灵敏度与理论分析一致,为HSPMSM的全局参数设计和灵敏度分析提供了可行的思路。

开关磁阻电机低速运行无位置传感器检测方法

针对开关磁阻电机低速运行方法中的传统脉冲注入法只利用非导通相电流信息,存在导通区间受限和续流影响估计精度的问题。本文对低速控制策略与无位置检测原理进行研究,提出了一种双电流斩波限PWM滞环控制的三相电流斜率差值无位置传感器检测方案。所提方案在导通区采用双斩波限PWM滞环控制,使导通区电流斩波次数增加,能够改善低速运行时的性能,并提高电流斜率差值的计算精度。与传统非导通相电流比较方法只利用非导通相信息相比,该方案增加了导通相电流计算。在计算导通相电流斜率差值后,与两非导通相形成三相电流斜率差值,从而估计电机的实时位置信息。以三相12/8结构的电机进行了相关仿真和实验验证,实验结果表明,该方案能够有效解决传统方法存在的导通区间固定和实时角度计算受续流影响的问题。

感应电机新型自适应矢量控制极低速与零速稳定性研究

基于传统转速自适应律全阶观测器的感应电机无速度传感器矢量控制在极低速和零转速情况下不稳定的问题,该文提出新的反馈增益矩阵和新型转速自适应律的设计方法。逆变器非线性电压误差和定子电阻参数变化是造成电机极低速和零速不稳定的根本原因,其导致定子励磁电流误差增大,进而影响转子磁链误差增大,最终致使忽略磁链误差项的传统转速自适应律不再适用。因此,尽可能减小励磁电流误差和设计新型转速自适应律是确保感应电机极低速和零转速稳定的关键。通过添加数学公式上励磁电流误差项为零限制基于励磁电流误差收敛设计的反馈增益矩阵;并且推导出相比传统转速自适应律下的无近似和省略部分的新型转速自适应律,从而达到在改良后的全阶磁链观测器和新型转速自适应律下感应电机矢量控制全速度稳定的效果。通过3.7kW感应电机的dSPACE控制实验平台对该方法进行验证,该方法在额定负载条件下极低速和零转速下能稳定运行,表明该方法具有很好的稳态和动态性能。

基于参数在线辨识的高速永磁电机无差拍电流预测控制

针对无传感器表贴式永磁同步电机高速运行过程中电气参数摄动影响电流环性能和转子位置估计精度的问题,提出一种基于参数辨识的无传感器高速永磁电机无差拍电流预测控制方法。首先,为了提升电流环控制器的动态性能,结合永磁电机控制系统的特点,采用无差拍电流预测控制并进行模型参数敏感性分析。其次,针对多参数在线辨识存在的欠秩问题,提出在3种不同时间尺度下,采用基于神经元迭代求解的总体最小二乘法在线分步辨识电机定子电感、电阻和永磁体磁链。最后将辨识结果用于更新无差拍电流预测控制器及滑模观测器参数。实验结果表明,基于参数辨识的无传感器高速永磁电机无差拍电流预测控制方法能有效提高电流环控制器稳态性能及转子位置估计精度。