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.

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。

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%。

基于一阶线性自抗扰控制器的同步磁阻电机无速度传感器控制

同步磁阻电机在实现无速度传感器控制时出现交叉耦合效应,导致dq轴电感随着电流发生非线性变化,转速环使用传统PI控制器已无法满足系统较强的抗扰性能和较高的转子位置估计精度。为了改善此问题,该文提出一阶线性自抗扰控制器的同步磁阻电机无速度传感器控制策略,利用其机械运动状态方程,将同步磁阻电机的交叉耦合效应及负载扰动变化视为扰动。首先通过扩张状态观测器对负载扰动快速观测并进行前馈补偿,以此来提高系统抗扰性;其次利用静止实验法,得到dq轴磁链与电流的非线性函数模型,将该模型运用至磁链观测器中,以减小交叉耦合效应,提高转子位置估计精度;最后在1.5 kW的同步磁阻电机对拖加载实验平台上进行实验,验证了该控制方案的有效性。

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。

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。

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。

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。

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。

基于SMC与SVPWM的永磁同步电机无速度传感器控制技术研究

针对传统永磁同步电机控制是利用速度传感器获取实时速度信息而导致系统复杂性与成本增加的问题,提出一种基于SMC与SVPWM的永磁同步电机无速度传感器控制技术。在对滑模控制与空间矢量脉冲宽度调制理论分析的基础上建立了电机无速度传感器控制模型,并在MATLAB/Simulink平台下搭建了仿真模型,对电机转速与负载变化下的速度与位置跟踪性能进行仿真,结果表明所提出的控制技术在两种工况下具有良好的性能。对降低系统成本与复杂性,使得永磁同步电机具有更广泛的用途提供了参考。

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。

矿井皮带机用感应电机无传感器控制研究

针对大功率矿井皮带机用感应电机无速度传感器系统带负载启动困难的问题,提出一种无速度控制工程实用方法,电机起动采用电流单闭环I/F控制,进入低频运行后应用自适应状态切换策略调节转矩电流,当系统满足设定的切换条件时投入磁链、速度闭环矢量控制,实现速度及转矩的平滑状态切换,满足矿井皮带机在各种负载工况下的启动及全速度范围正常运行。以一种混合磁链模型作为MRAS转速估计器的参考模型,电机低频运行阶段能得到较精确的转速估计值,可以较早使系统切换到矢量控制模式,在交流对拖样机平台进行了带负载起动及中高速运行实验,电机可以顺利起动并在3Hz时满足切换条件,平滑切换到矢量控制模式,电机转速响应快,动态特性较好,实验结果表明了该方法的正确性和有效性。

基于脉振高频注入和模糊超螺旋滑膜观测器的永磁同步电机全速域无感控制

为进一步满足永磁同步电机(PMSM)高精度和高动态响应速度的控制要求,提出一种基于脉振高频电压注入法与模糊超螺旋滑膜观测器法的永磁同步电机全速域无传感器控制策略。基于PMSM数学模型,将电机旋转速度分为零低速域与中高速域,在零低速域内采用脉振高频电压注入法,中高速域采用超螺旋滑模观测器法,提出一种可在不同转子转速和位置估计方法之间平滑切换的基于加权切换的方法,最终实现PMSM的全速域无感控制。仿真结果表明,提出的无感控制策略提高了各个速域内转子转速和位置的估计精度,高低速运行切换平顺,动态响应速度较高。

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。

高速电机无位置传感器控制关键技术与前景展望

从高速电机高基频和低电感的本质特性出发,针对高速电机无位置传感器控制中存在的数学模型强耦合、低载波比以及高定子电流谐波等问题,围绕高速电机无位置传感器控制中的建模、驱动和控制3大关键环节,从精确建模与解耦控制、驱动器拓扑以及无位置传感器控制算法3个方面深层次梳理归纳高速电机无位置传感器控制原理和研究现状,聚焦转子位置估计与补偿方法。从谐波抑制、运行可靠性和高性能全速域算法等多方位探讨高速电机无位置传感器控制技术的难点和面临的挑战,并对其未来的发展方向进行展望。

基于级联式LESO的SPMSM无传感器控制研究

永磁同步电机无传感器控制逐渐取代传统有位置传感器的矢量控制方案,但在面对复杂工况时,无传感器控制方案在对抗各类扰动方面存在固有劣势,往往出现转速和位置估计精度下降的情况。该文在永磁同步电机双闭环矢量控制的基础上,基于级联式线性扩张状态观测器实现对转速和转子位置的快速跟踪,并基于带宽法进行参数整定。通过Simulink仿真,验证该方案在负载突变情况下的转速和位置跟踪性能,仿真结果表明,所提方案与传统方案相比可有效提高无传感观测器的抗扰性能。

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。