永磁同步电机无速度传感器控制的动态性能和稳定性研究

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报3（2016）181基于观测器的永磁同步电机无速度传感器控制--以驱动器奥萨马·M.Ghada A.穆罕默德？阿卜杜勒？阿齐兹Abu El-Sebah，Ahmed AlyMansour埃及开罗Dokki电子研究所接收日期：2015年4月11日;接收日期：2015年5月18日;接受日期：2015年5月27日2016年8月3日在线发布摘要永磁同步电动机无位置传感器控制由于能够降低成本和提高驱动系统的可靠性而受到广泛关注。其中一个应用的技术是Luenberger observer。然而，从未知的初始位置和从静止状态启动驱动器没有充分覆盖。本文介绍了从风扇型负载和滚筒型负载的在归航和开环加速电流控制下的驱动器的动态性能的介绍和研究。讨论了从开环加速度到基于双稳态器的无传感器运行的过渡，并讨论了无传感器控制对负载扰动的稳定性本文给出了仿真结果，并进行了实验验证。© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：永磁同步电机; Luenberger自适应观测器; DSPACE DS 1104;无速度传感器矢量控制;位置未知起动;静止1. 介绍永磁同步电动机在驱动应用中受到越来越多的关注。它们的许多优点，例如优异的转矩-速度特性、高转矩-惯性比、高效率、易于控制和无噪声操作，是使它们比有刷直流电动机和感应电动机更有吸引力的属性（Koteich等人， 2013年）。PMSM的主要缺点是位置传感器。这些直接速度/位置传感器需要额外的电子设备、额外的布线、额外的空间、频繁的维护和小心的安装，这降低了驱动器的固有鲁棒性和可靠性由于这些原因，替代间接方法的发展成为*通讯作者。电子邮件地址：oarafa@eri.sci.eg（O.M. Arafa）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.05.0042314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。182O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）181命名法id，iq d，q定子电流vd，vq d，q定子电压ωr转子机械角速度（rad/s）θr转子电气位置角（rad）R定子电阻（Ω）KT电机转矩常数F摩擦系数TLLoad torque（N m）J转子惯性（kg m2）P极对数与估计值λ反电动势常数T采样时间Ld定子绕组沿直接磁体轴的Lq定子绕组沿二次磁铁轴Ls表面贴装磁铁式电机的定子绕组电感Ld=Lq = LsKpo，Kio观测器自适应机制比例和积分常数一个重要的研究课题（Arellano-Padilla等人，2010年; Jezernik和Horvat，2010年）。 为了提高可靠性，永磁同步电机驱动器的研究一直集中在消除电机轴上的机械传感器（绝对编码器，增量编码器，旋转变压器，霍尔效应传感器等）。而不会降低驱动器的动态性能，这通常会导致更复杂的驱动系统软件（Urbaanski，2013）。无传感器交流驱动器的许多优点，例如降低硬件复杂性、降低成本、减小尺寸、消除电缆、增加抗扰度、增加Fig. 1. 解耦控制。图二. MRAS观测器结构。O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）1811831086420-2-4-6-8-100.05 0.1 0.150.20.250.3时间秒0.350.40.45 0.5图三.速度开环加速期间的定子电流。可靠性和减少维护。无速度传感器电机驱动器在恶劣环境和高速应用中也是优选的（Sumita等人，2010;Mustafa等人， 2010年）的报告。磁场定向控制的最重要的要求之一，特别是对PMSM的操作是准确的转子位置信息的连续可用性。为了估计转子速度和位置，已经提出了许多技术，例如使用定子电压和电流的开环估计器、基于反电动势的位置估计器、MRAS估计器、基于反电动势的位置速度和位置估计器、高频信号注入和人工智能（Balachandar等人， 2014年）。这些方法可以分为两个主要的组;第一组取决于在位置估计中的基波激励下的反电动势，其中第二组除了基波之外还使用高频激励来跟踪转子的空间显著性图像，从该空间显著性图像提取位置信息。在静止时，转子速度为零，因此反电动势为零，因此第一组方法无法提供转子位置信息，而凸极跟踪方法成功工作显著性跟踪方法适用于零速度和接近零速度的操作;然而，它们需要具有适当显著性的机器（Lidozzi等人， 2007年）。本文采用基于反电势的自适应Luenberger观测器估计转子转速。观测器需要两个定子电流测量值，这通常用于电流控制，即使是基于传感器的磁场定向控制（FOC），它需要在每个估计周期的定子所使用的Luenberger观测器的配置对定子电阻的变化是鲁棒的，因为其值在每个观测器估计周期被转子位置通过转子估计速度的离散积分获得。通过使用电流控制的开环加速度启动驱动器，直到观测器估计的速度和位置稳定，然后使用观测器估计的速度和位置闭合速度控制回路，并且FOC接管，来克服启动问题通过MATLAB/SIMULINK上的方程和计算机仿真解释了观测器原理，并使用DSPACE DS 1104 DSP原型开发工具和APM（IAP 150 T（D）120- 05 B1950 SixPacTM）的三相功率逆变器模块在1.5 kW表面安装式PMSM上实时实验验证了观测器本文的组织如下：第2节介绍了永磁同步电机模型在转子直接和二次轴电流之间的交叉耦合和由速度和电流产品引起的非线性突出显示解耦控制在dq框架中实现精确电流控制的重要性。第三节介绍了Luenberger观测器方程。第4节介绍了电流控制下的开环加速作为两种类型负载的有效启动方法：风扇型和滚筒型。第5节介绍了从开环加速到基于双稳态的闭环控制的过渡。此外，它解释了如何在角位置测量中引入受控位置偏移以消除不期望的偏移。第6节介绍了实验工作和结果。IaIBI定子电流Ia，Ib，Ic.一184O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）18143210-1-2-30.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒a)K.ω2载荷43210-1-2-30.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒b)K.ω载荷见图4。开环启动时的电机转矩和负载转矩。2. PMSM模型电机在dq转子参考系中的电动力学方程可以写为：did Vd R LqD t=Ld-Ldid+LPωr iq（1）diq Vq R LdλPωrD t=Lq-Lqiq−LPωr id−L（二）已知定子相电压Va、Vb、Vc，并使用适当的变换，可以获得电压Vd、Vq，并且可以通过重新排列和积分等式2来获得转子参考系中的两个定子电流。（1）和（2）。应该注意的是，该模型是非线性的，因为它包含乘积项。负载转矩马达扭矩负载转矩电机转矩负载/电机扭矩. N.M负载/电机扭矩.N.MDQQO.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）181185每个方程中速度和正交电流项的存在表示交叉耦合，因此需要解耦以在d-q坐标系中进行精确的电流控制，如图所示。1.一、其中，Vd和Vq是用于i d和i q的解耦控制的电压，而不是V d、V q。电磁转矩可以通过以下方式获得：3Te=2P[λiq+（Ld−Lq）iq id]（3）在Eq中的第一项第一个是磁转矩，第二个是磁阻转矩。在表面安装的磁体机器中，不存在磁凸极（因此为了简单起见，令：Ld=Lq=Ls），因此，不存在磁阻转矩对于恒定通量操作，id保持为零，因此电转矩方程可以简化为：3Te=2P[λiq]=KT iq（4）120100806040200-200.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒1)K.ω2载荷120100806040200-200.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒2)K.ω载荷(a) 速度曲线-初始位置π/3图五、（a）速度-初始位置π/3的分布图。（b）转子位置的轮廓-初始位置π/3。观察者速度马达速度速度基准速度基准电机速度观察器速度速度参考/电机/观察器.rad/s速度参考/电机/观察器.rad/s186O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）181Dt⎥ ⎢⎥⎦DtJ−Pω⎣ 01Ls−PωrLs0176543210-10.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒1)K.ω2载荷76543210-10.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒2)K.ω载荷(b) 转子位置曲线-初始位置π/3图五. （续）机械子系统的方程如下：Te=Jdt+Fωr+TL（5）dωr=[Te−Fωr−TL]（六）、状态空间导数形式的转子位置θr为：dθrdt=P·ωr（7）从Eq. （1）通过Eq。（7）永磁同步电动机动态模型可以用来模拟永磁同步电动机的瞬态运行。3. Luenberger观测器及其自适应机制如果我们定义状态向量为X=[id iq]T，输入向量为V=[Vd Vq λ]T，输出向量Y=[id iq]T，则可以获得电机的以下状态空间表示：d X=A.X+B.U， Y= C.X（8）其中：−RPωr001A=0LsLs1 0，B=，C=转子实际位置开环位置观测器位置转子实际位置开环位置发球位置Ob转子选择。POS.实际/开环/观测器.rad转子选择。POS.实际/开环/观测器.rad⎦R−RLsO.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）181187⎥⎦⎢⎥⎦⎣对于这种状态空间表示，可以定义二阶Luenberger观测器（Faten和Lassaad，2009）。如：dXdt =A1（ωr，R）·X+B0 ·U+K（Y-Y）（9）其中：−RˆPωr⎡10 0⎤Σk kΣA1（ωω1）r，R）=Ls，B0Ls11 12=，K=−Pω−RLs01−PωrLs Lsk21k22K是一个矩阵增益，其选择应使（A1−KC）的极点稳定（Eirea，2001）。100806040200-200.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒1)K.ω2载荷100806040200-200.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒2）K.ω载荷(a) 速度曲线-初始位置2π/3图六、（a）速度-初始位置2π/3的分布图。（b）转子位置的轮廓-初始位置2π/3。速度参考/电机/观察器.rad/s速度参考/电机/观察器.rad/s速度基准电机速度观察器速度速度基准电机速度观察器速度188O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）18176543210-10.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒1)K.ω2载荷76543210-10.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒2)K.ω载荷(b) 转子位置曲线-初始位置2π/3见图6。（续）对于估计的机械转子速度和定子电阻的任何值，观测器Eq.可以使用公式（9）来获得电流Id、Iq的导数的估计，并且可以经由这些导数的离散积分来获得两个电流的估计。使用模型参考自适应系统（MRAS）估计转子速度和定子电阻，其中真实机器充当模型参考，观测器充当可调观测器（Srinivas和Kumari，2014）。在每个观测器执行周期（采样时间为T）从真实机器采样电流对id、iq，并将其与使用观测器方程估计的电流对进行比较。（9）它们之间的误差提供了一个自适应机制来产生观测变量。ed=id−id，eq=iq−iq（10）转子实际位置开环位置观测器位置转子实际位置开环位置观测器位置转子选择。POS. 实际/开环/观测器.rad转子选择。POS. 实际/开环/观测器.radO.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）181189不S定子电阻和转子速度是围绕以下自适应机制建立的不R=−（1）（ei+ei）dt（11）Lsd d0.Q Q你好SλΣωωr=Kpoidiq−iqid−Leq+Kio 0idiq−iqid−Leq中国（12）图 2显示了自适应机制的工作原理。观测器的比例和积分增益应仔细选择，以获得可接受的跟踪和噪声抑制性能。积分增益越高，观测器跟踪越快，比例增益越低，观测器的高频噪声衰减越好（Cimpoeru，2010）。120100806040200-20-400.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒1）K.ω2载荷120100806040200-20-400.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒2）K.ω载荷图(7-a)速度曲线-初始位置π图7.第一次会议。（a）速度-初始位置π的分布。（b）转子位置的轮廓-初始位置π。速度基准电机速度观察器速度速度参考/电机/观察器.rad/s速度参考/电机/观察器.rad/s速度基准电机速度观察器速度190O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）18176543210-10.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒1)K.ω2载荷76543210-10.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒2)K.ω载荷(b)转子位置曲线-初始位置π见图7。（续）4. 从未知位置已经通过仿真和实验工作测试了上述观测器结构不能直接从静止和未知的初始位置启动电机。未知的初始位置启动发生在第一次驱动器启动。即使对于存储最后位置的驱动器，也会在电源故障或电源中断时发生无法保存最后转子位置的因此，必须有一种替代的启动技术，可以用于从未知的初始位置启动。从未知的初始位置启动驱动器对于其扭矩恒定且与速度无关或需要高启动扭矩的负载是具有挑战性的，并且在这种情况下，可能需要利用甚至低分辨率传感器（如霍尔效应）来辅助无传感器技术，以使其达到最小旋转速度，在该最小旋转速度下，观测器收敛并提供可靠的位置和速度信息。这将是另一篇文章的主题。转子实际位置开环位置观测器位置转子实际位置开环位置观测器位置转子选择。POS. 实际/开环/观测器.rad转子选择。POS. 实际/开环/观测器.radO.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）181191对于其他类型的负载，如负载扭矩与速度平方成比例的风扇型负载或用于拉丝和金属板的扭矩与速度成比例的辊型负载，启动负载扭矩为零并且保持较小，直到电机加速到更高的速度。在这种情况下，可以通过其他方便的方式来辅助启动，例如在电流控制下的复位和开环加速在归位中，零角度矢量电流被施加在定子上持续预定的时间段，在该时间段期间，转子转动到所产生的电磁转矩为零的位置;即，转子磁体与定子磁场对准的位置。因此，该位置可用于开环加速器，以提供每安培的最大启动转矩，用于避免负速度摆动，并确保观察器随后的快速速度跟踪。或者，电动机可以从一个随机的初始位置加速到一个最小速度，在这个最小速度下，观测器的速度跟踪是有保证的。这两种选择都应该在电流控制下以预定的加速率使用开环加速来完成。在接近最小速度时，切换速度控制到闭环模式，其中由观测器连续地提供实际速度和位置数据一台1.5千瓦100806040200-20-400.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒1）K.ω2载荷100806040200-20-400.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒2）K.ω载荷(a) 速度曲线-初始位置4π/3图8.第八条。（a）速度-初始位置4π/3的分布图。（b）转子位置的轮廓-初始位置4π/3。（c）扭矩曲线-初始位置4π/3。速度基准电机速度观察器速度速度参考/电机/观察器.rad/s速度基准马达速度观察者速度速度参考/电机/观察器.rad/s192O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）18186420-2-4-6-80.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒1)K.ω2载荷86420-2-40.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒2)K.ω载荷(b) 转子位置剖面图-初始位置4π/3见图8。（续）本研究以表贴式永磁同步电动机为例，在仿真中，影响实际系统性能的细节，如实时程序执行频率（在我们的情况下，它被选择为5.55 kHz）。空间矢量PWM频率（11.1 kHz，周期90µs），以实现对实际驱动动态的精确离线测试开环加速度的动态特性以及观测器估计速度和位置到实际电机速度和位置的收敛过程如下图所示参考速度以100 rad/s2的速率线性增加1 s。定子磁场角被设置为零初始位置，然后通过对参考速度进行积分来获得在开环启动期间，定子电流峰值被调整到电流控制器的饱和极限（额定电流的150%，并且在ABC框架中使用PI控制器进行电流控制转子实际位置开环位置观测器位置转子实际位置开环位置观测器位置转子选择。POS. 实际/开环/观测器.rad转子选择。POS. 实际/开环/观测器.radO.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）18119386420-2-4-6-80.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒1)K.ω2载荷86420-2-4-6-80.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒2)K.ω载荷(c) 扭矩曲线见图8。（续）图图3示出了前半秒的定子三相电流;仅为了图的清晰起见，省略了后半秒。图图4示出了在开环加速期间的电动机和风扇型负载转矩，尽管产生的转矩是振荡的，但是净平均差是正的，并且确保电动机加速。为了验证成功的开环启动和观测器跟踪是保证的，而不考虑未知的初始转子位置，从代表六个空间扇区边界的另外五个未知位置模拟两种类型的负载的启动，如图2和3所示。五比十每个图包括四个曲线图，前两个曲线图示出了风扇型负载和辊型负载的速度曲线，最后两个曲线图示出了两种类型负载的转子位置的曲线负载类型1是风扇型负载，其扭矩与速度的平方成比例T= K。ω2，其中K=T额定值/ω额定值2（13）负载转矩马达扭矩负载转矩马达扭矩负载/电机扭矩.N.M负载/电机扭矩.N.M194O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）181负载类型2是与速度成比例的负载。T= K。其中K=T额定/ω额定（14）对于100 rad/s 2的加速度速率，在负载类型1的情况下，仅从初始位置π/3、2π/3、π、5π/3开始启动和观测器跟踪成功，如图2和3所示。（5-a-1）、（5-b-1）、（6-a-1）、（6-b-1）、（7-a-1）、（7-b-1）、（9-a-1）和（9-b-1），同时从初始转子位置4π/3开始失效，如图（8-a-1）和（8-b-1）所示。图（8-c-1）显示，在最后一种情况下，产生的扭矩在零附近振荡，从而导致小的负平均值，因此电机以非常低的速度反向旋转。有趣的是，在图中注意到。（8-a-1）和（8-b-1）观察器在开环周期结束时成功地跟踪电动机速度和转子位置，而不管启动故障。在负载类型2的情况下，从任何初始位置启动成功，如图2所示。（5-a-2）、（5-b-2）、（6-a-2）、（6-b-2）、（7-a-2）、（7-b-2）、（8-a-2）、（8-b-2）、（9-a-2）和（9-b-2），图（8-c-2）表明，与转子位置4π/3处的负载类型1的情况类似，负载类型2产生的扭矩围绕增长的正值振荡，该正值足以使负载加速。对于所有成功的启动位置，很明显，除了开环指令斜坡附近的振荡（主要归因于仿真中使用的低系统惯性），转子速度遵循斜坡，并且观察器也开始收敛于电机速度。在初始位置为4π/3的情况下，表明如果加速度率减小到较小的值（例如，10 rad/s2）的负载类型1的启动成功，如图（10-a-1）、（10-b-1）和（10-c-1）所示，降低加速度的代价是延长开环加速周期，以达到稳定观测器跟踪所需的最小速度用于实现合理高的加速率同时避免在4π/3初始位置附近的启动故障的另一种可能的解决方案是在开环加速之前的短时间段内使用归位，在这种情况下，用于定向开环定子矢量的积分器的初始条件应当被设置为π/2，以使得一旦归位时间段完成就能够产生最大扭矩，因为归位时的转子位置很可能是π/2。图（11-a）-（11-d）示出了对于负载类型1，在高加速率（100rad/s2）下从初始转子位置4π/3开始的开环加速度的动态特性，之前是一秒的归位周期。 图（11-a）示出了电流，其峰值在复位期间被设置为额定电流的20%，以使转子以低振荡幅度复位，然后它们在加速期间被设置为饱和极限，以支持加速。 图（11-b）示出了在归位和开环加速期间的扭矩振荡。图（11-c）显示了在100 rad/s2时的成功加速。图（11-d）显示了位置，开环定子矢量在归位过程中设置为零角度，然后步进重置为π/2100806040200-200.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒1）K.ω载荷(a) 曲线 速度-初始位置5π/3图9.第九条。（a）速度-初始位置5π/3的分布图。（b）转子位置的轮廓-初始位置5π/3。速度基准电机速度观察器速度速度参考/电机/观察器.rad/sO.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）181195≈76543210-1-20.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒1)K.ω2载荷76543210-1-20.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1时间秒1）K.ω载荷(b) 转子位置曲线-初始位置5π/3见图9。（续）在复位周期结束时，开环加速器从该复位周期开始积分以提供强制定子矢量角。5. 从开环过渡到基于观测器的闭环操作如果我们在开环加速期结束时仔细检查所有五个测试初始位置的转子位置曲线，如图1所示。（12-a）-（12-e）例如，对于负载类型1（负载类型2遵循相同的发现），我们将发现由观测器估计的转子位置以恒定角度α领先于实际转子位置，其中 απ/2。还可以表明，该角度独立于估计的转子速度并且独立于负载转矩值和类型。这种偏移是由于结构的观察员的自适应机制，这是基于反电动势表示为正弦函数的转子位置，转子实际位置开环位置观测器位置转子实际位置开环位置观测器位置转子选择。POS. 实际/开环/观测器.rad转子选择。POS. 实际/开环/观测器.rad196O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）181ΣΣ=因此，在无传感器操作模式下，在观测器估计位置可用于定子磁场定向之前，需要反向旋转（滞后）。这可以通过如下的矢量旋转来实现：设θ0为观测器估计的转子位置，设X为单位向量，定义为：[ cos（θ0）] sin（θ0）]T旋转角度α的反向旋转矢量Y由等式给出（十四）：Ycos（α）sin（α）X（15）-sin（α）cos（α）反向旋转的矢量Y的角度由函数Y=atan2（Y（2），Y（1））给出，这是将用于磁场定向控制的角度。图（13-a-1）、（13-b-1）、（13-a-2）、（13-b-2）说明了在三个连续阶段期间的速度和扭矩曲线，对于两种负载类型，从4π/3的初始转子位置开始，第一阶段使用低电流零矢量定子磁场（额定驱动电流的20%）复位1秒，随后是100 rad/s2的开环加速1秒，最后使用基于观测器的磁场定向控制阶跃变化到额定驱动速度（157 rad/s）当然，也可以使用具有校准电流斜坡的较低加速率和较短开环加速周期来实现成功操作，同时避免大的扭矩和速度振荡，并且这可以留给基于应用负载惯性和特定要求的定制调谐。403020100-10-20-30-400 0.5 1 1.5 2 2.5 3时间..... SEC1)K.ω2载荷403020100-10-20-300 0.5 1 1.5 2 2.5 3时间..... SEC2)K.ω载荷(a) 速度曲线-初始位置4π/3rad/s2）图10个。（a）速度曲线-初始位置4π/3（b）转子位置的剖面-初始位置4π/3（c）电机转矩和负载转矩速度基准电机速度观察器速度速度基准电机速度观察器速度速度参考/电机/观察器.rad/s速度参考/电机/观察器.rad/sO.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）1811972）K.ω载荷(b) 转子位置曲线-初始位置4π/3见图10。（续）图（13-c）示出了在无传感器闭环操作期间iq和id的成功解耦控制。由于在速度设定点附近的估计速度的高频变化，电流iq看起来太有噪声，这可以通过增益调度来改善，增益调度用于在恒速操作期间增加速度控制器的积分增益并减小比例图14示出了旋转后观察者估计位置与实际位置的重合。6. 实验结果图 15示出了用于实现系统的测试设置。永磁同步电动机（附录A）配有每圈6000线的增量编码器。电动机用于驱动永磁同步发电机，永磁同步发电机又为三相电阻性负载供电。这种载荷布置类似于载荷76543210-1-2转子实际位置开环位置观测器位置-300.511.522.531）K.ω2载荷时间秒76转子实际位置开环位置观测器位置543210-100.511.5时间秒22.53转子选择。POS. 实际/开环/观测器.rad转子选择。POS.实际/开环/观测器.rad198O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）18186420-2-4-6-80 0.5 1 1.5 2 2.5 3时间..... SEC1）K.ω2载荷86420-2-4-6-80 0.5 1 1.5 2 2.5 3时间..... SEC1）K.ω载荷(c) 电机扭矩和负载扭矩-初始位置4π/3见图10。（续）类型2，因为发电机电压、电流以及转矩与耦合的电动机的速度成比例。编码器测量值仅用于与估计速度和转子位置进行比较。PMSM的无传感器控制已使用DSPACE® DS 1104 DSP控制原型板和SIMULINK®实现。系统的实时采样周期为180 µs。PWM频率设置为11.11 kHz，是实时程序频率的两倍，由于电流总和为零，因此仅测量两个电流。需要电动机三相端电压的精确信息来馈给观测器。这些电压由电压源逆变器高频脉宽调制，用于有源电流控制。测量这些电压需要三个额外的电流隔离电压传感器以及适当设计的RC滤波。但是，这些费用可以通过适当的计算来节省。在开环加速期间，这些电压直接从ABC电流控制器获得。在使用观测器的闭环操作期间，使用从电流控制器d-q电压到α-β电压的转换来计算这些电压，其中使用观测器估计角度，然后从负载转矩马达扭矩负载转矩马达扭矩负载/电机扭矩.N.M负载/电机扭矩.N.MO.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）1811991086420-2-4-6-8-100 0.2 0.4 0.6 0.8 1时间秒1.21.41.6 1.8 2(a)：在1秒归位然后开环加速期间的定子电流持续1秒86420-2-4-6-8电话：+86-021 - 8888888传真：+86-021 - 8888888时间秒(b)：1秒归位期间的扭矩，然后开环加速1秒120100806040200-20电话：+86-021 - 8888888传真：+86-021 - 8888888时间秒(c) 在1秒归位期间的速度，然后开环加速1SEC76543210-1-2电话：+86-021 - 8888888传真：+86-021 - 8888888时间秒(d) 1秒归位期间的位置，然后开环加速1SEC图十一岁（a）1 s归位期间的定子电流，然后开环加速1 s。（b）在1秒归位期间的扭矩，然后开环加速1秒。(c) 在1秒归位期间加速，然后开环加速1秒。（d）在1 s归航期间的位置，然后开环加速1 s。负载转矩马达扭矩速度基准电机速度观察器速度IaIbIc转子实际位置开环位置观测器位置定子电流Ia，Ib，Ic.一速度参考/电机/观察器.rad/s负载/电机扭矩.N.M转子选择。POS.实际/开环/观测器.rad200O.M. Arafa等人/电气系统与信息技术学报3（2016）181转子实际位置开环位置观测器位置转子选择。POS.实际/开环/观测器.rad转子选择。POS. 实际/开环/观测器.rad765432100.9 0.91 0.92 0.93 0.9(a)从π/377665544332211000.9 0.91 0.92 0.930.940.9 0.91 0.92 0.93 0.94(b)从2π/3开始（c）从π7766554433221101.9 1.91 1.92 1.93 1.94(d)从4π/3开始（在归航）00.9 0.91 0.92 0.93 0.94(e)从5π/3见图12。五个测试初始位置的转子位置曲线。转子选择。POS.实际/开环/观测器.rad转子选择。POS.实际/开环/观测器.rad转子选择。POS.实际/开环/观测器.rad