基于觀測器技術(shù)的位置辨識方法

　　觀測器實質(zhì)是一種狀態(tài)重構(gòu)，即重新構(gòu)造一個系統(tǒng)，利用原系統(tǒng)中可直接測量的變量作為他的輸入信號，并使其重構(gòu)狀態(tài)在一定條件下等價于原系統(tǒng)狀態(tài)。等價的原則為兩者的誤差在動態(tài)變化中能夠漸近穩(wěn)定地趨于零。這個用以實現(xiàn)重構(gòu)的系統(tǒng)稱為觀測器。

　　觀測器按信號類型分為確定性觀測器和隨機性觀測器，按系統(tǒng)分為線性觀測器和非線性觀測器。觀測器基本結(jié)構(gòu)是由電機數(shù)學(xué)模型所構(gòu)成狀態(tài)估計方程加之以校正環(huán)節(jié)，兩者構(gòu)成閉環(huán)的狀態(tài)估計，即觀測器。電氣領(lǐng)域?qū)W者汲取世界眾多科學(xué)領(lǐng)域理論成果，結(jié)合各學(xué)科前沿思想創(chuàng)造性融入觀測器理論之中，形成諸多有價值不同控制思想的觀測器。在pmsm無傳感器技術(shù)中常采用自適應(yīng)全階觀測器、擴展卡爾曼濾波器（ekf）和滑模觀測器（smo）。

（1）自適應(yīng)全階觀測器

　　自適應(yīng)觀測器是融自適應(yīng)控制于觀測器理論的一種無傳感器技術(shù)。基本思想是將自適應(yīng)控制引入觀測器結(jié)構(gòu)的校正環(huán)節(jié)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制。pmsm自適應(yīng)全階觀測器首先以pmsm兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓方程構(gòu)建電流觀測器。然后以經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的pmsm數(shù)學(xué)模型作為參考模型。以構(gòu)建的電流觀測器為可調(diào)模型，用兩個模型輸出誤差驅(qū)動自適應(yīng)機構(gòu)。在自適應(yīng)規(guī)律作用下，能夠不斷地修正待估參數(shù)，以使兩模型輸出誤差趨于零。自適應(yīng)觀測器不僅可以用來估計pmsm轉(zhuǎn)子位置和速度，而且是基于波波夫穩(wěn)定性理論辨識電機參數(shù)，減少了參數(shù)變化的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

　　（2）擴展卡爾曼濾波器

　　卡爾曼濾波器同樣也觀測器的一種。是卡爾曼濾波思想在觀測器理論的應(yīng)用。擴展卡爾曼濾波器同其他觀測器一樣，能夠跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)，其所不同的是它是非線性的、隨機的。ekf狀態(tài)估計分為兩大階段：預(yù)測階段和校正階段。在預(yù)測階段由上一次估計所得結(jié)果推算下一次估計的預(yù)測值。在校正階段為利用實際輸出和預(yù)測輸出偏差對預(yù)測值進行反饋校正?？柭鼮V波實質(zhì)就是對預(yù)測值反饋校正。因此，不僅具有優(yōu)化和自適應(yīng)能力，而且可以更好地抑制測量噪聲和系統(tǒng)噪聲。但是ekf濾波器缺點在于系統(tǒng)測量噪聲和系統(tǒng)噪聲的未知，帶來的問題是難于采用確定的辦法選擇ekf濾波器中協(xié)方差矩陣。一般采用試湊法選擇協(xié)方差矩陣，而協(xié)方差矩陣關(guān)系到系統(tǒng)動態(tài)性能及其穩(wěn)定性。因此，協(xié)方差矩陣的確定關(guān)乎系統(tǒng)穩(wěn)定與否顯得至關(guān)重要。

　?。?）滑模觀測器

　　滑模觀測器是滑模變結(jié)構(gòu)控制在觀測器理論的一種應(yīng)用。其特點是性能完全由其滑模超平面決定，過渡過程不會產(chǎn)生超調(diào)，整個系統(tǒng)對本身參數(shù)變化及外部擾動均具有較強的穩(wěn)健性?；舅枷胧鞘紫雀鶕?jù)pmsm數(shù)學(xué)模型建立滑模電流觀測器，選擇滑模觀測器觀測電流與實際電流偏差為滑模超平面，該偏差經(jīng)砰砰控制，估算出含高次諧波的感應(yīng)電動勢構(gòu)成系統(tǒng)閉環(huán)，含有高次的感應(yīng)電動勢經(jīng)濾波后計算得出位置和轉(zhuǎn)速。估計變量中含有高次諧波是滑模觀測器的不足之處，這影響了高性能伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用，盡管可以進行濾波處理，但通常方式的濾波會引起相位偏差。如前所述卡爾曼濾波器可以考慮噪聲對系統(tǒng)的影響，可以將滑模觀測器與卡爾曼濾波有效結(jié)合，成分發(fā)揮卡爾曼濾波的長處，構(gòu)成更加完善的觀測器。

基于pmsm電機特性估計方法

　　pmsm無傳感器技術(shù)多數(shù)基于感應(yīng)電動勢得以估計轉(zhuǎn)子位置。但當(dāng)轉(zhuǎn)速很低或零速時，感應(yīng)電動勢趨于零，轉(zhuǎn)子磁極位置難于精確估計，甚至無法估計。高頻信號注入法是基于pmsm電機特性——凸極性以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極位置的觀測，具有很大優(yōu)勢，其主要方法有旋轉(zhuǎn)電壓矢量法和脈動電壓矢量法。

　?。?）旋轉(zhuǎn)電壓矢量法

　　旋轉(zhuǎn)電壓注入法是向插入式pmsm電機注入三相對稱的高頻正弦電壓信號，在電機內(nèi)會產(chǎn)生幅值恒定而高速旋轉(zhuǎn)的空間電壓矢量，空間電壓矢量在電機內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，受到轉(zhuǎn)子凸極周期性地調(diào)制，調(diào)制結(jié)果自然要反映在電流響應(yīng)上，定子高頻電流成為包含有轉(zhuǎn)子位置信息的載波電流，進行解調(diào)處理后就可以從中提取出相關(guān)的轉(zhuǎn)子位置信息，以此構(gòu)成各種閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)無傳感器的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制。是目前十分受關(guān)注的一種無傳感器控制方法。

（2）脈動電壓矢量法

　　脈動電壓注入法是向永磁同步電機注入脈動電壓矢量，脈動電壓矢量與勵磁磁場疊加，這會改變勵磁磁路的飽和程度，使勵磁磁路具有凸極性，這種凸極特性對脈動電壓矢量產(chǎn)生調(diào)制作用，這種調(diào)制作用隨著脈動電壓偏離勵磁磁極軸線變化而變化，這種變化反映在高頻電流響應(yīng)中，因此在這個電流響應(yīng)中便會載有轉(zhuǎn)子位置估計誤差的信息。

　　兩者均利用電機的凸極特性調(diào)制，但是旋轉(zhuǎn)電壓注入法的凸極性是屬于結(jié)構(gòu)性凸極，即應(yīng)用于插入式pmsm。而脈動電壓注入法凸極性主要是飽和性凸極，結(jié)構(gòu)性凸極對高頻電壓調(diào)制作用微弱。即可應(yīng)用于面裝式pmsm，而旋轉(zhuǎn)電壓注入法卻不能。兩種方法均適用于低速估計，也可用于初始位置估計，均利用pmsm的凸極性，而不依賴于電機的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)。脈動電壓輸入法特點在于不依賴于電機參數(shù)和運行狀態(tài)，可以工作在全速域內(nèi)，甚至零速狀態(tài)下。

基于人工智能理論的估算方法

　　基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能理論估算轉(zhuǎn)子位置方法是以mras為大背景而提出，目的在于利用其模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的簡單，穩(wěn)定，改善mras在低速區(qū)速度估計精度并提高其對電機參數(shù)敏感程度。隨著人工智能理論的不斷發(fā)展和完善，研究無傳感器技術(shù)應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取代pmsm電流模型轉(zhuǎn)子觀測器，并以誤差方向傳播算法取代比例積分自適應(yīng)進行位置估計。網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出具有明確的物理意義。網(wǎng)絡(luò)權(quán)值為電機參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程就是速度和位置估計過程。極具理論意義，但其理論研究尚不成熟，硬件實現(xiàn)也有一定的困難?，F(xiàn)智能控制理論如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊控制在電力傳動領(lǐng)域應(yīng)用方面論文屢有發(fā)表，但實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化尚有一段距離。

pmsm無傳感器控制技術(shù)發(fā)展趨勢

　　pmsm無傳感器控制是目前pmsm控制理論發(fā)展方向，其理論成果拓寬了pmsm應(yīng)用領(lǐng)域。pmsm無傳感器控制基本思想都是通過檢測電壓、電流引用相應(yīng)控制理論實現(xiàn)轉(zhuǎn)子信息的估計。但尚無一種pmsm無傳感器控制可實現(xiàn)pmsm系統(tǒng)全速運行。一方面由于高頻信號注入法在零低速領(lǐng)域的絕對優(yōu)勢，使其有望成為pmsm系統(tǒng)全速運行的一種方法，但是由于高頻信號注入法本身帶來的一些問題尚需更進一步的研究，是眾多學(xué)者專攻的一個方向。另一方面人們基于觀測器分析方法引入現(xiàn)代控制理論如自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制以及非線性控制形成眾多無傳感器控制方法，每一種控制方法都有其自身優(yōu)點，同時也存在一些問題，單一的控制很難取得理想的控制效果，探討將各種控制互相滲透和復(fù)合可以更好的提高無傳感控制性能是未來無傳感器控制技術(shù)的發(fā)展方向。

結(jié)語

　　本文綜述pmsm無傳感器控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析比較pmsm無傳感器控制技術(shù)各種方法優(yōu)缺點，指明pmsm無傳感器控制技術(shù)研究重點和所要解決的問題，預(yù)測pmsm無傳感器控制技術(shù)未來發(fā)展方向：一是以高頻信號注入法的零低速領(lǐng)域拓展到全速領(lǐng)域的研究方向；二是以基于觀測器的各種現(xiàn)代控制理論結(jié)合和滲透的研究方向。#p#分頁標(biāo)題#e#