文 献 综 述

1.课题研究背景与意义

同步电机作为交流电机的一种，其转速与电源频率严格保持同步，机械特性硬，以其为核心构成的交流变频调速系统具有体积小、噪声干扰小、转矩惯性比大、效率和功率因数高、易于控制、调速范围宽等优点。永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）的转子采用稀土金属永磁体制成，相比于普通永磁电机，其气隙磁通密度更高，相同容量下，体积更小，结构更紧凑转动惯量更小，动态特性更好，而且没有转子的铜耗和铁耗，运行效率高。由于这些突出的优点，永磁同步电机广泛应用于航空航天、数控机床、船舶推进、汽车与工业自动化等领域。

同步电机的运行状态与转矩角密切先关，只有在的范围内才能稳定运行，因此同步电机在直接投入电网运行时存在失步与启动困难两大难题。调速系统运行时受到来自负载、电网电压等的扰动，要获得良好的调速性能，必须对系统进行闭环控制。要实现闭环控制和解决失步问题，就必须实现对转子位置和转速的测量，通常采用机械式传感器元件实现，如光电编码器、磁编码器、测速发电机、旋转变压器等。但机械传感器，特别是高精度的传感器的使用大大增加了系统的硬件成本，且在某些受限场合下，不允许外在机械传感器的安装，这就要求对调速系统进行无传感器的控制。

观测器技术是同步电机无传感器控制中使用较为广泛的一种技术，其核心在于通过定子侧电学量的检测，结合电机的数学模型估算出转子的转速及位置。负载扰动观测器增加了对负载转矩的估算，并在控制系统中进行前馈补偿，可以改善系统的动态性能。

综合以上几点，基于负载扰动观测器的无传感器控制技术，发挥了同步电机调速系统的优势，避免了机械传感器的使用，且有着可靠的稳态、动态性能，因此对其进行研究有着重要的理论研究意义和实际应用价值。

2.课题的研究现状：

2.1研究现状概述

对于该课题目前国际上美国相专家的研究走在前列，在核心期刊上发表的相关论文最多，此外韩国相关学者在该领域的研究也颇有建树。国内高校中哈尔滨工业大学和浙江大学对永磁同步电机调速的控制研究最多，华中科技大学在该领域的研究也较为深入，而沈阳工业大学在永磁同步电机的设计邻域有着丰富的经验。

在具体实现上，基于动态模型的矢量控制和直接转矩控制是绝对的主流，其中矢量控制的技术发展更加成熟，实际应用更多。无传感器控制的实现上，观察器法的使用明显多于附加信号注入法，成为研究的热点，而其中对滑膜观测器和降阶观测器的研究最多，其次是模式识别法和卡尔曼滤波法。在负载转矩观测这一细分领域，主要使用滑膜观测器和降阶观测器，另外反电动势观测法也是较为常用的方法，且针对不同需求各自有很多的改进方法，在具体实现上一般都通过前馈通道对电流进行补偿，在调速上则主要采用矢量控制法。

2.2无传感器控制及负载扰动观测器的研究现状

负载扰动观测器的设计是本课题的核心环节和特色所在，属于永磁同步电机无传感器控制技术的一种。这里先对PMSM的无传感器控制进行简单介绍，再对负载扰动观测器进行具体介绍。

文献[1,2]对无传感器控制技术进行了介绍，目前使用较为广泛的有两种方案，第一种是基于外加信号注入的估算方法，其实现方法是在定子绕组上附加一个激励信号，检测响应的电流信号，通过计算处理得到转子信息。该方式的优点在于不依赖电机的运行工况和参数，且计算量小。缺点在于高速时精度差，检测电路复杂，且谐波引入会引起电机运行不稳定。

第二种方法是状态观测器法，常用的观测器有：自适应观测器、变结构观测器、卡尔曼滤波器等，这些方法具有稳定性好、鲁棒性强、适用面广的优点,但算法比较复杂。负载扰动观测器属于其中的一种。

文献[6]中使用了降阶观测器法，并设计了一种对估测转矩的矫正方法。结果表明其动态性能良好，系统鲁棒性好，且在不同转速时对转矩的估测都较为准确。

文献[7,8]展示了东南大学伺服研究中心团队基于反电动势观测的实验结果，该方法需要设计一个转速影响的补偿方法，对转速和负载的变换有良好的自适应性和鲁棒性，但是具体设计受限于电机参数。

文献[9,10]采用了基于滑膜观测器的方法，中高速状态下对转矩的估测效果良好，但是针对滑膜观测器本身的抖动问题，并未提出高效的解决方法。

文献[11]中提出了一种频率自适应扰动观测方法，通过对定子磁链扰动的补偿，提高转子位置的监测精度。值得注意的是其实验结果表明，在低速状态下，该方法取得了良好的控制效果。对电机低速运行的观测一直是难点，一般采用信号注入法才能取得较好的调速性能。

2.3课题实施其它相关技术研究现状分析

要实现课题中的控制系统，还需要对调速系统中其它环节进行分析、设计。下面以该课题所涉及的技术点为作为分类准则，针对每个技术点目前的研究、应用情况进行了分析、对比、介绍。

1) 永磁同步电机的工作原理

文献[12]是一本电机学的经典教材，其中对永磁电机的工作原理进行了介绍：三相电流通过三相绕组产生以同步转速旋转的旋转磁场，内部转子本身具有N,S极，受到旋转磁场牵引，以相同速度旋转。工作原理决定了其必然存在启动困难和失步两大问题。调速上只能实现变频调速，制动只能通过能耗制动。

文献[13，14]两篇学位论文介绍了两种永磁电机的设计方法。目前永磁电机的设计热点主要在转子形状和磁通设计，以及制造转子的永磁体材料研究。经典的永磁电机的工作原理、数学模型和基本的控制手段仍然适用。

2) 永磁同步电机的控制方法

文献[15]是一本介绍交流同步电机调速系统的经典参考书，其中对永磁同步电机的控制方法进行了系统的介绍。基于永磁同步电机的稳态模型主要采用调压调频控制，针对其动态模型主要有矢量控制和直接转矩控制两种方法。

文献[16]中使用了基于稳态模型的调压调频控制，根据其稳态模型，定子电流频率决定转速，压频比决定电磁转矩。控制系统采用电流内环，电压外环的双闭环结构，从控制效果看，稳态性能尚可，动态性能较弱。

文献[18,19]使用了基于同步电机动态数学模型的矢量控制法。矢量控制法的核心是解耦控制，通过静止坐标系和旋转坐标系的变换，将定子电流转换为励磁电流分量和转矩电流分量，再仿照直流电机控制。其中的控制方法实现简单，应用最为广泛。从效果上看，调速系统达到了转矩线性化控制的效果，动态性能媲美直流调速系统。文献[19]中考虑了非线性因素的影响，并进行了补偿，控制性能更加出色。

文献[21，23]采用了直接转矩控制方式。其基本原理是：在定子静止坐标系中观测估算定子磁链和电磁转矩，将估算值分别与对应的参考比较产生调节信号控制定子磁链的调整方向，达到控制转矩的目的。从具体实施角度看，可以选择定子磁链、或转矩角作为控制变量，控制方案多样。从结果上看，这种控制方式不需要观测转子位置，结构简单，动态特性好，但是稳态精度差，目前的应用还存在一些问题。

3) 大功率电力电子技术在永磁同步电机调速系统中的应用

文献[24,25]对永磁同步电机调速使用的变压变频器进行了分析。传统的变压变频器，使用叫交交变频或交直交变频的方式，电压控制和变频控制是分开的。结构复杂，控制程序复杂，控制特性差，电机控制的动态性能差，而且易出现环流、逆变失败等问题。得力于全控型电力电子器件的发展，目前在同步电机调速邻域中主要使用PWM逆变调制方式。SVPWM技术和矢量控制相结合的控制方法使用尤其广泛。

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