本文是一篇机械论文，本论文是在表贴式永磁同步电机矢量控制的基础上设计无源观测器无速度传感器控制研究，并在此基础上设计电压反馈法进行弱磁控制。经过调节仿真模型参数，仿真实验证明了无源观测器和无源观测器无速度传感器弱磁控制策略的可行性和有效性，并进一步证明无源观测器的优势。
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着汽车工业发展，人民生活水平的提高，汽车保有量居高不下，加重了能源危机和环境污染。同时不可再生资源地减少和人类生活环境污染越来越严重，人们提出了低碳、环保、舒适的生活理念，出行也朝着绿色低碳环保的方向不断更新，汽车产业发展也越来越重视节能与环保。2020年10月27日我国《节能与新能源汽车技术路线图2.0》正式发布，其中提出2028年国家预计碳排放达到峰值，汽车产业先于此时间到达，且七年之后碳排放总量呈下降趋势。至2035年，新能源汽车和节能汽车将会成为我国主流产品，新能源汽车的年销售量将超过总体的50%，汽车产业逐步实现向智能化、电动化方向转型[1-2]。在能源匮乏的今天，各国也相继出台禁售燃油车的时间表，但距离各国燃油车禁售时间节点这段期间，燃油汽车仍是汽车消费市场的主力军，能源及污染问题仍是研究的热门话题。电动汽车（Electric Vehicles，EV）以噪声低、污染低等优点得到广泛关注。随着电力电子、科学技术的进步，电动汽车在驱动电机、整车技术等一些关键技术取得了重大进展。然而，动力电池的能量密度、质量和体积等方面进展相对缓慢，直接影响电池的比能量、比功率等。电池作为电动汽车的“三电”之一，对动力性能及续航里程起着重要作用[3]。因此，研究出优良的电机及其驱动控制技术，对降低动力系统能量的消耗，提高EV的续航能力十分必要，对我国电动汽车产业的健康可持续发展起着至关重要作用。
为了PMSM保持高性能调速状态，一般会在电机轴上安装机械传感器来获取电机控制所需要的转子位置和转速信号，常见的机械传感器有编码器、解码器等[7]。机械传感器安装在电机轴上不仅增加电机的体积同时也提高了系统成本，而且易受电机周围运行环境的影响，温度、湿度和尘埃等直接影响传感器的稳定性和可靠性，一旦传感器出现问题，电机控制效率将会下降，甚至无法工作。而采用观测器无传感器技术可以精简电机控制系统，提高电机在不同应用场景中的跟踪性能和动态响应性能，提升了电动汽车在不同工况环境下的稳定性和可靠性。
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1.2 电动汽车及其驱动电机国内外发展现状
1.2.1 电动汽车发展现状
从安德森（Anderson）于1834年发明了第一辆电动车时，电动汽车就开启了它的发展历史，由于当时条件较差、技术落后等原因，导致蓄电池充电时间长、续航里程短等因素，电动汽车慢慢退出历史舞台[8]。20世纪80年代，开始发展蓄电池技术，提升了电池的比能量、比功率，提高了能量密度及质量，使电池充电时间有效缩短，同时也提升了电池的续驶里程，此时电动汽车进入新发展阶段，逐渐向实用化阶段迈进。但相比于内燃汽车其行驶速度还是相对较低，续航里程还是较短，所以世界上各个国家还是以燃油车为主。进入本世纪后，随着科学技术的发展、电力电子技术的突飞猛进及电池技术的突破，有效的缓解电动汽车续航里程短、充电时间长的问题，电动汽车逐渐成为人们交通出行的首选。相比传统燃油汽车，电动汽车最大的优势就是采用新型动力系统，以电力或其他新型能源代替不可再生的石油能源，这样不仅能大大降低石油能源的消耗，同时也能有效减少汽车尾气对大气的污染[9]。
电动汽车凭借运行稳定、维护简单、无污染、低噪声等优点，逐渐被大众认可。在全球能源危机严峻的情况之下，电动汽车迎来了蓬勃发展。据公安部统计，截至2022年年底，全国汽车总量达4.17亿辆，其中新能源汽车占汽车总量的4.1%，达到1310万辆，而纯电动汽车占新能源汽车总量的79.78%，其保有量为1045万辆。
目前世界上的电动汽车，按动力源进行区分，大致可以分为三种类型[10-12]：纯电动汽车（Battery Electric Vehicle，BEV）、混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）、燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）。它们都有自己的优缺点，下面从驱动方式、动力传动方式、变速系统和能量系统等方面介绍各类汽车的特点[13-15]，如表1.1所以。
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2 永磁同步电机数学模型及矢量控制原理
2.1 永磁同步电机原理与结构
永磁同步电机主要由两部分结构组成：第一部分是定子，由用来产生旋转磁场的永磁体铁心、电枢绕组及作电动机机械支撑的端盖、机座等构成；第二部分是转子，把电能转换成机械能，实现能量的转换。同步电机依据励磁方式不同，分为PMSM和电励磁同步电机[47]。若转子为励磁同步绕组，则为电励磁同步电机，而PMSM转子为永磁体。依赖于稀土永磁材料的进步，其性能大幅度提高，永磁同步电机使用的永磁体基本上是具有高能量密度的钕铁硼永磁材料，拥有极高的磁能积和矫顽力[48]。在结构上，PMSM优化了系统，使其结构简单、使用方便。例如，用永磁体代替励磁线圈，减少了转子电阻，提高了电机的使用效率，省去了用来换相的电刷和换向器，降低了系统成本，提高了可靠性。
PMSM处于静止时，三相对称电流输入到定子绕组，定子电枢产生旋转磁场，其与转子永磁体磁场相互作用，使转子由静止开始加速转动。当电机转子开始转动时，一开始由于转子磁场与定子磁场转速存在速度差，形成异步状态。当转子磁场与定子磁场的转速矢量相等，转子速度将进入同步运行状态。永磁同步电机是由转子永磁磁场和定子绕组通入三相对称电流产生的旋转磁场相互作用，产生驱动转矩，实现由电能转换成机械能的过程。
（1）表面贴永磁同步电机（Surface Mounted PMSM，SPMSM）
在SPMSM转子铁心表面安装磁体，该磁体成瓦片状，磁导率接近1，永磁体的磁路基本上与转子的安装位置无关，气隙磁场波形成正弦分布，其磁通呈垂直走向，转子和定子之间的气隙均匀，电机交轴与直轴的电感基本相等，凸极效应不明显，故称为隐极式PMSM。具有造价低、转矩惯量较小、结构简单等优势。
（2）内嵌式永磁同步电机（Interior PMSM，IPMSM）
内嵌式PMSM也称凸极式PMSM。其转子位置影响磁路，在内部永磁体与转子合为一体，转子与定子之间的气隙不均匀，使得交轴与直轴的主电感相差较大，非对称的磁路特性导致了磁阻转矩的产生，具有显著的凸极效应。内嵌式电机结构相对表贴式结构复杂、机械强度低，但能产生较大的力矩，一般用于极数较多的低速场合。
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2.2 永磁同步电机数学模型
2.2.1 永磁同步电机坐标变换
PMSM在不同的应用场合需要使用相应数学模型，为了能让永磁同步电机取得与他励直流电机一样的控制效果，需要在不同坐标系间进行相互转换。坐标变换其实就是对同一个对象使用不同的坐标系来表示。本节将对A-B-C坐标系、α-β坐标系和d-q坐标系之间的变换进行介绍，如图2.3所示。
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将A-B-C坐标系投射到α-β坐标系称为Clarke变换，也称为3s/2s变换。反之，称为Clarke逆变换，也叫做2s/3s变换；将α-β坐标投射到d-q坐标系称为Park变换，也称为2s/2r变换。反之，称为IPark变换，也可称为2r/2s变换[49-50]。
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3 基于无源观测器的表贴式永磁同步电机速度控制 .......................... 24
3.1 无源控制的基本原理 .............................. 24
3.1.1 无源控制理论 .................................... 24
3.1.2 系统的耗散性、无源性和稳定性 ....................... 25
4 基于无源观测器的表贴式永磁同步电机弱磁控制 .......................... 38
4.1 弱磁控制原理 ........................................ 38
4.1.1 PMSM弱磁控制基本理论 ...................... 38
4.1.2 PMSM弱磁控制策略 ................................ 41
5 总结与展望.................................. 53
5.1 总结 ................................... 53
5.2 展望 ................................ 54
4 基于无源观测器的表贴式永磁同步电机弱磁控制
4.1 弱磁控制原理
4.1.1 PMSM弱磁控制基本理论
PMSM弱磁控制的工作原理借鉴于他励直流电动机的弱磁调速理论，由于PMSM的转子由永磁体组成，其转子参数是保持不变的，因此通过坐标变换将三相坐标系中的定子电流转换成两相旋转坐标系，调节直轴去磁电流id和交轴转矩电流iq进行弱磁控制。表贴式永磁同步电机通过调节电流矢量is的相位与幅值实现弱磁控制，增加直轴负向电流来削弱永磁励磁，实现弱磁扩速的目的。当电机超过基速时，其输出能量受电压限制和电流限制，通过增加d轴电流来维持电压平衡保证电机在高速的稳定运行。若电压和电流都超出限制范围将导致电机运行不稳，因此我们要对电压和电流进行限制。
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5 总结与展望
5.1 总结
本文首先介绍PMSM的相关知识，分析其在不同坐标下的数学模型，同时对SVPWM原理和矢量控制作了深入说明，其次对无速度传感器技术和无源控制等相关理论进行介绍，最后详细分析弱磁扩速的弱磁工作区和表贴式永磁同步电机弱磁电流给定轨迹，为论文后续章节的理论推导及系统控制的实现打下理论基础。本论文是在表贴式永磁同步电机矢量控制的基础上设计无源观测器无速度传感器控制研究，并在此基础上设计电压反馈法进行弱磁控制。经过调节仿真模型参数，仿真实验证明了无源观测器和无源观测器无速度传感器弱磁控制策略的可行性和有效性，并进一步证明无源观测器的优势。
得出结论如下：
（1）在Matlab／Simulink中进行无源观测器无速度传感器仿真实验。结果表明，无论速度变化还是转矩变化，无源观测器转矩波动范围都在1 N·m以内，较传统滑模观测器有较好抑制转矩波动性能，速度估计误差和角度估计误差接近0，且较龙伯格观测器动态响应快。表明本文设计的观测器能很好的抑制抖振对转速和转矩引起的波动，且对电机运行中引起的参数变化有较好的鲁棒性，进而证明所设计的观测器具有全局稳定、无奇异点、涉及参数少、计算简单等优点。相比滑膜观测器和龙伯格观测器，无源观测器能更精准的估计位置及转速信息。
（2）在无源观测器无速度传感矢量控制基础上进行电压反馈法弱磁控制，通过一系列的仿真实验发现：电机能迅速进入弱磁I区，此时d轴电流开始反向增大，d轴电流在0.11 s达到最大-10 A后保持稳定，电机速度达到2401 r/min，速度在恒转矩区和弱磁I区之间能平滑过渡且无超调。由此可知无源观测器电压反馈法弱磁控制有较好的效果，系统动态响应快，能获得较宽调速范围。
参考文献（略）