電機車IPMSM高頻脈振電壓注入法轉子位置檢測

電機車IPMSM高頻脈振電壓注入法轉子位置檢測*

董晨露1，陳濤2

(1. 安徽理工大學,安徽 淮南232001； 2. 淮南礦業集團，安徽 淮南232001)

摘要：永磁同步電機作為礦用電機車的牽引電機，在進行控制時，準確獲得其轉子位置信息至關重要。將高頻電壓信號注入電機，利用龍貝格觀測器估計轉子角度和轉速，實現了永磁同步電機的無傳感器控制，并通過仿真進行驗證。將高頻脈振電壓注入法運用于實際的礦用電機車的控制系統，通過現場試驗和后期運行證明了其準確性和可行性。

關鍵詞：礦用電機車； 永磁同步電機； 高頻脈振電壓注入法

基金項目：* 安徽省教育廳自然科學重點項目(KJ2013A084)

通訊作者：董晨露

中圖分類號：TM 306文獻標志碼： A

收稿日期：2015-02-06

Motor Vehicle IPMSM Rotor Position Detection Based on

High Frequency Pulsating Voltage Injection

DONGChenlu1,CHENTao2

(1. Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China；

2. Huainan Mining Group, Huainan 232001, China)

Abstract：As the mine electric locomotive traction motor, it is vital to obtain the permanent magnet synchronous motor rotor position information accurately in the control process. Inject the high frequency voltage signal into motor, the rotor angle and speedestimation was estimated by using Luenberger observer, realized the sensorlessoperation of system, and verified by simulation. The high-frequency pulsating voltage injection method used in the actual mining electric locomotive control system,through field test and subsequent operation proved its accuracy and feasibility.

Key words： mine electric locomotive; permanent magnet synchronous motor; high frequency pulsating voltage injection

0引言

內嵌式永磁同步電機(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)由于其結構簡單、調速范圍廣、過載能力強等特點，被廣泛應用于煤礦電機車的牽引工作中。通常使用矢量控制策略實現IPMSM控制，其中轉子位置的獲取至關重要[1-2]。近年來基于反電動勢、磁鏈觀測器等多種無傳感器的控制方法得到了廣泛研究和應用[3]。但是這些基于基波激勵對轉子位置進行估計的策略，在中高速時具有良好的性能，當電機低速或者零速運行時，將無法準確獲取轉子位置，不能確保系統穩定運行。

利用電機的凸極特性，注入高頻信號，并對注入的信號進行調制可以獲得帶有電機轉子位置信號的高頻信號。這種基于高頻信號注入的無傳感器控制不依賴于電機的轉速，在低速和零速運行時仍然能夠精確的估計轉子的位置，從而實現對系統的調控[4]。本文采用高頻脈振電壓注入法獲得電機的轉子位置，通過仿真和現場試驗證明此種方法的準確性和有效性。

1高頻脈振電壓注入法

式(1)所示為轉子坐標系中IPMSM的電壓方程[5]：

(1)

圖1為IPMSM等效電路的簡化過程。圖1中udemf=ωrLqiq，uqemf=ωrLdid+ωrψf。當注入相對于基值足夠高的高頻信號時，電機可視為圖1所示的純感性負載。

圖1　IPMSM等效電路

式(1)中不含高頻信號的量以及定子電阻和交叉耦合項都可視為0。此時電壓方程可被轉換為

(2)

式中：udh、uqh、idh、iqh——轉子參考坐標系中d、q軸高頻信號分量。

將電壓方程轉換到估計的轉子參考坐標系中，得到式(3)所示高頻電流和電壓的關系式：

(3)

為減小高頻電流q軸分量引起的轉矩脈動，只將脈振高壓信號注入到估計的轉子坐標系d軸，得

(4)

式中：Vinj——注入高頻信號的幅值；

ωh——注入高頻信號的頻率。

將式(4)代入式(3)，得到高頻電流響應：

(5)

當位置偏差信號很小時，高頻電流分量可進行進一步轉換：

(6)

式(6)所示的q軸電流高頻分量可由q軸上的電流分量通過一個帶通濾波器BPF濾波后得到。

將式(6)乘sinωht，可得注入信號頻率的二次諧波分量，經LPF后濾波出式(7)所示的包含位置估計誤差的信號ε：

(7)

誤差信號的幅值對轉子信息估計的準確度不會產生影響，同時與電機轉速也不相關，因此高頻脈振電壓注入法能夠在低速甚至零速時準確得到轉子信息。

2龍貝格觀測器

圖2　龍貝格觀測器模塊

式(8)所示為觀測器的閉環傳遞函數：

(8)

圖3所示轉動慣量的估計值與實際值存在偏差時，觀測器的幅頻響應曲線。觀測器的閉環特征值分別設定為500rad/s、100rad/s和20rad/s，頻率高出其帶寬時，轉動慣量誤差將引起轉子估計誤差，所以觀測器應具有充裕的帶寬。

圖3　觀測器幅頻響應

3試驗結果及分析

為驗證高頻脈振電壓信號注入法對電機轉子位置估計的準確性，在MATLAB仿真平臺下建立了如圖4所示的IPMSM矢量控制系統框圖，在低速及零速條件下進行了仿真測試。仿真參數如表1所示。

圖4　IPMSM矢量控制系統框圖

參數數值極對數4定子電阻/ΩR=0.18d軸定子電感/mH5mHq軸定子電感/mH8mH轉動慣量永磁體磁通/(kg·m2)J=0.079永磁體磁通/Wbψf=0.165

試驗一： IPMSM運行在75r/min，0.7s和2.2s時電機突然反轉。由圖5和圖6可看出，電機突然反轉時系統仍然能很好地跟蹤轉子的位置以及轉速，估計值與實際值之間偏差很小，系統的動態性能良好。

圖5　真實角度、估計角度及偏差

圖6　真實轉速、估計轉速及電磁轉矩

試驗二： 零速運行時，系統分別在1s、2s、3s時刻突加10N·m電動性負載，圖7和圖8所示的仿真結果表明，零速運行時系統仍然能夠很好地跟蹤轉子位置，準確地對轉速進行估算。

圖7　真實角度、估計角度及偏差

圖8　真實轉速、估計轉速及電磁轉矩

通過以上試驗可以看出，采用高頻脈振電壓注入法的IPMSM矢量控制系統，可以在平滑的正反轉間切換，且具有很好的帶負載能力和轉矩控制能力，在發電和電動狀態時，系統都能穩定運行。

4電機車牽引試驗

將高頻脈振電壓注入法運用于實際的IPMSM控制系統中，以TBQ-22YC永磁同步電動機作為礦用電機車的牽引電機，調速器采用TMS320LF2407作為核心控制，由IPM驅動板、電源模塊等組成。在煤礦工作中進行電機車運行測試。

在圖9中的工程現場測試電機車運行于不同轉速下的性能，給出了控制系統的部分試驗波形。電機車運行400r/min時，IPMSM的反電動勢波形如圖10所示，波形比較穩定，正弦度正常。系統運行時，如圖11所示，實際位置和估算位置峰值完全吻合，估算值與實際值相同。

圖9　電機車運行現場

圖10　反電動勢

圖11　轉子位置

圖12為帶大小為200N·m負載時，永磁同步電機的線電壓和相電流波形，圖13為電機車運行在1000r/min時突加100N·m負載，可以看出0.15s后電流恢復穩定。

工程試驗證明，采用高頻脈振電壓注入法能夠準確地獲得永磁同步電機轉子位置信號，使礦用電機車在高速、低速以及零速狀態下運行穩定，實現平滑調速。在煤礦中投入使用的電機車，運行狀態良好，沒有出現機械及電氣故障。

5結語

本文分析了永磁同步電機的數學模型，闡述了采用高頻脈振電壓注入法估算轉子位置的原理，并通過龍貝格觀測器實現對轉子位置及轉速的估計。通過仿真驗證了高頻電壓注入法的準確性，并將此種方法應用于礦用電機車的控制系統中。通過電機車的現場運行及后期使用，證明了高頻電壓注入法能夠準確地對電機的轉子位置和信號進行估計，使IPMSM控制系統工作高效穩定。

圖12　電壓電流波形

圖13　電流波形

【參考文獻】

[1]連琨，劉艷萍，高美卿.永磁同步電動機矢量控制[J].電機與控制應用，2010，37(12)： 52-55.

[2]魯文其，胡育文，杜栩楊，等.永磁同步電機新型滑模觀測器無傳感器矢量控制調速系統[J].中國電機工程學報，2010，30(33)： 78-83.

[3]BOLDEA I，PAICU M C，ANDREESCU G D，et al.“Active flux”TFC-SVM sensorless control of IPMSM[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion，2009，24(2)： 314-322.

[4]鄧先明，馬志勛，李新宇，等.轉子注入高頻的同步電機無傳感器控制[J].電機與控制學報，2010，14(10)： 61-67.

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