風機用永磁同步電機無傳感器轉子位置檢測方法

陳 震，薛曉明

(1.泰州職業技術學院，泰州 225300；2.常州信息技術學院，常州 213164)

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風機用永磁同步電機無傳感器轉子位置檢測方法

陳 震1，薛曉明2

(1.泰州職業技術學院，泰州 225300；2.常州信息技術學院，常州 213164)

針對目前無傳感器檢測永磁同步電機轉子位置方法存在對電機參數敏感的問題，提出一種通過控制直軸電流為零估算轉子位置信息的新方法。基于直軸電流PI調節器中輸出電壓中包含轉子位置誤差信息，通過控制直軸電流為零，進而通過控制轉子位置鎖相環跟蹤比例積分控制器的轉子位置趨于零來估算出轉子位置與轉速。理論分析和試驗結果表明：提出的無傳感器算法只需永磁磁鏈，無需其它電機參數，算法十分簡單，在20%額定轉速以上都能準確地檢測到轉子位置和轉速，適用于功率等級寬泛的暖通、工業凈化風機用永磁同步電機。

直軸電流調節器；鎖相環;比例積分控制器；無傳感器轉子位置檢測；風機用永磁同步電機

0 引 言

近年來，隨著電力電子技術、變頻控制與實現復雜算法高性能、低成本微處理器的快速發展，矢量控制永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)，在寬速度、寬負載范圍內具有高效率、低噪聲和精準速度控制等特點，成為廠房凈化、建筑暖通工程、通信基站、軌道車輛等領域風機配套的優選電機[1-2]。基于矢量控制的PMSM必須實時檢測電機的轉子位置和速度。常用轉子位置檢測采用機械傳感器(編碼器、解算器和測速發電機)，但機械傳感器有安裝、電纜連接、故障等問題,不僅增加了系統的體積和轉子的轉動慣量，而且降低了系統可靠性。為了解決機械傳感器存在的各種缺陷，許多文獻報道了許多學者開展無傳感器檢測轉子位置的研究成果。

目前，無機械傳感器法主要包括高頻信號注入法和估算法。高頻信號注入法需要電機轉子具有凸極性的結構，不適用隱極式永磁同步電機[3-4]。估算法主要有反電動勢法、模型參考自適應法、滑模觀測器法、擴展卡爾曼濾波法等。反電動勢法利用電機基波電壓和電流信號計算轉子位置和速度，方法簡單，應用廣泛，但對電機參數的變化很敏感，適應性較差[5]。滑模觀測器法有較好的魯棒性，但存在低速抖振現象[6-7]。擴展卡爾曼濾波法需要繁雜的矩陣運算，實時性較差[8]。模型參考自適應法只能在中速檢測到準確的位置，在低速和高速時檢測誤差較大[9-10]。

為此，本文提出了通過控制直軸電流為零提取轉子位置信息的控制技術。提出的方法應用傳感器檢測到電機的三相電流后，利用Clarke變換和Park變換將三相電流變換為兩相交直軸電流，然后從直軸電流PI控制器產生轉子位置誤差電壓送到鎖相環轉子轉速與位置估算器，根據逆變器開關工作頻率選擇估算器中PI控制增益參數，通過控制直軸電流使其為零，估算出轉子位置和轉速，實現無傳感器電機控制。文中對提出的方法進行了理論分析，并通過實驗驗證了提出方法的正確性。

1 無傳感器轉子位置檢測原理

由于無位置傳感器轉子位置檢測不像機械傳感器可以直接測量，而是基于估算，因此在實際轉子位置θ和估算位置θe之間必然存在誤差Δθ。設實際轉子位置兩相靜止坐標系為α-β，旋轉坐標系為d-q坐標系，而基于估算轉子位置的旋轉坐標系為r-δ坐標系，如圖1所示。

圖1 不同參考坐標系關系圖

根據PMSM特性，基于α-β坐標系的PMSM定子電壓方程：

(1)

定義變換矩陣：

(2)

則r-δ坐標系下的定子電壓、電流可以表示：

(3)

(4)

將式(1)、式(2)、式(4)代入式(3)可以得到r-δ坐標系下的PMSM電壓方程：

(5)

式中:Vα,Vβ,Vr,Vδ分別表示定子繞組α-β軸和r-δ軸電壓分量；iα,iβ,ir,iδ分別表示定子繞組α-β軸和r-δ軸電流分量；Ls,Rs分別表示定子電感和電阻；φ表示轉子永磁磁極產生的磁鏈；ω表示轉子電氣角速度。

圖2為無位置傳感器矢量控制PMSM方框圖。圖中前向耦合電壓：

(6)

將測量的電流經Clarke和Park代入式(5)可得估算旋轉坐標系下的交直軸電壓。

圖2 無位置傳感器矢量控制PMSM方框圖

(7)

將式(7)減去式(6)得到交直軸電壓的誤差：

(8)

式中:ωe為估算的轉子角速度。

(9)

變換式(9)可得轉子位置誤差Δθ：

(10)

若可以得到實際轉子位置θ，則可利用圖3的鎖相環結構，獲得估算轉速ωe及估算轉子位置θe。

圖3 鎖相環轉子轉速與位置估算方框圖

由圖3可得鎖相環轉子轉速與位置估算的傳遞函數：

(11)

若鎖相環轉子轉速與位置估算的頻寬為ωv，為了保證快速無振蕩的估算轉子位置，取阻尼比ξ為1，則特征參數：

(12)

(13)

根據式(12)、式(13)可獲得鎖相環轉子位置估算比例增益Kp和積分增益Ki分別：

(14)

(15)

通常速度環的頻寬取PWM調制頻率的1/10，即50～200 Hz[11]。考慮到系統逆變器的非線性以及電流測量誤差等因素，鎖相環轉子位置估算的頻寬一般為速度環的頻寬2～6倍[12]。

事實上，實際轉子位置θ是未知的，但可以應用式(10)獲取轉子位置誤差信息，即從d軸PI電流調節器輸出電壓中提取，具體轉子位置估算的框圖如圖2的速度與位置估算器部分。

2 實驗結果與分析

為了驗證提出方法的正確性，在一套應用永磁同步電機的中央空調用風機變頻調速系統進行了實驗。電機參數：額定功率400 W，額定轉速1 500 r/min，電機極數8極，永磁磁鏈為0.704 Wb，逆變器開關頻率15 kHz。根據提出的理論，鎖相環轉子轉速與位置估算的頻寬為ωv取為300 rad/s，PI控制器的比例增益設置為600，積分增益設置為90 000。

圖4給出了給定速度指令ω*在300 r/min和1 500 r/min時估算速度ωe和實測速度ω、估算位置θe和實測位置θ的變化情況。從圖4中可以看出，不同給定速度下ω*,估算速度ωe、估算位置θe和實測速度ω、實測位置θ完全吻合。

(a) ω*=300 r/min

(b) ω*=1 500 r/min

圖5給出了給定速度ω*在300 r/min和1500 r/min時，估算位置θe和估算位置差Δθ的變化情況。從圖5中可以看出，不同的給定速度下ω*，穩態時轉子位置誤差Δθ都接近于零。

給定轉速命令ω*從500 r/min變到300 r/min再變到1500 r/min時，給定轉速ω*、實測轉速ω、估算轉速ωe和q軸電流iq的變化情況如圖6所示。可以看出，在瞬態和穩態時估算轉速都能較好地跟蹤給定轉速。

(a) ω*=300 r/min

(b) ω*=1 500 r/min

圖6 給定轉速ω*階躍變化時,給定轉速ω*、實測速度ω、估算速度ωe及其交軸電流iq變化情況

3 結 語

本文提出了通過控制直軸電流為零提取轉子位置信息無傳感器控制技術。將直軸電流調節器輸出的包含轉子位置誤差信息直軸電壓輸入到鎖相環速度位置估算器，通過控制直軸電流為零，估算出轉子位置和轉速。估算器的頻寬可選擇為逆變器PWM頻率的1/5～3/5，估算器的PI控制增益參數可根據頻寬計算獲得。實驗表明，提出的方法不依賴于電機模型，只需轉子磁鏈，無需其它電機參數，算法十分簡單，在20%額定轉速以上都能準確地檢測到轉子位置和轉速，適用于功率等級寬泛的暖通、工業凈化風機用永磁同步電機。

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Rotor Position Detection Method of Sensorless Permanent Magnet Synchronous Motor for Fans

CHEN Zhen1，XUE Xiao-ming2

(1.Taizhou Polytechnic College，Taizhou 225300,China;2.Changzhou College of Information Technology,Changzhou 213164,China)

For the problem of sensitivity to motor parameters during detecting rotor position of sensorless PMSM, a new method to estimate the rotor position was put forward by controlling direct axis current through zero. This method was based on the rotor position deviation information of direct axis current PI regulator output voltage, by controlling the direct axis current and the rotor position of phase-locked loop tracking PI controller to estimate the rotor position and speed. Theoretical analysis and experimental results show that the proposed sensorless algorithm only needs permanent magnet flux linkage, without other electrical parameters; the algorithm is very simple, and can accurately detect the rotor position and speed above 20% of rated speed. It is suitable for permanent magnet synchronous motor of ventilating and industrial cleaning fan with a wide range power grade.

direct axis current regulator; phase-locked loop; PI controller; sensorless rotor position detection; PMSM for fans

2015-07-20

TM341；TM351

A

1004-7018(2016)03-0058-04

陳震(1976-)，男，副教授，研究方向為電機控制與電力電子技術。