基于高頻脈振電壓注入法的永磁同步電機控制策略

蘭志勇，陳麟紅，廖克亮，李虎如，魏雪環(huán)

(湘潭大學，湘潭 411105)

基于高頻脈振電壓注入法的永磁同步電機控制策略

蘭志勇，陳麟紅，廖克亮，李虎如，魏雪環(huán)

(湘潭大學，湘潭 411105)

脈振高頻電壓注入法可以實現(xiàn)電機無速度傳感器控制在零速和低速范圍內的轉速估計，但其信號的處理過程較復雜，影響其動態(tài)性能。基于脈振高頻注入法的基本原理，根據(jù)電機數(shù)學模型，優(yōu)化脈振高頻注入法的電流信號處理過程，減少濾波器的使用，減小轉子轉速估算時間，簡化系統(tǒng)的結構，提高系統(tǒng)運行的動態(tài)性能。搭建面貼式永磁同步電機仿真模型并進行仿真，結果表明，與優(yōu)化前相比，信號處理優(yōu)化后的脈振高頻注入法具有響應速度更快，降低系統(tǒng)誤差等優(yōu)點，驗證了此方法的有效性。

永磁同步電機；脈振高頻注入；無位置傳感器；低速位置檢測；信號處理優(yōu)化

0 引 言

由于機械式傳感器在交流傳動系統(tǒng)中具有諸如降低系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性[1]，增加硬件成本等弊端，永磁同步電機的無速度傳感器控制技術已經成為當今的研究熱點[2]。

目前無速度傳感控制方法根據(jù)速度的適用范圍可分為：基于電機反電動勢的無速度控制方法適用于電機在中高速段運行，如模糊參考自適應法，磁鏈觀測法,滑模觀測器等[3-6]；高頻注入法適用于零速及低速段運行，如旋轉高頻注入法[7-9]和脈振高頻注入法[10-16]。其中，脈振高頻注入法不依賴電機的基波方程，對電機參數(shù)的變化不敏感，魯棒性能好。不僅能解決基于反電動勢控制方法在零速和低速時因反電勢過小或根本無法檢測而失敗的問題，而且還能根據(jù)飽和凸極性應用于面貼式永磁同步電機。然而，在實際的研究中，此方法對電機的動態(tài)性能和系統(tǒng)誤差的影響并不如理論推導理想。文獻[17]具體分析了脈振高頻電壓注入情況，對位置誤差公式進行數(shù)值分析，提高無速度傳感器控制技術的性能和位置估計誤差，但沒有解決電流信號處理過程中多個濾波器對面貼式電機的動態(tài)性能和位置誤差產生的影響。多個濾波器的使用不僅給參數(shù)的整定帶來困難，大量的運算也增加了轉速估計的時間，降低系統(tǒng)的動態(tài)性能。

本文在研究脈振高頻電壓注入法的基礎上，通過簡化電流信號處理過程中的數(shù)學模型，簡化系統(tǒng)結構，減少濾波器的使用，提高系統(tǒng)的性能。通過對面貼式永磁同步電機采用信號優(yōu)化前、后的脈振高頻注入法進行仿真結果對比，驗證了優(yōu)化型方法提高電機動態(tài)性能和穩(wěn)定性的同時簡單易行。

1 面貼式永磁同步電機在高頻激勵下的數(shù)學模型

在未知電機轉子具體位置的情況下，定義估計轉子同步轉速d*-q*坐標系，如圖1所示。

圖1 坐標空間位置關系

實際轉子d軸與估計轉子d*軸之間的夾角為Δθr，即轉子位置估計誤差：

由永磁同步電機在實際旋轉參考坐標系下的數(shù)學模型可知，其定子的電壓方程[18]：

如果在式(2)中注入高頻電壓信號，且此高頻信號的頻率遠高于電機旋轉角頻率，可把電機看作是一個簡單的R-L負載，則高頻信號在實際參考軸下定子電壓方程可以改寫：

其復數(shù)形式為下式：

根據(jù)圖1，通過Park變換可以把式(3)轉換成在估計參考軸系中的電流方程，得：

式中：Zavg，Zdiff分別為d，q軸高頻阻抗的平均值和阻抗差值，即：

若向估計參考軸系中注入的高頻電壓信號：

相應地，可以得到估計參考軸系中的電流響應方程：

由電流響應方程式(9)可知，在估計參考軸系中，當d*,q*軸的阻抗誤差因磁路飽和凸極性效應不為零時，電流響應分量都包含了轉子位置誤差信號。當轉子的角位置誤差為零時，d*軸的高頻電流正比于平均的高頻阻抗，其值不為零，相反，q*軸的高頻電流的值為零。因此，q*軸電流可作為估計轉子角位置的輸入信號。

2 傳統(tǒng)的高頻脈振電壓注入法

傳統(tǒng)的高頻脈振電壓注入法通常進行如圖2所示的處理來獲取轉子角位置信號。

圖2 電流信號處理圖

圖2中，電機的電流響應先通過BPF得到包含轉子位置的q*軸高頻電流響應，再將此電流響應與三角函數(shù)sin(ωit)相乘(三角頻率與注入的高頻信號頻率相同)，最后通過LPF獲得包含轉子位置誤差的信號，該信號與轉子位置誤差的關系可表達：

式中：K為誤差增益，與永磁同步電機的參數(shù)和注入的高頻電壓有關。當iΔθr趨近于0時，Δθr也趨近于0，即轉子的估計角度趨近于轉子的真實角度。

為了準確提取轉子轉速和位置，估計器采用PI調節(jié)器和積分器。其中PI調節(jié)器可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，實現(xiàn)對轉子位置的無偏估計。而電機PI調節(jié)器的輸出對時間的積分就是轉子的位置。基本結構框圖如圖3所示。

圖3 轉子位置和速度估算器的基本結構

由以上分析可知，在獲取轉子位置和轉速信號時，電機信號處理過程包含較多的濾波器，會給電流控制器的動態(tài)性能造成不良影響，且在仿真試驗中會因控制參數(shù)過多而給參數(shù)整定帶來很大的困難。

鑒于這些問題，本文將優(yōu)化電流信號的處理過程，簡化設計位置觀測器，改善電機在低速段的動態(tài)性能并使其簡便易行。

3 優(yōu)化后的脈振高頻電壓注入法

式中：I為幅值，若將式(11)直接與三角函數(shù)sin(ωit)相乘，可得到表達式：

式(12)～式(14)通過低通濾波器處理可濾去其中的高頻信號，而ωi和ωh均遠高于ωr，因此，式(12)、式(14)以及式(13)的前半部分通過LPF后均為0，留下含有轉子位置信息的電流信號表達式：

經過上述處理得到的q*軸高頻電流成分包含電機的轉子位置信息，這與傳統(tǒng)的信號處理具有相同的效果，即都能從電流響應中提取轉子位置的誤差信息。

電流信號優(yōu)化后脈振高頻矢量系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后電流信號處理圖

優(yōu)化后脈振高頻矢量控制總體框圖如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的脈振高頻矢量控制框圖

4 仿真實驗結果分析

為了驗證信號優(yōu)化前、后脈振高頻注入法的性能，在MATLAB/Simulink軟件下搭建PMSM無速度傳感器控制運行模型，仿真所用電機為表貼式永磁同步電機，電機參數(shù)列于表1。

表1 電機參數(shù)

注入電壓信號頻率取為1 000Hz，為避免對電機產生負面影響，其幅值取為基波幅值的20%，逆變器的開關頻率為10kHz。

4.1 空載仿真結果

給定1 500r/min的速度起動電機，并讓電機在空載狀態(tài)下運行。圖6為電機基于信號優(yōu)化前、后脈振高頻注入法觀測轉速曲線，圖7分別為信號優(yōu)化前、后轉子角位置與實際角位置的位置誤差曲線。

圖6 空載轉速曲線

(a) 傳統(tǒng)脈振方法

(b) 優(yōu)化脈振方法

如圖6所示，給定階躍轉速瞬間，電流信號優(yōu)化前、后的脈振高頻注入法具有較大的轉速誤差和角度誤差，但隨后又都迅速減小趨近于0。電機在0.1s之后進入穩(wěn)定狀態(tài)，超調量小，優(yōu)化后的脈振高頻注入法不僅在狀態(tài)穩(wěn)定后能準確跟蹤給定轉速，準確測量角位置，而且比優(yōu)化前縮短了近一半的上升時間，加快了電機的響應速度，提高了電機的動態(tài)性能。此方法能夠準確跟蹤給定轉速，基于無速度控制下的電機實現(xiàn)正常運行。如圖7所示，在電機起動瞬間，基于優(yōu)化后脈振高頻注入法控制的電機角位置誤差很小，其誤差大小能保持在0.5°內，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的脈振高頻注入法，起動波動較小。

4.2 負載仿真結果

電機轉速仍然設定為1 500r/min，在0.5s時給電機加上幅值為10N·m的負載。圖8為電機輸出轉矩。表明電機能穩(wěn)定跟蹤負載給定，實現(xiàn)正常運行。

圖8 負載狀態(tài)下的輸出轉矩

圖9為負載狀態(tài)下電機基于信號優(yōu)化前、后脈振高頻注入法的觀測轉速。轉速在起動瞬間雖有波動但都較快趨于平穩(wěn)。電機基于傳統(tǒng)脈振高頻注入法在0.2s后才能夠穩(wěn)定跟蹤設定轉速，而基于優(yōu)化后脈振高頻注入法在大約0.1s后就能平穩(wěn)運行。顯然，優(yōu)化后脈振高頻注入法進入平穩(wěn)狀態(tài)時超前于傳統(tǒng)電流信號的脈振高頻注入法，電機觀測轉速能更快的趨于穩(wěn)定，大大縮短反應時間。加負載后，優(yōu)化型的脈振高頻注入法也比優(yōu)化前明顯具有波動更小，穩(wěn)定性能更好的優(yōu)點。

圖9 負載狀態(tài)下轉速曲線

圖10為信號優(yōu)化前、后電機在給定階躍負載過程中轉子角度位置與實際角度位置的誤差曲線。

兩種方法雖然在電機起動瞬間都有角度誤差，優(yōu)化后脈振高頻注入法的角度與實際角度誤差在轉速穩(wěn)定后比優(yōu)化前有明顯的改善，基于優(yōu)化后脈振高頻注入的電機角度誤差在加載前后更加穩(wěn)定，且能穩(wěn)定在1°之內。而傳統(tǒng)的脈振高頻注入法在加載前后位置誤差都有較大的波動，其波動大于1°。

(a) 傳統(tǒng)脈振方法

(b) 優(yōu)化脈振方法

以上仿真結果及分析說明，信號優(yōu)化后的高頻脈振注入法比優(yōu)化前動態(tài)響應過程較快，誤差較小，系統(tǒng)的抗負載干擾能力較強。

5 結 語

本文采用脈振高頻注入法實現(xiàn)表貼式永磁同步電機無速度傳感器控制方法在低速范圍內的運行。優(yōu)化電流信號濾波過程，簡化系統(tǒng)結構，提高系統(tǒng)性能。仿真結果表明優(yōu)化型高頻脈振方法在電機空載及負載階躍變化時均可實現(xiàn)對電機轉速和位置的有效觀測。與優(yōu)化前的高頻脈振注入法進行比較，優(yōu)化后響應速度更快，角度誤差有明顯的減小，動態(tài)性能和穩(wěn)定性更好，驗證了優(yōu)化型方法的有效性。為接下來研究電機的初始位置和高速度段的無速度傳感器控制方法奠定了扎實的基礎。

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Permanent Magnet Synchronous Motor Control Strategies Based on High-Frequency Pulsating Voltage Injection Method

LANZhi-yong,CHENLin-hong,LIAOKe-liang,LIHu-ru,WEIXue-huan

(Xiangtan University,Xiangtan 411105,China)

The speed estimation of the motor speed sensorless control in the zero speed and low speed range can be realized by the high frequency voltage injection method, but the signal processing process is more complex, and its dynamic performance is affected. Based on the fundamentals of pulsating high-frequency injection and mathematic model, the method reduced the rotor speed estimation time and optimize pulsating high-frequency injection signal processing; simplified the structure of system and improve the dynamic performance and stability of the system operation. Result of the SPMSM simulation verifies the effective the proposed method where pulsating high-frequency injection compared which has faster response speed, better stability, reduce the system error, and other advantages is consistent with that before optimum.

PMSM； pulsating high-frequency injection； sensorless; low speed position detection; signal optimum processing

2016-01-13

國家自然科學基金青年科學基金項目(51507148)；湖南省戰(zhàn)略性新型產業(yè)科技攻關項目(2012GK4080)

TM341;TM351

A

1004-7018(2017)02-0065-04

蘭志勇(1980-)，男，博士，副教授，研究方向為大功率永磁同步電機設計及優(yōu)化、無刷直流電機設計及優(yōu)化、精密伺服驅動器的研究與開發(fā)等。