基于高頻方波注入的船舶電機無傳感器控制研究

高 翔，劉維亭

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

基于高頻方波注入的船舶電機無傳感器控制研究

高 翔，劉維亭

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

隨著大功率交流調速技術的不斷進步，船舶電力推進如今成為船舶行業的主要發展目標。為研究運行可靠穩定、靈活、高性能的船舶電機無位置傳感器控制，系統采用高頻注入法估算電機轉子位置信號，根據基于高頻注入永磁同步電機數學模型的研究，該系統中高頻采用的是高頻方波注入，減少濾波器的使用從而緩解了轉子位置延遲現象，同時采用鎖相環對電機轉子的相位和頻率跟蹤來計算電機轉子的估計轉速，克服了估算轉速脈動大的困難。利用Matlab對電機控制系統仿真，驗證電機控制系統的電機轉速平滑穩定，轉子位置波形在0–2π有規律往返。最終實現高精度、靈活的無傳感器船舶電機控制。

PMSM；高頻方波注入；鎖相環；無傳感器控制

0 引 言

影響船舶動力的主要因素為船舶電力推進系統性能好壞和靈活程度等。船舶推進系統采用電動機帶動船體螺旋槳推進船舶行駛。傳統的電動機裝置帶有位置傳感器，位置傳感器的使用無疑增加經濟成本，且噪聲大，不易維護，運行條件苛刻等均影響船舶的穩定行駛和安全操作。為提高船舶的穩定性、可靠性等安全因素，采用無位置傳感器永磁同步電機來帶動螺旋槳以達到平穩推進船舶行駛。永磁同步電機（PMSM）具有結構簡易、運行穩定等諸多優點[1]，在高性能調速系統中得到了廣泛的應用。國外對永磁同步電機無傳感器控制技術的研究相對來說起步較早， M.L.Corley 和 R. D. Lorenz 等[2]率先從事無傳感器控制研究，澳大利亞的 M. F. Rahman 教授、丹麥的 F. Blaabjerg等相繼在無傳感器控制技術上做出相關研究成果。郭慶鼎等[3]在無傳感器控制領域深入研究，并取得相應研究成果。

本文設計并實現了高頻方波注入下的船舶電機控制系統。闡述高頻方波注入船舶電機控制系統的結構，分析系統的控制策略和控制原理，并通過試驗結果驗證系統設計的有效性。

1 永磁同步電機數學模型

建模時為計算簡便，忽略鐵芯的磁飽和，不計渦流損耗和磁滯損耗和無阻尼繞組[4]。

1）d-q坐標系定子電壓方程

2）定子磁鏈方程

式中：ud、uq，id、iq，Ld、Lq分別為d-q坐標系中的電壓分量、電流分量和電感分量；Rs為定子電樞繞組的電阻；ωe為轉子的電角速度；Ψd，Ψq為定子磁鏈；Ψf為永磁體磁鏈。

3）轉矩方程

4）運動方程

式中：Te為電磁轉矩；np為電機極對數；Te為電磁轉矩；J為轉動慣量。

5）高頻注入電壓電流方程

其中：

經 park 逆變換[5]，高頻勵磁電壓方程變換為：

因電機轉子位置信號為正值，所以需對高頻響應電流進行符號一致化處理（即符號取正），再進行歸一化[6]得到如下高頻響應電流：

利用鎖相環[7]對式（7）跟蹤處理，估算出電機轉子位置信號，進而估算出速度信號。

2 高頻方波注入的船舶電機控制系統設計

2.1 永磁同步電機系統組成

圖 2 為永磁同步電機無位置傳感器控制系統結構，系統由 PMSM、功率驅動、速度調節器、電流調節器、位置觀測器組成。電流內環、速度環構成雙閉環[8]控制系統。位置觀測器是基于高頻方波信號注入估算轉子位置和轉速信號[9]。

圖 3為高頻方波信號注入的系統原理框圖。

2.2 船舶電機控制整體設計

基于高頻方波注入的船舶電機控制系統主要有主控模塊，槳葉驅動模塊驅動螺旋槳，驅動電機，控制電機，電源等。船舶電機控制結構框圖如圖 4所示。

本文采用永磁同步電機與諧波減速器配合的方法，結合矢量控制[10]方法和id= 0 的控制策略[11]，電流、速度閉環控制實現高頻方波注入下的船舶電機無位置傳感器控制。

3 實驗驗證

為驗證高頻方波注入的船舶電機無位置傳感器控制系統的可靠性和有效性，在 Simulink 仿真環境[12]下建立基于高頻方波注入的永磁同步電機無位置傳感器控制系統，采用id= 0 矢量控制，電機參數選取為：R= 0.8 Ω，Ld= 0.008 H，Lq= 0.021 H，Ψf= 0.175 Wb，J= 0.000 46 kg·m2，極對數Pn= 2，額定功率PN= 1.4 kW，額定轉速n= 300 r/min。PI 控制器系數分別為kp= 285，ki= 100。電機仿真模型如圖 5所示；圖 6為電機實際速度曲線，曲線較為平滑，電機由靜止平滑運行至額定轉速并穩定運行于額定轉速 300 r/min 處；圖 7為電機估計速度曲線, 估計轉速曲線較為平滑，并與實際轉速曲線相似接近，誤差小，且運行穩定；圖 8為定子電流波形，電機能順利平穩啟動，并快速啟動至穩定狀態；圖 9為轉子位置曲線；圖 10為轉子位置誤差曲線。由圖可以看出轉子位置誤差很小。

4 結 語

本文對船舶電機無位置傳感器控制的研究得出以下結論：

1）采用高頻方波注入法實現，緩解了位置延遲現象；

2）高頻方波注入結合矢量控制id= 0，電機控制系統啟動平緩穩定；

3）與鎖相環結合控制，提高系統估計精度。

以上證明了此方案的可行性。

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Research marine motor sensor-less control based on high frequency square injection

GAO Xiang, LIU Wei-ting
(School of Electrical and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Along with the advance of high power ac speed regulating technique, ship electric propulsion now become the main development goal of shipping industry. In order to research a reliable, stable, flexible and high-powered marine motor sensor-less control, system adopts high frequency signal injection observing motor rotor position signal, and according to the mathematical model research based on high frequency injection permanent magnet synchronous motor, high frequency used in the system is high frequency square wave injection, reduces the use of filter, so reduces the delay phenomenon of the rotor position, uses phase-locked loop to track the phase and frequency of the motor rotor to calculate the estimated motor rotor speed, this overcomes the difficulties of estimate speed ripple. At last, marine motor system with the Matlab simulation, verify the motor speed smooth stability of motor control system, the rotor position waveform in 0~2π regularly commute. Finally realized the high precision and agility of marine motor sensor-less control system.

PMSM；high frequency square signal injection；phase-locked loop；sensor-less control

TM351

A

1672 – 7649(2017)07 – 0098 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.04.020

2016 – 07 – 21；

2016 – 09 – 29

國家自然科學基金資助項目(61503161)；船舶預研支撐技術基金資助項目(13J2.5.2)

高翔(1989 – )，女，碩士研究生，研究方向為電氣自動化。