航空起動發電系統電動運行無傳感器控制研究

李 巖，吳 迪，李 運

（1.海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺264001；2.海軍航空工程學院 研究生管理大隊，山東 煙臺264001；3.海軍駐貴陽地區軍事代表辦事處 貴州 安順561000）

航空起動發電系統電動運行無傳感器控制研究

李 巖1，吳 迪2，李 運3

（1.海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺264001；2.海軍航空工程學院 研究生管理大隊，山東 煙臺264001；3.海軍駐貴陽地區軍事代表辦事處 貴州 安順561000）

針對航空起動發電系統電動運行狀態下，永磁同步電機在起動過程中必須要準確知道轉子的速度和位置，提出了一種基于高頻信號注入法的無傳感器控制策略。向電機的凸極注入高頻電壓信號，通過濾波器提取出所需要的轉子位置信號，并且不受參數影響，有效的解決了傳統機械傳感器帶來的各種弊端，尤其是在零速和低速有很好的控制效果。搭建了高頻旋轉電壓注入法的Simulink仿真模型，仿真結果證明了該方法的有效性。

六相永磁同步電機；無傳感器控制；高頻信號注入法；位置觀測

Abstract:For the state of the electric operation of the air starting power generation system，the permanent magnet synchronous motor must exactly know the speed and position of the rotor during the starting process，a sensorless control strategy based on high frequency signal injection method is proposed.The salient pole of the motor is injected into the high frequency voltage signal，and the desired rotor position signal is extracted by the filter， and are not subject to the parameters that affect，effectively solve the disadvantages of traditional mechanical sensor，especially in the zero speed and low speed has a good control effect.The Simulink simulation model of high frequency rotating voltage injection method is set up，and the simulation results show that the method is effective.

Key words:six phase permanent magnet synchronous motor； sensorless control； high frequency voltage injection method；position observation

實現起動/發電雙功能是現代航空電源系統的一個重要發展方向，其核心思想是使電源系統中的發電機一機兩用，先當電動機起動發動機，再當發電機供電，從而革除了發動機的起動系統，有效地簡化了發動機的附件，減輕了重量，提高了飛機的可靠性和總體性能，成為未來飛機電源系統研究的一個熱點[1-4]。而永磁同步電機因其結構簡單可靠，控制性能優良，常被應用于航空起動發電系統中。

當發電機作為電動機運行時，必須要準確知道轉子的速度和位置，采用傳統的機械傳感器來檢測轉子的位置和速度，使得整個系統的穩定性和可靠性降低，并且存在高成本和安裝復雜等弊端。為了解決機械傳感器帶來的的各種缺陷，無傳感器控制技術成為了現在研究的熱點方向[5-9]。

高頻信號注入法作為一種無傳感器控制方法，是根據電機轉子結構中的凸極，在靜止坐標系上注入旋轉高頻電壓載波信號[10]，然后通過檢測其對應高頻電流的響應來確定轉子凸極的速度和位置。這種方法追蹤的是轉子的空間凸極效應，對電機的參數變化不敏感，魯棒性好，能較好解決在零速和低速下轉子速度和位置的估計。

1 六相永磁同步電機數學模型

六相永磁同步電機在靜止坐標系下的電壓方程為：

磁鏈方程為：

其中，p為微分算子，Rs為定子電阻，ψf為永磁體磁鏈，θr為轉子位置角，L=（Ld+Lq）/2 為平均電感，ΔL=（Lq-Ld）/2為半差電感。 Ld和Lq分別為同步旋轉坐標下的直軸同步電感和交軸同步電感[7]。

在靜止坐標系α-β軸上分別注入高頻旋轉電壓信號：

其中，Vh為高頻旋轉電壓幅值，ωh為高頻旋轉電壓頻率。當電壓頻率很高時，電機的阻抗主要為電感，在定子電阻上的壓降忽略不計，因此高頻信號在靜止坐標系下產生的定子磁鏈為

求解上式，可得高頻電壓產生的高頻電流響應為：

2 轉子的位置估計

2.1 負相序分量提取

由上節可知，高頻電流中含有正相序和負相序電流，只有負相序分量中含有轉子位置信息，因此為了獲得轉子位置信息必須對載波電流信號進行解調濾波處理，濾除基波電流，低次諧波電流，PWM開關諧波電流以及正相序分量，進而得到高頻電流負相序分量[8-10]。同時用低通濾波器濾除載波電流中的高頻信號，得到基波電流信號，形成電流閉環控制。

2.1.1 純延時濾波

因為基波和低次諧波的頻率遠低于高頻信號的頻率，而PWM開關諧波的頻率遠高于高頻信號的頻率，一般采用一個合適的帶通濾波器來實現這兩種頻率信號的濾除。但經過帶通濾波的高頻電流，其幅值會有衰減，相位發生滯后，將影響之后濾波和轉子位置估計的準確性，文中設計一種純延時濾波[11-13]。

這種方法的原理是將檢測得到的電流信號延遲高頻電流信號的半個周期即然后原電流信號再與延時后的電流信號做差即可得到高頻電流。以α軸電流為例，檢測到的電流為基波電流和高頻電流之和，即：

當電流延時半個周期后作差，可得:

由式（8）可以看出，經過純延時濾波后的基波電流減小到原來的倍，由于 ωh＞＞ωr，所以趨近于零，基波電流的衰減很大，幾乎都被濾除了。而高頻電流經過濾波后變為原來的2倍，這樣可以用較小的高頻電壓信號得到較大的高頻電流信號，從而避免了注入較大高頻電壓信號帶來的系統噪聲和功率損耗。并且這種濾波方法不會使高頻電流相位滯后，從而保證了估測轉子位置的精度。

2.1.2 同步軸高通濾波

通過純延時濾波環節提取到了高頻電流響應信號，其中包含了正相序和負相序電流分量，為了得到包含有轉子位置信息的負相序電流分量，這里采用同步軸高通濾波器來進行濾波。同步軸高通濾波器通過坐標變換把高頻電流矢量變換到一個與注入的高頻電壓矢量同步旋轉的參考坐標系中[14]。

在式（6）兩邊同乘 e-jωht，可得：

式（9）中，高頻正相序電流為一直流分量，只需用一個高通濾波器就可以完全濾除，得到再將Iαβ_h2變換到靜止坐標系下就可以提取到負相序電流分量：

2.2 鎖相環估計位置信息

通過同步軸高通濾波器可以得到負相序電流分量，下面要將位置信息從負相序分量中提取出來。這里采用基于鎖相環理論的方法來估計轉子位置信息[15]。鎖相環一般由鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器組成，其原理圖如圖1所示。

圖1 鎖相環原理圖

2.2.1 鑒相器

鑒相器又叫做相位比較器，它的主要作用是得到輸入和輸出信號的相位差，并將其以電壓信號的形式作為輸出，這里利用相位比較器將估計轉子位置角和實際轉子位置角進行比較，從而得到轉子誤差角。

經過同步軸高通濾波器的到的負相序電流式（10）從極坐標變換到α-β坐標系下得：

若轉子的估計位置角十分接近實際位置，則：

2.2.2 環路濾波器

環路濾波器的主要作用是對轉子位置的誤差角進行環路濾波，濾除噪聲以及干擾信號，確保鎖相環的穩定性。這里增加一個PI調節器來替代環路濾波器實現環路濾波功能，轉子位置誤差角通過PI調節器可以得到轉子角速度的估計值。

2.2.3 壓控振蕩器

壓控振蕩器是一種電壓-頻率變換裝置，它在鎖相環中起到了一次積分的作用，因此設置一個積分器，通過一次積分就能達到壓控振蕩器的效果，即對轉子角速度的估計值進行積分，就可以得到轉子位置估計值

3 仿真模型及結果

圖2 高頻信號注入法原理圖

上節分析了基于高頻旋轉電壓注入法的六相永磁同步電機無傳感器控制系統的原理和各濾波環節的設計方法，為了驗證所采用方法的有效性，在Matlab/Simulink平臺上搭建系統仿真模型，對系統進行仿真研究。系統的原理圖如圖2所示，整個無傳感器控制系統由PMSM模塊、坐標轉換模塊、逆變器模塊、高頻旋轉電壓注入模塊、速度調節模塊、電流調節模塊以及濾波器和鎖相環模塊構成。

下面對一臺六相永磁同步電機進行Simulink仿真驗證， 其中電機的參數為：J=0.008kg*m2，p=2，Rs=2.4 Ω，Ld=0.007 H，Lq=0.005 H，ψf=0.167 Wb。取轉速給定為50 rad/s，給定轉矩為 10 N·m，到 0.9 s時，轉矩變為5 N·m，系統仿真運行，得到的轉速跟蹤，跟蹤誤差，位置跟蹤和位置跟蹤誤差波形分別如圖3～圖6所示：

圖3 轉速跟蹤

圖4 轉速跟蹤誤差

圖5 位置跟蹤

圖6 位置跟蹤誤差

從圖3～圖6可以看出，剛開始系統經過很短時間就跟蹤上了給定轉速，之后除了轉矩突變時轉速有一些波動，但馬上又穩定下來，其它時間轉速跟蹤良好，轉速誤差幾乎為零；同時位置角也能較好跟蹤，位置跟蹤誤差趨近于零，系統跟蹤性能和穩定性能良好。通過上圖可知，系統實現了無傳感器的速度和位置跟蹤并且取得較好的效果。

4 結 論

本文中的高頻信號注入法的無傳感器控制研究，通過跟蹤轉子的凸極，采用各種濾波器和濾波方法從高頻載波信號中解調出實際的轉子速度和位置信息，仿真結果表明了在低速條件下，高頻信號注入法無傳感器控制的有效性。無傳感器控制的研究目前正處于發展和完善階段，較適合工程實際應用。航空飛機在惡劣條件下，發動機可能突然變速變載，這種方法對電機參數變換不敏感，有較強的魯棒性，在航空飛機的起動發電系統中有重要應用價值。

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Research on sensorless control of the electric operation of the air starting and powering generation system

LI Yan1， WU Di2，LI Yun3
（1.Department of Control Engineer， Naval Aeronautical Engineering Institute， Yantai264001，China；2.Graduate Management Group， Naval Aeronautical Engineering Institute， Yantai264001，China；3.The Navy's Military Representation Office in Guiyang， Anshun561000，China）

TN081

A

1674－6236（2017）19-0118-04

2016-07-27稿件編號201607192

李 巖（1967—），女，山東淄博人，碩士，教授。研究方向：航空電源系統與電氣控制技術。