基于脈振高頻注入的船舶電機無傳感器低速控制研究

張周　馬繼先

摘 要：船舶推進電機苛刻的工作環境凸顯出機械式位置傳感器不耐腐蝕等諸多弊端，因此，無位置傳感器控制便成了目前永磁同步電機的研究趨勢。傳統的無傳感器控制技術依賴基波數學模型致使其在低轉速范圍內控制失效，為了實現船舶電機低速范圍內的轉速估計，針對內置式永磁同步電機（interior permanent magnet synchronous motor，IPMSM）采用高頻脈振信號注入法，并通過基于位置跟蹤觀測器的方法獲取轉子轉速。利用Matlab對電機控制系統進行仿真驗證，驗證控制系統對轉子位置以及轉速估算的準確性。

關鍵詞：IPMSM;脈振高頻注入;無傳感器控制;低速位置估計

中圖分類號：TM351? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）05-0078-03

為了獲得穩定且靈活的船舶動力，主推電機選用永磁同步電機能很好地滿足需求。傳統的船舶電機推進裝置裝有位置傳感器，然而機械式位置傳感器不耐風浪侵蝕，影響船舶推進系統的穩定運行。無傳感器永磁同步電機船舶推進可以解決這一問題。目前無傳感器控制技術的應用獲得了諸多成效[1-3]，但是普遍依賴電機定子基波數學模型。這類方法在電機剛啟動時或低速運行范圍內時，難以從定子側提取有用信號，最終導致位置判別失效[4-6]。R. D. Lorenz提出的高頻信號注入法是解決該問題的一個有效方法[7]。

本文設計了脈振高頻信號注入下的船舶電機無傳感器低速控制系統。建立高頻脈振信號激勵下的IPMSM數學模型，闡述基于位置跟蹤觀測器的轉子位置估算方法，分析無傳感器控制系統原理，并通過仿真結果驗證低速運行狀態下無傳感器系統的有效性。

1 高頻脈振電壓激勵下的IPMSM電流響應

圖1? 實際轉子-坐標系與估計轉子-坐標系間的關系[1]

（1）坐標系中高頻激勵下三相IPMSM的電壓方程[2]

因為高頻時定子電阻相對于電抗小很多，這里忽略不計。

（2）坐標系中三相IPMSM定子電感

經過反Park變換將式（2）轉化到兩相靜止坐標系中 ：

式中：是平均電感，是半差電感。

（3）實際轉子坐標系中高頻電壓電流的關系無法估算實際的轉子磁極位置，因此通過式（1）、式（3）以及圖1中得到估計轉子坐標系中高頻電壓和響應電流的關系：

式中：、以及、是估計轉子-坐標系中電壓、電流高頻分量。

（4）為了盡量減小注入高頻電壓后給電機轉矩帶來的波動，只在軸注入的脈振高頻注電壓，軸不注入任何信號

此時的高頻響應電流可以表示為：

式（6）中：是注入電壓的頻率，若，轉子估計誤差角將同時取決于軸和軸電流分量。其中，當時，，可以對軸電流作濾波提取，將幅值限定在一定范圍。

2 轉子位置估算方法

2.1 基于位置跟蹤觀測器的轉子位置估算方法

船用IPMSM實現無傳感器位置觀測需要對高頻響應電流進行一系列處理。先將定子側軸高頻響應電流通過一個帶通濾波器BPF，去除基波頻率分量以及高次干擾項，只提取其中一定幅值范圍的電流信號。再通過直線擬合的方式將該該信號經低通濾波器LPF處理，即可獲得位置觀測器的入口信號，具體處理過程如下所示：

式中：若令，轉子位置估計誤差角也向零趨近。說明這樣的調制方式可使轉子位置估計值貼近實際值，達到估算目的。由上式可以看出，電機電感大小雖然影響的幅值，但是最終目的不是觀測幅值而是觀測。同時表達式中也不含轉子角速度，因此這種方法既不受電機參數影響也不受轉子角速度的影響，完全能滿足低轉速范圍內的電機控制。

2.2 位置跟蹤觀測器

圖2是依據外差法模型建立的觀測器模塊，主要包括PI調節器和電機機械特性數學模型。、和搭建的調節器能使入口信號調節至零，不斷調節使估計值更加精確。圖中，是估計系統中的轉矩，引入的目的是提高觀測器模塊的響應速度，當然特定系統中也可以直接給定。

3 脈振高頻注入的船用IPMSM控制系統設計

IPMSM控制系統組成。圖3是船用永磁同步電機無傳感器控制系統結構框圖，系統由船用IPMSM、逆變驅動模塊、位置估算算法、濾波電路等模塊構成。圖4是脈振電壓信號注入的電機控制系統原理框圖。由于高頻響應電流中摻雜了基波電流、PWM開關頻率諧波電流等摻雜信號，可以通過帶通濾波器（BPF）將其濾除，從而提取出包含轉子位置信息有用信號。

4 仿真驗證

為了驗證船舶電機無傳感器控制系統在低速段的控制效果，在前述低速控制模型的基礎上上搭載上螺旋槳負載，根據圖4所示的理框圖在Simulink仿真環境下搭建系統運行模型。電機參數選取為：額定電壓380V，，，，，，極對數，給定轉速為。電機系統仿真模型如圖5所示;圖6為電機轉速估算值與實際值變化曲線，估算曲線與實際曲線能很好地擬合，能將估計誤差控制在極小的范圍，電機啟動瞬間出現短時波動并迅速過渡到穩定值，并且持續穩定在給定值;圖7為轉速誤差曲線，估計誤差穩定在0值附近，波動極小;圖8為轉子位置估計值與實際值變化曲線，估算曲線與實際曲線能很好地擬合，位置波形也有規律地往返;圖9是轉子位置估計誤差曲線。

5 結束語

本文對基于脈振高頻注入的船舶電機無傳感器低速控制研究得出以下結論：

（1）采用脈振高頻電壓信號注入法，在電機低速運行時能夠實現對轉子位置及轉速的準確跟蹤。

（2）基于位置跟蹤觀測器的轉子位置估計方法能使轉子位置估計值很好地收斂到實際值，實現了對轉子的位置估計。

參考文獻：

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[2] 王劍飛， 胡書舉， 李建林， 鄂春良. 永磁直驅型風力發電機的無傳感器控制研究[J]. 電力電子技術， 2009， 43（03）： 6-8.

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[6]薛樹功，魏利勝，凌有鑄.基于擴展卡爾曼濾波的永磁同步電機無傳感器矢量控制[J].電機與控制應用，2011，38（08）：15-18.

[7] Raca D， Harke M C， Lorenz R D. Robust magnet polarity estimation for initialization of PM synchronous machines with near-zero saliency[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2008， 44（4）：1199-1209.