無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)控制策略研究

陳 誠(chéng)

(南京溧水電子研究所有限公司，南京 210000)

1 無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)工作原理

無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)就是在電機(jī)不安裝光電傳感器的時(shí)候，通過(guò)電機(jī)的繞組來(lái)進(jìn)行信號(hào)傳播的過(guò)程，可以進(jìn)行電機(jī)繞組數(shù)據(jù)的測(cè)量、計(jì)算和分析，進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置的掌握。可以在電機(jī)繞組的過(guò)程中進(jìn)行容易測(cè)量的定子測(cè)量，然后通過(guò)各項(xiàng)數(shù)據(jù)及模型的結(jié)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和速度測(cè)量，利用無(wú)傳感器的形式代替機(jī)械傳感器進(jìn)行電機(jī)的應(yīng)用，促進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的功能。

2 無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的分析

無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)的研發(fā)是根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理器DSP為基礎(chǔ)進(jìn)行的，無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)將數(shù)字信號(hào)、控制系統(tǒng)以及信息技術(shù)進(jìn)行融合發(fā)展，促進(jìn)無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)的技術(shù)不斷提升。無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)在很早之前就已經(jīng)被發(fā)明和應(yīng)用了，但是在無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)出現(xiàn)的初期，人們只能推斷出其靜態(tài)方程，將電機(jī)的調(diào)速達(dá)到10:1的比例，實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)的形成，但是這種非動(dòng)態(tài)化的電機(jī)控制系統(tǒng)的精度不夠，在實(shí)際的應(yīng)用中還存在很大的誤差；后來(lái)又有專業(yè)的電機(jī)研究人員利用轉(zhuǎn)子齒諧波進(jìn)行轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，這種方式受到檢測(cè)技術(shù)等的影響導(dǎo)致轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確的范圍較小，只有轉(zhuǎn)子速度300r/min的速度以內(nèi)才能進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)測(cè)量；近幾年相關(guān)的學(xué)者又開(kāi)始對(duì)卡爾曼濾波器永磁電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，并對(duì)全階狀態(tài)觀測(cè)量的無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)試，但是狀態(tài)觀測(cè)器很容易受到電機(jī)數(shù)據(jù)參數(shù)的影響，導(dǎo)致需要多個(gè)狀態(tài)觀測(cè)器的數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行分析，這樣導(dǎo)致無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在實(shí)際的運(yùn)用中容易出現(xiàn)很多的問(wèn)題。我國(guó)對(duì)無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)的研究，開(kāi)始主要是在各個(gè)高校中的試驗(yàn)研究，對(duì)無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)的研究主要包括幾個(gè)方面，一是進(jìn)行無(wú)速度傳感器的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)各個(gè)變量控制系統(tǒng)的研究，二是進(jìn)行異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差型無(wú)傳感器各個(gè)變量控制系統(tǒng)的研究；三是進(jìn)行軟件感應(yīng)電機(jī)無(wú)速度傳感器控制，雖然無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)在不斷地進(jìn)步和發(fā)展，但還是有很多的不足需要不斷地創(chuàng)新和改進(jìn)。

3 無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)策略分析

3.1 通過(guò)定子端電壓和電流進(jìn)行θ和ω的計(jì)算

定子端電壓和電流計(jì)算方法主要是利用場(chǎng)旋轉(zhuǎn)理論進(jìn)行，先將電機(jī)的狀態(tài)保持在穩(wěn)定狀態(tài)，然后讓定子和轉(zhuǎn)子磁鏈同時(shí)旋轉(zhuǎn)，這2個(gè)磁鏈之間的角度具有一定的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)角度稱為公角，這種穩(wěn)定狀態(tài)下的電機(jī)控制方法適用于表面式的永磁同步電機(jī)。定子電壓和電流直接計(jì)算的控制方法操作比較簡(jiǎn)便，而且具有一定的規(guī)律，但是對(duì)電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)的精準(zhǔn)度要求比較高，所以在實(shí)際進(jìn)行控制方法選用的時(shí)候，應(yīng)該結(jié)合電機(jī)的具體數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行合理選擇。

3.2 模型參考自適應(yīng)法

模型參考自適應(yīng)法的使用原理是先進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的預(yù)先設(shè)定，然后通過(guò)電機(jī)模型來(lái)計(jì)算出預(yù)設(shè)位置電機(jī)的電壓和電流數(shù)值，再進(jìn)行電流和電壓數(shù)據(jù)差的計(jì)算，電壓和電流的數(shù)據(jù)差與該預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)子位置和實(shí)際轉(zhuǎn)子位置之間的角度差一致。如果電壓與電流的數(shù)據(jù)差逐漸向零靠近，那么預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)子位置就可以被認(rèn)定為實(shí)際的電機(jī)位置，利用這種方式進(jìn)行電機(jī)控制系統(tǒng)的測(cè)量，應(yīng)該充分重視選取的模型和預(yù)設(shè)位置精準(zhǔn)度相關(guān)的問(wèn)題。

3.3 利用觀測(cè)器進(jìn)行估計(jì)

在無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)中利用觀測(cè)器進(jìn)行估計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)速和位置，主要是由于觀測(cè)器具有重新組建結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的作用，能夠通過(guò)原來(lái)的系統(tǒng)進(jìn)行變量的測(cè)量和分析，并通過(guò)變量的初始量和最終的輸出量進(jìn)行信息輸入，促進(jìn)輸出信號(hào)與原狀態(tài)保持一定的統(tǒng)一。無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)中常用到的觀測(cè)器種類有很多，比如全階狀態(tài)觀測(cè)器、降階狀態(tài)觀測(cè)器以及滑模觀測(cè)器等，在利用滑模觀測(cè)器的時(shí)候，應(yīng)該注意觀測(cè)器主要是對(duì)不連續(xù)開(kāi)關(guān)的有效觀測(cè)和控制，在使用過(guò)程中很容易引起系統(tǒng)的抖動(dòng)狀況，對(duì)無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速低的情況下具有不利影響，會(huì)形成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。所以在進(jìn)行觀測(cè)器選擇的時(shí)候應(yīng)該注重實(shí)際情況需要以及觀測(cè)器的特性進(jìn)行合理選擇，有效保證無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)速度和位置信息的精確度。

3.4 高頻注入法

高頻注入法主要是以人為因素、電機(jī)自身因素以及高頻數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行的，與電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)及基波沒(méi)有較大的關(guān)聯(lián)，對(duì)轉(zhuǎn)子的初始位置能夠進(jìn)行有效的估計(jì)。也正是由于高頻注入方法不需要參考電機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)施，所以比較適用于電機(jī)轉(zhuǎn)速低且系統(tǒng)工作量較小的電機(jī)測(cè)速中，主要缺點(diǎn)就是需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行凸磁極的制造。

3.5 人工智能估計(jì)法

在無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的具體實(shí)施中，定子和電壓和電流之間的函數(shù)比例其實(shí)就是轉(zhuǎn)速，而且無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中還包含了很多的函數(shù)知識(shí)，所以可以將人工智能技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)控制系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的計(jì)算中，為交流傳動(dòng)領(lǐng)域帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，通過(guò)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)估計(jì)法實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，是本人對(duì)無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)策略及相關(guān)內(nèi)容的分析，只有不斷利用新的技術(shù)和方法逐漸實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和成本的降低，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制系統(tǒng)控制方式的選擇，才能有效解決無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)中的相關(guān)問(wèn)題，促進(jìn)無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)不斷進(jìn)步。