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直驅(qū)變頻器基于反電動勢的無速度傳感器控制算法

2021-03-07 09:47:49劉紅汪研
電子樂園·中旬刊 2021年4期
關鍵詞:永磁同步電機

劉紅 汪研

摘要:無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)取消了變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的速度檢測裝置,通過間接計算求出實際轉(zhuǎn)速值作為轉(zhuǎn)速的反饋信號。其基本組成原理是:在電機的定子側(cè)裝設電壓傳感器和電流傳感器,通過檢測三相電壓uA,uB,uC和三相電流iA,iB,iC。根據(jù)3/2變換(矢量控制中三相軸系到二相軸系的變換)靜止軸系中的兩相電壓usα,usβ及兩相電流isα,isβ,由定子靜止軸系(α-β)中的兩相電壓、電流可以推算定子磁鏈,估算電機的實際轉(zhuǎn)速。由于轉(zhuǎn)速推算器受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響,因而基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的轉(zhuǎn)速推算器還需要考慮轉(zhuǎn)子參數(shù)的改變。此外,轉(zhuǎn)速推算器的實用性還取決于其精度和快速性。隨著計算機運算性能和速度的不斷提高,現(xiàn)代矢量控制方法已經(jīng)能夠非常精確地以高度的動態(tài)性控制感性設備中的磁通和力矩。同時為了抑制高頻的機械振動,優(yōu)化系統(tǒng)部件的電磁噪聲并能夠獲得盡可能低的可預見的諧波電流,就有必要使用校準并且優(yōu)化過的IGBT控制脈沖。無速度傳感器的控制系統(tǒng)無需檢測硬件,免去了速度傳感器帶來的種種麻煩,提高了系統(tǒng)的可靠性,降低了系統(tǒng)的成本;另一方面,使得系統(tǒng)的體積小、重量輕,且減少了電機與控制器的連線,使得采用無速度傳感器的異步電機的調(diào)速系統(tǒng)在工程中的應用更加廣泛。

關鍵詞:直驅(qū)發(fā)電機;永磁同步電機;無速度傳感器;鎖相環(huán)

0 引言

在采用磁場定向的矢量控制時,為了實現(xiàn)高性能的三相PMSG控制系統(tǒng),一般都需要獲得準確的轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速信息,但機械傳感器的安裝使用會增加系統(tǒng)成本、尺寸和重量,并對使用環(huán)境有比較嚴苛的要求[1]。無速度傳感器控制技術通過檢測電機繞組中的有關電信號,采用一定的控制算法進而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置及速度估算,這類方法依賴三相PMSG基波激勵數(shù)學模型中與轉(zhuǎn)速有關的量(如產(chǎn)生的反電動勢)進行轉(zhuǎn)子位置和速度估算,由于電機運行在零速和極低速時,有用信號的信噪比很低,通常難以提取。目前常用的算法包括滑模觀測器算法[2-5]、模型參考自適應控制算法[6-7]、擴展卡爾曼濾波算法[8-9]等。

1 原理說明

PMSG機側(cè)模型以發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁通為參考坐標系,電壓方程為

其中:分別為發(fā)電機定子輸出電壓、電流的dq軸分量;為定子電阻;分別為定子dq軸電感;為電機轉(zhuǎn)速;為永磁磁通。

對永磁同步電機進行控制的時候,需要知道電機轉(zhuǎn)速和角度,由于沒有安裝速度傳感器,需要進行估計。估計的反電動勢通過下面的公式計算(電壓電流都是在估計的旋轉(zhuǎn)坐標系里計算得到,角速度也為估計值)。

對Ed、得到估計的角速度和角度以實現(xiàn)正常控制。

2 仿真分析

按照上述原理搭建仿真模型,電壓電流采樣周期20us,PWM載波周期為400us,機側(cè)采用svpwm控制策略。

3 結(jié)論

在轉(zhuǎn)速由大變小到由小變大(10r/min-4 r/min-10r/min)的過程中,轉(zhuǎn)子的角速度和角度都能精準跟蹤到電機的角速度和角度,控制的電壓電流和功率都很穩(wěn)定。基于反電動勢法的無速度傳感器效果很好。

參考文獻

[1] 谷善茂,何鳳有,譚國俊,等,永磁同步電動機無傳感器控制技術現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電工技術學報,2009,24(11):14-20.

[2] Foo G,Rahman M F. Direct torque control of an IPM-synchronous motor drive at very low speed using a sliding-mode stator flux observer [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 24(4):3933-942.

[3] Yuan Lei, Xiao Fei, Shen Jianqing, et al. Sensorless control of high-power interior permanent magnet synchronous motor drives at very low speed [J]. IET Electric Power Applications, 2013, 7(3):199-206.

[4] 袁雷,沈建清,肖飛,等,插入式永磁低速同步電機非奇異終端滑模觀測器設計[J].物理學報,2013,62(3):030501.

[5] 魯文其,黃文新,胡育文.永磁同步電動機新型滑模觀測器無傳感器控制[J].控制理論與應用,2009,26(4):429-432.

[6] 張興華.永磁同步電機的模型參考自適應反步控制[J].控制與決策,2008,23(3):341-345.

[7] 王成元,夏加寬,孫宜標.現(xiàn)代電機控制技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[8] 張猛,肖曦,李永東.基于擴展卡爾曼濾波器的永磁同步電機轉(zhuǎn)速和磁鏈觀測器[J].中國電機工程學報,2007,27(36):36-40.

[9] Smidl V, Peroutka Z. Advantages of square-root extended kalman filter for sensorless control of AC drives [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012,59(11): 4189-4196.

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