改進型IF控制結合有效磁鏈法的永磁同步電機全速域無位置傳感器控制策略

付康壯 劉計龍 麥志勤 牧雅璐 李科峰

改進型IF控制結合有效磁鏈法的永磁同步電機全速域無位置傳感器控制策略

付康壯 劉計龍 麥志勤 牧雅璐 李科峰

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室 武漢 430033）

永磁同步電機 無位置傳感器控制 改進型IF控制 有效磁鏈法 全速域

0 引言

永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）具有體積小、功率密度高、調速范圍廣等優點，在航空航天、艦船推動、新能源汽車等領域得到了廣泛應用[1-4]。實現PMSM高精度矢量控制需要實時獲取轉子位置信息，傳統的檢測方式是在電機內部安裝機械式傳感器，這種方式會造成系統魯棒性降低、安裝和維護成本增加、線路連接復雜等諸多問題，嚴重影響PMSM的推廣應用[5-7]。為拓寬PMSM的適用范圍，無位置傳感器控制技術逐漸成為眾多學者研究的熱點。

在PMSM中高速區采用基于電機基波模型的控制方法來實現轉子位置辨識[8-11]，但在零速或者低速區電機反電動勢極其微弱，導致基于基波模型的轉子位置辨識方法失效。為了實現PMSM全速域無位置傳感器控制，必須要在低速區設計單獨的控制策略，目前常用的零低速區控制方法是高頻信號注入法[12-16]。高頻信號注入法是通過向電機注入連續的高頻電壓（電流）信號實現轉子位置辨識，在電機的零低速區具有較高的位置估計精度，但其工作時會產生額外的系統損耗和電磁噪聲，并且需要多個濾波器進行濾波，計算量大且實現過程復雜，在一些有特殊要求的場合并不適用，如潛艇、水下自主航行器等。

IF控制（IF control）又稱為電流頻率比控制，是一種采用電流、頻率給定的控制方式，與高頻信號注入法相比，其實現過程簡單，工作時不產生附加振動噪聲，而且適配電機廣泛，既適用于隱極電機也適用于凸極電機，是常用的PMSM零低速區無位置傳感器控制方法之一。IF控制不依賴于轉子位置信息且引入電流閉環控制，可有效避免電機過電流，同時具備一定的抗負載擾動能力，在如今的工業控制中已經應用得較為成熟，常被用于電機起動加速過程[17-19]。

經過調研發現，目前依然沒有單一的且性能良好的無位置傳感器控制策略能夠同時兼顧PMSM零低速區和中高速區的控制，而實現全轉速區域無位置傳感器控制是該項技術服務于工程實踐的現實需求。因此，開展無位置傳感器高低速復合控制策略的研究具有重要的工程應用價值。為提升控制系統的可靠性和適用范圍，一些學者將IF控制與中高速區觀測器法相結合，避免了采用高頻信號注入法帶來的電磁噪聲和結構復雜等問題[16-18]。

文獻[20-21]提出一種IF控制與滑模觀測器相結合的PMSM無位置傳感器復合控制策略，實現了電機的正（反）轉起動加速至額定轉速過程。文獻[22]采用IF控制與磁鏈觀測器法相結合的控制方法，并提出一種基于雙dq空間的起動、切換策略，實現了IF控制向磁鏈估計法的無縫平滑切換。文獻[23]提出一種IF控制與改進型帶補償校正的反電動勢法相結合的復合控制策略，解決了船舶推進PMSM在無位置傳感器控制下，無法實現從起動平滑加速至全速的問題。文獻[24]采用IF控制與反電動勢估計法相結合的控制方案應用在滾筒洗衣機的驅動控制系統中。

1 零低速區IF控制

1.1 IF控制系統結構與基本原理

IF控制是一種轉速開環、電流閉環的PMSM無位置傳感器控制方法，具有實現簡單、控制方便等優點，且在低速區具有一定的抗負載擾動能力，是實現PMSM零低速區無位置傳感器控制的重要手段之一。因此，本文在電機零低速區采用IF控制，傳統IF控制的系統結構如圖1所示。

圖1 傳統IF控制的系統結構

在SPMSM中d=q，式（3）可近似簡化為

PMSM的轉矩平衡方程表達式為

式中，L為真實同步坐標系和虛擬同步坐標系之間的相位差；d、q分別為直軸電感和交軸電感；e為電磁轉矩；L為負載轉矩；n為電機的極對數；f為永磁體磁鏈；為電機的轉動慣量。

IF控制可以直接控制定子繞組的電流幅值，使得電機具有較好的負載轉矩匹配能力。根據IF控制的“轉矩-功角自平衡”原理可知，當負載發生擾動時，通過功角的變化，電機會建立新的轉矩平衡，使其具備較強的抗負載擾動能力。

1.2 傳統IF控制的局限性分析

圖2 傳統基于軸電流給定的坐標系相位關系

表1 傳統IF控制零速穿越工況的實現過程

1.3 基于軸電流給定方式的改進型IF控制

此時，電機的電磁轉矩方程為

圖3 改進型IF控制下兩種坐標系的相位關系

1）正轉起動至額定轉速過程

2）正轉降速至零速過程

3）反轉起動至額定轉速過程

4）反轉降速至零速過程

表2 改進型IF控制零速穿越工況實現過程

2 全轉速范圍無位置傳感器控制策略

在中高速區工況下電機端口信號明顯，通常采用基于電機基波模型的無位置傳感器控制方法來實現轉子位置辨識，其中包括滑模觀測器法、磁鏈估計法、模型參考自適應法、卡爾曼濾波法等。與高速區其他控制算法相比，有效磁鏈法實現簡單、位置估計精度高，其研究也相對成熟，能同時適用于隱極電機和凸極電機，在工程中已經得到廣泛應用[9-10]。

本文在中高速區采用有效磁鏈法進行轉子位置辨識。在上述研究的基礎上，本文可以較好地實現在無位置傳感器條件下，PMSM在零低速區、中高速區的可靠運行，改進型IF控制結合有效磁鏈法的全速域無位置傳感器控制框圖如圖4所示。從低速區IF控制到轉速、電流雙閉環控制需要經歷一個過渡過程，通過設置合理的過渡過程實現兩種控制策略的平滑切換是PMSM無位置傳感器控制的重要研究內容之一。本節重點針對改進型IF控制與有效磁鏈法之間的平滑切換策略展開研究。

圖4 全速域無位置傳感器控制框圖

2.1 轉速區間的劃分

反轉情況），設置60r/min和100r/min為不同轉速區間的切換點，將電機轉速分為零低速區、過渡區和中高速區3個區間。表3為電機轉速區間的具體劃分情況。

表3 轉速區域劃分

2.2 狀態機的滯環切換方案

本文利用狀態機實現電機轉速區間的切換，為防止系統在不同轉速區間頻繁切換，在切換時采用了滯環切換。根據工程經驗，通常將滯環環寬設置為全速域寬度的1%左右，本文電機的轉速范圍為-500～500r/min，因此，滯環寬度設置為10r/min。基于狀態機的滯環切換實現原理如圖5所示。

圖5 狀態機的滯環切換實現原理

以電機正轉為例，在電機正轉加速和正轉減速工況下，對狀態機的切換方式進行介紹。

2.3 轉速過渡區的軸電流儲備方案

圖6 基于過渡區的軸電流儲備方案示意圖

（1）控制策略切換。電機從零低速加速至額定轉速過程，控制方式由IF控制切換到有效磁鏈法（策略在切換點A處完成切換），該過程采用的切換方式是“雙dq空間切換”。PMSM的任一空間矢量都可以在雙dq空間中表現出不同的分量，各分量的關系可以由兩個坐標系之間的相位差L唯一確定，雙dq空間切換示意圖如圖7所示。

圖7 雙dq空間切換示意圖

（2）控制策略切換。電機從額定轉速降速至零低速過程，其控制方式由有效磁鏈法切換到改進型IF控制（在策略切換點B處完成切換），該過程采用的切換方式是“直接切換法”，原因分析如下：根據IF控制的特性可知，IF控制所需要的位置給定信號可以直接給定。在有效磁鏈法向IF控制切換時，由于有效磁鏈法全程工作，切換瞬間電機轉子位置和dq軸電流已知，因此在有效磁鏈法向IF控制切換時，將磁鏈法所估計的位置信息直接用于IF控制給定，可以保持電機的電壓矢量和電流矢量不變，從而順利實現切換過程。因此，采用基于IF控制參數給定的直接切換策略，可以有效降低磁鏈法向IF控制切換的復雜度。

3 實驗結果與分析

為了進一步驗證本文所提方法的可行性，搭建如圖8所示實驗平臺對其進行驗證，直流母線電壓為500V，負載為一臺發電機。被試電機由變頻器供電并拖動發電機產生電能，發電機電能消耗在負載電阻柜上。在數據采集存儲方面，首先將DSP內部的轉子位置、轉子轉速等數據信息實時保存在RAM中，停機之后再將數據導出，然后利用Matlab完成數據處理并繪圖。實驗所用的永磁同步電機參數見表4。

圖8 實驗平臺

表4 永磁同步電機參數

3.1 IF控制與有效磁鏈法穩態工況性能驗證

圖9 控制模式50r/min穩態工況下的轉子轉速和三相電流實驗波形

圖10 有效磁鏈法控制模式500r/min穩態工況下的轉子轉速和三相電流實驗結果

圖9為在50r/min穩態工況下，電機采用改進型IF控制時的轉子轉速和三相電流實驗波形。由圖9可以看出，電機三相電流波形無明顯波動且接近標準正弦，說明IF控制在低速區具有較好的控制性能，可以滿足PMSM在零低速區的控制要求。

圖10為在500r/min穩態工況下，采用有效磁鏈法控制方式估計的電機轉子轉速和三相電流實驗波形。從圖10可以看出，PMSM在500r/min穩態工況下運行時，有效磁鏈法估計的轉子轉速波形與旋轉變壓器所檢測的實際轉速波形擬合程度較好，未發生明顯波動，三相電流波形具有較好的正弦度，電機平穩運行。實驗結果表明，有效磁鏈法可以實現PMSM在中高速區運行時轉子轉速的精確估計。

3.2 改進型IF控制零速穿越性能驗證

圖11 電機由-60r/min加速到60r/min工況下IF控制零速穿越性能驗證

圖11為PMSM轉速由-60r/min加速到60r/min工況下的dq軸電流、轉子轉速和三相電流實驗波形。由圖11可以看出，采用改進型IF控制時，在轉速過零瞬間轉速未發生波動，dq軸電流和三相電流也未產生明顯波動，電機由正轉切換到反轉過程連續且平滑。

圖12 電機由60r/min加速到-60r/min工況下IF控制零速穿越性能驗證

圖12為PMSM在60r/min加速到-60r/min工況下的dq軸電流、轉子轉速和三相電流波形。由圖12可知，在電機零速穿越過程中，dq軸電流和三相電流均未產生波動，電機正反轉切換過程平滑，且起動過程平穩。

3.3 切換策略性能驗證

PMSM加速階段采用的切換方式為雙dq空間切換（IF控制-有效磁鏈法），減速階段采用的切換方式為直接切換法（有效磁鏈法-IF控制）。本節對兩種控制方式之間的切換策略的切換性能進行驗證，實驗結果如圖13和圖14所示。

圖13 電機正轉工況下兩種控制方法切換策略性能驗證

圖14 電機反轉工況兩種控制方法切換策略性能驗證

由此可以看出，本文采用的切換策略在進行切換過程中電機運行穩定，轉子轉速和三相電流均未發生明顯波動，可以有效實現IF控制與有效磁鏈法之間的靈活、平滑切換。

3.4 全轉速范圍無位置傳感器控制性能驗證

圖15和圖16為在PMSM全轉速范圍對所提無位置傳感器復合控制策略性能驗證的實驗結果。圖15給出電機在-500r/min到500r/min工況下的dq軸電流、轉子轉速和狀態機狀態實驗波形。以電機正轉工況為例，通過觀察圖15可知，PMSM由0r/min加速至500r/min過程系統工作狀態如下：

圖15 轉速從-500r/min到500r/min變化時dq軸電流、轉子轉速和狀態機狀態實驗波形

圖16 轉速從500r/min到-500r/min變化時dq軸電流、轉子轉速和狀態機狀態實驗波形

（1）PMSM首先運行在零低速區，由0r/min開始加速，狀態機處于Mode 1狀態，此時IF控制給定的轉子位置信息參與矢量閉環控制，有效磁鏈法開始工作。

圖16給出電機在500r/min到-500r/min工況下的dq軸電流、轉子轉速和狀態機狀態實驗波形。以電機正轉為例，通過觀察圖16可知，PMSM由500r/min減速至0r/min過程系統工作狀態如下：

（1）PMSM首先運行在中高速區，由500r/min開始降速，此時狀態機處于Mode 3狀態，在該模式下有效磁鏈法估計的轉子轉速和位置信息參與矢量閉環控制。

圖17為全速域工況下有效磁鏈法位置估計結果與真實位置采樣結果的誤差實驗波形。觀察圖17中轉子位置誤差波形可知，當中高速區采用有效磁鏈法時轉子位置估計誤差的平均值在±8r/min范圍內，基本滿足實際的工程需求。而當轉速處于零低速區時，由于電機轉速偏低，電機端口反電動勢信號偏弱甚至消失，該轉速區有效磁鏈法的位置估計性能顯著下降。但是，本文中有效磁鏈法不用于電機的低速區控制，當電機進入低速區后，控制方法由有效磁鏈法切換至IF控制，因此電機依然保持正常運行狀態。

圖17 全速域PMSM轉子位置誤差實驗波形

4 結論

實驗結果表明，本文所設計的無位置傳感器復合控制策略能夠實現PMSM的全速域穩定運行，真正意義上實現了IF控制與高速區觀測器法相結合的全速域無位置傳感器控制，實現過程簡單可靠，工作時不產生附加的電磁噪聲，具有一定的參考價值。

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A Full-Speed Domain Sensorless Control Strategy for Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Improved IF Control and Effective Flux Method

（National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Naval University of Engineering Wuhan 430033 China）

Permanent magnet synchronous motor, position sensorless control, improved IF control, effective flux method, full speed domain

TM351

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220542

國家自然科學基金面上基金資助項目（52177202）。

2022-04-07

2022-05-23

付康壯 男，1998年生，碩士研究生，研究方向為永磁同步電機無位置傳感器控制技術。

E-mail: ndfukzh@163.com

麥志勤 男，1992年生，博士，助理研究員，研究方向為永磁同步電機驅動及無位置傳感器控制技術。

E-mail: 827239136@qq.com（通信作者）

（編輯 崔文靜）