新能源船舶永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制的研究

楊澤賢，陳嘉福

新能源船舶永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制的研究

楊澤賢，陳嘉福

（武漢長海高新技術(shù)有限公司，武漢 430233）

為了實(shí)現(xiàn)新能源船舶永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱PMSM）全速域無位置傳感器控制，本文采用低速控制結(jié)合中高速模型參考自適應(yīng)觀測器的全速域無位置傳感器復(fù)合控制算法。該方法實(shí)現(xiàn)了新能源船舶推進(jìn)無位置傳感器控制系統(tǒng)的平穩(wěn)可靠運(yùn)行，在新能源船舶電力推進(jìn)中具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

新能源船舶；PMSM；無位置傳感器；控制；模型參考自適應(yīng)

0 引言

因能源短缺以及溫室氣體排放的問題，全球航運(yùn)業(yè)將面臨節(jié)能減排的巨大壓力。新能源船舶具有運(yùn)行成本低、零排放、無污染、噪音小等優(yōu)勢，其得到了廣泛的關(guān)注[1]。永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)作為新能源船舶的動力核心，其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠具有重要意義[2]。永磁同步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、啟動轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，在軍事、工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3-4]。一般來說傳統(tǒng)的閉環(huán)控制需要獲得PMSM轉(zhuǎn)子的位置和速度信息實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。但輪船使用場景面臨溫濕度較大、振蕩較多及易受腐蝕等惡劣工況，機(jī)械式編碼器的使用將導(dǎo)致后期運(yùn)行維護(hù)成本升高，同時(shí)機(jī)械編碼器的使用增加了硬件成本、系統(tǒng)復(fù)雜度以及降低了控制系統(tǒng)的可靠性[5]。為了實(shí)現(xiàn)PMSM的高精度、高動態(tài)性能，所以無位置控制就被引入新能源船舶的控制系統(tǒng)。

由于無位置控制技術(shù)的優(yōu)異性能表現(xiàn)，無位置控制技術(shù)成為國內(nèi)外學(xué)者的研究的熱點(diǎn)[6-8]。目前應(yīng)用較多的是擴(kuò)展卡爾曼濾波法、滑模觀測器法、模型參考自適應(yīng)法等。文獻(xiàn)[9-10]介紹了基于滑模觀測器的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法，該方法具有參數(shù)敏感性低、動態(tài)響應(yīng)快、魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，但卻因抖振存在，影響了控制性能。文獻(xiàn)[11]采用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法估計(jì)了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，其具有良好的抗干擾性能和參數(shù)魯棒性，但卻面臨著過程噪聲統(tǒng)計(jì)偏差或粗差干擾的問題，不能保證在整個(gè)速度范圍內(nèi)收斂。模型參考自適應(yīng)算法因其簡單、易于在數(shù)字控制系統(tǒng)中應(yīng)用，且具有優(yōu)越的穩(wěn)定性和收斂性[12]。

本文針對新能源船舶的永磁同步電機(jī)推進(jìn)控制無位置傳感器控制系統(tǒng)，低速域使用I/f控制，中高速域采用模型參考自適應(yīng)觀測器的控制，結(jié)合兩種控制方法實(shí)現(xiàn)了無位置傳感器復(fù)合控制系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述方法的可行性和有效性，同時(shí)該方法有效的改善了新能源船舶電力推進(jìn)永磁電機(jī)控制系統(tǒng)的性能，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用意義。

1 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

將PMSM在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型經(jīng)Clarke變換及Park變換后可得到PMSM在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定子電壓的數(shù)學(xué)模型方程為：

電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動方程為：

式中：ω為電機(jī)的機(jī)械角速度；為轉(zhuǎn)動慣量;為阻尼系數(shù); T為負(fù)載轉(zhuǎn)矩; T為電磁轉(zhuǎn)矩。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

2 模型參考自適應(yīng)觀測器設(shè)計(jì)

2.1 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)原理

模型參考自適應(yīng)法相比其他的方法具有控制相對簡單、不需要額外的信號注入、穩(wěn)定性良好的特點(diǎn)。模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)通常由參考模型、可調(diào)模型以及自適應(yīng)律三部分組成[13]。其中參考模型指的是不含有待估計(jì)參數(shù)的方程，而可調(diào)模型指的是含有待估計(jì)參數(shù)的方程，利用 2 個(gè)模型在同時(shí)工作時(shí)輸出量的差值輸入到自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，采用合適的自適應(yīng)律來不斷調(diào)節(jié)模型中估計(jì)參數(shù)，使兩個(gè)模型輸出相一致，實(shí)現(xiàn)參數(shù)估計(jì)[14-15]。結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 模型參考自適應(yīng)結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 可調(diào)模型與參考模型的確定

在模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)中，采用電流方程為參考模型，對于PMSM而言，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流方程為：

為了便于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，將轉(zhuǎn)速量約束于系統(tǒng)矩陣中，將式（4）改寫為下面的形式：

由于在式（6）中包含轉(zhuǎn)子速度信息,將式（6）以估計(jì)值表示可以得到可調(diào)模型為式（7）：

2.3 參考自適應(yīng)律的確定

本文采用 Popov 超穩(wěn)定性理論來設(shè)計(jì)自適應(yīng)律。Popov 超穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)的自適應(yīng)率能有效地使可調(diào)模型逼近參考模型，同時(shí)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性[16-17]。由此可以得到轉(zhuǎn)速的估計(jì)值：

3 復(fù)合控制系統(tǒng)

3.1 低速域I/f控制

目前主流的無位置控制方法是通過檢測繞組基波反電勢，然后通過基波模型得到轉(zhuǎn)子位子。但在電機(jī)的零低速啟動階段，電機(jī)繞組反電勢很小或?yàn)榱悖蜔o法準(zhǔn)確計(jì)算轉(zhuǎn)子位置信息，不能滿足伺服系統(tǒng)需獲取對永磁同步電機(jī)高精度轉(zhuǎn)子位置的要求[17]。相比于V/f控制存在的不具備負(fù)載轉(zhuǎn)矩匹配能力以及V/f曲線整定困難的缺點(diǎn)，I/f控制是一種速度開環(huán)，電流閉環(huán)的控制方式，可以根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩選擇合適的電流幅值[18]。

I/f流頻比啟動方式的基本思想是在電樞繞組中產(chǎn)生幅值跟隨參考值、頻率逐漸增大的旋轉(zhuǎn)電流矢量，使轉(zhuǎn)子加速啟動。I/f啟動的優(yōu)點(diǎn)是此時(shí)電機(jī)工作在速度開環(huán)、電流閉環(huán)的狀態(tài)，當(dāng)經(jīng)過電流傳感器傳回的電流可以受到期望電流值的限制，可有效避免瞬間過流現(xiàn)象。I/f控制的系統(tǒng)框如圖2所示：

圖2 I/f控制的系統(tǒng)框圖

此時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

3.2 低速到中高速運(yùn)行的切換過程

當(dāng)I/f啟動成功之后，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定范圍，基于模型參考自適應(yīng)的觀測器可以快速準(zhǔn)確的觀測轉(zhuǎn)子位置，此時(shí)就可以切換到模型參考自適應(yīng)觀測器閉環(huán)控制運(yùn)行。切換過程如圖3所示：

圖3 d軸切換過程

式中k為電流調(diào)整參數(shù)，t為調(diào)整的初始時(shí)刻，為調(diào)整后的時(shí)刻，其中k應(yīng)合理設(shè)置來保證平穩(wěn)切換。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證所提出的新能源船舶PMSM無位置傳感器控制算法的有效性和準(zhǔn)確性。本文結(jié)合如圖4所示的模型參考自適應(yīng)無位置傳感器控制系統(tǒng)框圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，控制系統(tǒng)由坐標(biāo)變換模塊、PI模塊、SVPWM模塊、模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)模塊、永磁同步電機(jī)模塊、逆變器模塊等組成。

圖4 模型參考自適應(yīng)無位置傳感器控制系統(tǒng)框圖

實(shí)驗(yàn)中永磁同步電機(jī)參數(shù)如表1所示：

表1 永磁同步電機(jī)參數(shù)表

為了驗(yàn)證該控制方法在實(shí)際系統(tǒng)中的的有效性，搭建了基于DSP28335的PMSM無位置傳感器控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺，如圖5所示。

圖5 PMSM實(shí)驗(yàn)平臺

圖6 開環(huán)-切換-閉環(huán)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度波形

圖7 開環(huán)-切換-閉環(huán)時(shí)交直軸電流波形

5 結(jié)論

本文基于新能源船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)對PMSM無位置傳感器控制進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明I/f控制結(jié)合模型參考自適應(yīng)的無位置傳感器復(fù)合控制策略在交流調(diào)速系統(tǒng)中能快速、準(zhǔn)確地辨識轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，性能良好，魯棒性強(qiáng)。

圖8 動態(tài)時(shí)電機(jī)速度波形

圖9 動態(tài)時(shí)交直軸電流波形

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Research on position-sensorless control of PMSM for new energy ships

Yang Zexian, Chen Jiafu

(Wuhan Great Sea Hi-Tech Co.,LTD., Wuhan 430233, China)

TM46

A

1003-4862（2024）03-0027-05

2023-06-20

楊澤賢（1993-），男，碩士。研究方向：電機(jī)控制及驅(qū)動。E-mail: 15189770017@163.com