基于脈振高頻信號(hào)注人法的永磁同步電機(jī)開(kāi)環(huán)矢量控制

引言

永磁同步電機(jī)因具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性及魯棒性好等優(yōu)點(diǎn) ,在很多領(lǐng)域可以取代直流電機(jī)。永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)需要精確的轉(zhuǎn)子位置來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)矢量定向控制 ,現(xiàn)在大部分做法都是在電機(jī)上安裝編碼器來(lái)實(shí)時(shí)獲取轉(zhuǎn)子位置 。這些額外的傳感器增加了系統(tǒng)的成本 , 同時(shí)也降低了系統(tǒng)的可靠性 。所以 ,如何實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的開(kāi)環(huán)矢量控制 ,是這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)開(kāi)環(huán)矢量控制分為兩類(lèi):基于反電動(dòng)勢(shì)估算方法和高頻信號(hào)注入法 。高頻信號(hào)注入法包括旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)注入法[l]和脈振高頻電壓信號(hào)注入法[2]。對(duì)于凸極特性較為明顯的PMSM ,可利用電機(jī)凸極對(duì)高頻電流的影響 ,采用旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)注入法 ,得出轉(zhuǎn)子位置 ,進(jìn)而計(jì)算速度信息 。而脈振高頻電壓信號(hào)注入法通常用于凸極性不明顯的PMSM , 由于永磁體磁通的影響 , 定子鐵芯在A軸處的繞組是飽和的 ,這種飽和使得面貼式永磁同步電機(jī)仍具有一 定的凸極性 。本文在詳細(xì)介紹脈振高頻電壓信號(hào)注入法原理的基礎(chǔ)上 ,通過(guò)仿真對(duì)其進(jìn)行研究 ,并給出仿真結(jié)果。

1 脈振高頻電壓信號(hào)注入法

如果只考慮電壓和電流的高頻分量 , 以及電機(jī)電氣頻率與注入的高頻電壓信號(hào)頻率相比足夠小 , 高頻電壓信號(hào)頻率又遠(yuǎn)小于PwM載波頻率 ,永磁同步電機(jī)就可以看作是一個(gè)簡(jiǎn)單的阻感負(fù)載 , 電壓方程可表示如下:

式中,gdshr和gqshr分別為轉(zhuǎn)子定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的dr軸和Ar 軸高頻電壓分量:idshr和iqshr分別為dr軸和Ar軸高頻電流分量::dhr 和:qhr分別為dr軸和Ar軸的高頻阻抗。

定義估計(jì)轉(zhuǎn)子速度坐標(biāo)系d-A與實(shí)際轉(zhuǎn)子速度坐標(biāo)系dr-Ar之間的夾角為A9r, 即轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差角為:

其中r為估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置 ,則在估計(jì)轉(zhuǎn)子速度坐標(biāo)系d-A中有:

高頻電壓分量:idsh、iqsh分別為估計(jì)轉(zhuǎn)子速度坐標(biāo)系中的d軸和g軸高頻電流分量。

估計(jì)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系與實(shí)際轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的關(guān)系如圖1所示。

在估計(jì)轉(zhuǎn)子速度坐標(biāo)系的d軸注入高頻電壓信號(hào)為:

在估計(jì)轉(zhuǎn)子速度坐標(biāo)系中 ,d 和g 軸上的高頻電流分量都與估計(jì)轉(zhuǎn)子位置的誤差A(yù)or有關(guān) ,并且當(dāng)估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置接近于真實(shí)的轉(zhuǎn)子位置時(shí) ,g 軸上的高頻電流分量幾乎為零 , 因此可以考慮把g軸上的高頻電流分量進(jìn)行相應(yīng)處理以得到轉(zhuǎn)子位置估計(jì)器的輸入信號(hào)。再實(shí)施一定的調(diào)節(jié)策略 ,就可得到

轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。

2 高頻電壓信號(hào)注入法的控制策略

由于高頻電阻相對(duì)于高頻感抗來(lái)說(shuō)很小 ,可以忽略不計(jì) ,g軸上的高頻電流分量可以寫(xiě)為:

由式(5)可以看出 , 高頻電流iqsh不僅與Aor有關(guān) ,而且與 cos業(yè)ht也有關(guān)。經(jīng)過(guò)如圖2的處理過(guò)程即可得到只與轉(zhuǎn)子估計(jì)誤差A(yù)or有關(guān)的表達(dá)式 。 圖中 ,BPF為帶通濾波器 ,用于提取估

計(jì)轉(zhuǎn)子速度坐標(biāo)系中g(shù)軸上的高頻電流iqsh:乘法器用于將輸入信號(hào)調(diào)制成高頻和低頻分量 ,其中低頻分量包含轉(zhuǎn)子估計(jì)誤差信息:低通濾波器LPF用于濾除輸入信號(hào)中的高頻分量 ,從而得到只與轉(zhuǎn)子估計(jì)誤差A(yù)or有關(guān)的表達(dá)式。

3 仿真結(jié)果及分析

基于脈振高頻電壓注入法的無(wú)傳感器PMSM矢量控制的系統(tǒng)框圖如圖3所示 。通過(guò)控制g軸電流iqs來(lái)控制輸出的電磁轉(zhuǎn)矩 , 電流控制器和速度控制器均采用PI調(diào)節(jié)器。仿真中注入的高頻電壓頻率為1 500 Hz ,幅值為基波幅值的20% 。在轉(zhuǎn)子位置和速度估計(jì)器中所用到的帶通濾波器BPF采用有源二階濾波器 ,下限截止頻率為l480 Hz,上限截止頻率為1 520 Hz ,r帶寬為40 Hz 。用于提取iAo的低通濾波器LPF采用簡(jiǎn)單的有源一 階濾波器 ,截止頻率為30 Hz。

圖4是PMSM空載啟動(dòng)至1 500 r/min時(shí)轉(zhuǎn)子位置估算值r 和轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差A(yù)or的仿真波形 。從圖中可以看出 , 這種脈振高頻電壓信號(hào)注入法可實(shí)現(xiàn)PMSM開(kāi)環(huán)矢量的運(yùn)行 , 只是啟動(dòng)時(shí)誤差較大:高速時(shí)轉(zhuǎn)子估計(jì)誤差會(huì)略有增大 ,但仍然在3o以?xún)?nèi) ,可以正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于脈振高頻信號(hào)注入法無(wú)速度傳感器的面貼式永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究 , 結(jié)果表明 , 這種方法能在全速范圍內(nèi)有效實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器的運(yùn)行。