永磁同步電機(jī)復(fù)合控制方法研究

0引言

永磁同步電機(jī) (Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有能量密度高、機(jī)械性能優(yōu)良、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)、交通、能源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。PMSM通常采用矢量控制方式,可有效提高電機(jī)效率和控制性能。不過(guò)該方式需要實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置角度用于運(yùn)算控制,轉(zhuǎn)子位置角一般由位置傳感器獲得,但位置傳感器會(huì)增加安裝和維護(hù)成本,降低系統(tǒng)可靠性,且一些特殊場(chǎng)合無(wú)法安裝位置傳感器。所以,基于無(wú)位置傳感器的PMSM控制成為研究熱點(diǎn)。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)提出了多種無(wú)傳感器算法。文獻(xiàn)[1]采用理想PMSM數(shù)學(xué)模型直接計(jì)算轉(zhuǎn)子位置,該方法雖簡(jiǎn)單、計(jì)算量小,但由于是開環(huán)計(jì)算,位置估算精度不高。文獻(xiàn)[2]采用滑模觀測(cè)器,該方法通過(guò)估算電機(jī)反電勢(shì)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置,具有精度高、響應(yīng)快及擾動(dòng)自適應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),不過(guò)在電機(jī)低速、靜止時(shí)無(wú)法適用。文獻(xiàn)[3]采用脈振高頻電壓注入法,該方法對(duì)電機(jī)參數(shù)不敏感,不依賴電機(jī)反電勢(shì),估算精度高,魯棒性較強(qiáng),但電機(jī)高速運(yùn)行時(shí),高頻信號(hào)提取困難,控制性能逐漸變差,同時(shí)高頻信號(hào)會(huì)增大電機(jī)噪聲和損耗,降低電機(jī)效率。通過(guò)以上分析可以看出,不同無(wú)傳感器方法雖存在各自的優(yōu)缺點(diǎn),但在應(yīng)用轉(zhuǎn)速范圍上卻存在互補(bǔ)性,為實(shí)現(xiàn)PMSM 寬速度范圍的控制,本文將脈振高頻電壓注入法和滑模觀測(cè)器相結(jié)合,提出了一種無(wú)傳感器的復(fù)合控制方法。

1 PMSM無(wú)傳感器檢測(cè)方法

1.1滑模觀測(cè)器

PMSM在α—β坐標(biāo)系(兩相靜止)下的電流方程為:

式中 :u_a、u_β、i_a、i_β、e_a、e_β為PMSM在α、β軸上的 電 壓、電流及反電勢(shì);R_s、L為電機(jī)電阻、定子電感。

在α—β坐標(biāo)系下構(gòu)建滑模觀測(cè)器方程,定義i_s=[i_α i_β]^T,構(gòu)建電流滑模平面:

式中:i_s、i'_s分別為定子電流實(shí)際值、估計(jì)值;i_s^-為電流估算誤差。

將式(2)代入式(1)得到估算電流誤差方程(3),其中k為滑模增益,sign(x)為開關(guān)函數(shù),x>0時(shí),函數(shù)值為1,x<0時(shí),函數(shù)值為—1。

若滑模增益k>max(|e_α|,|e_β|),觀測(cè)器將進(jìn)入滑模狀態(tài),此時(shí)電流誤差的開關(guān)信號(hào)包含有反電勢(shì)估算值信息:

(4)

對(duì)式(4)進(jìn)行低通濾波后,可得轉(zhuǎn)子位置角估算值θ=arctan(—e'α/e'β),其中e'α、e'β為電機(jī)估算反電勢(shì)。

1.2 脈振高頻電壓注入法

脈振高頻電壓注入法是向估計(jì)的d—q (兩相旋轉(zhuǎn))坐標(biāo)系的直軸上注入高頻電壓信號(hào),產(chǎn)生高頻脈振磁場(chǎng),使得表貼式PMSM呈現(xiàn)“凸極性”,高頻響應(yīng)電流中包含轉(zhuǎn)子位置信息,將此信號(hào)解調(diào)后便可得到轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速。

假設(shè) 在直軸上注 入的高頻 電壓信號(hào)為u_hcos(w_ht),其中w_h、u_h為高頻電壓的幅值和相位,高頻等效模型下,PMSM在d—q坐標(biāo)系下的電壓方程可以簡(jiǎn)化為:

式中:u_dh、u_qh、i_dh、i_qh、L_dh、L_qh為高頻感應(yīng)下的直軸、交軸電壓、電流和電感。

在估計(jì)的d—q坐標(biāo)系下高頻電流響應(yīng)為:

式中:i'_dh、i'_qh為估計(jì)d—q坐標(biāo)系下的直軸、交軸高頻電流;Δθ為估計(jì)d—q坐標(biāo)系與實(shí)際d—q坐標(biāo)系之間的角度差。

結(jié)合上述幾式可以得到高頻電流i'_qh估計(jì)值為:

式中:L=(L_dh+L_qh)/2,ΔL=(L_dh—L_qh)/2。

入

電流 i_qh幅值中含有轉(zhuǎn)子位置信息的估計(jì)誤差Δθ,將該信號(hào)通過(guò)帶通濾波器濾除載波頻率信號(hào)和基波頻率信號(hào),與調(diào)制信號(hào)相乘,再經(jīng)低通濾波后^[4]:

上式再經(jīng)PI調(diào)節(jié)器和積分器便可得到轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角θ。

2復(fù)合控制算法

通過(guò)前文分析可以看出,滑模觀測(cè)器通過(guò)檢測(cè)反電勢(shì)估算轉(zhuǎn)子位置,因此在電機(jī)靜止時(shí)無(wú)法啟動(dòng),低速時(shí)控制效果不佳,而脈振高頻電壓注入法通過(guò)提取高頻信號(hào)響應(yīng)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置,因而能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)零速啟動(dòng)和低速運(yùn)行控制,但電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí),轉(zhuǎn)子信息提取變得困難,控制性能也逐漸變差。雖然兩種方法存在各自的優(yōu)缺點(diǎn),但在轉(zhuǎn)速范圍上卻存在互補(bǔ)性,所以為實(shí)現(xiàn)PMSM全速度范圍內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行,將兩種方法相結(jié)合,提出了一種復(fù)合控制方法:在低速和靜止時(shí)采用脈振高頻電壓注入法,保證電機(jī)在零速、低速時(shí)的啟動(dòng)運(yùn)行;當(dāng)電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí),再切換至滑模觀測(cè)器,同時(shí)停止高頻電壓信號(hào)注入,實(shí)現(xiàn)電機(jī)在中高速段的穩(wěn)定運(yùn)行。

復(fù)合控制方法的關(guān)鍵在于兩種控制算法之間的切換,由于兩種算法檢測(cè)的位置角度存在一定的偏差,如果直接切換會(huì)產(chǎn)生沖擊電流,甚至造成電機(jī)震蕩,因此本文提出了一種切換控制方法,可實(shí)現(xiàn)兩者間的平穩(wěn)切換,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

假設(shè)兩種算法的轉(zhuǎn)子位置角偏差為Δθ,當(dāng)電機(jī)到達(dá)切換轉(zhuǎn)速時(shí),將Δθ與設(shè)定切換偏差Δθ_err進(jìn)行比較,當(dāng)Δθ小于Δθ_err時(shí)進(jìn)行切換。若Δθ在切換周期內(nèi)一直大于Δθ_err,則計(jì)算兩者之間的最小值Δθ_min,并在下一個(gè)周期選擇在Δθmin附近時(shí)刻進(jìn)行切換。

本文設(shè)計(jì)的復(fù)合控制算法在嵌入式芯片DSP中實(shí)現(xiàn),其程序流程圖如圖1所示。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

采用DSP28335為主控芯片搭建PMSM驅(qū)動(dòng)器,選用PMSM額定功率11kw,額定轉(zhuǎn)速3000r/min,轉(zhuǎn)矩35.8 N?m,磁極對(duì)數(shù)為4。采用復(fù)合控制方法運(yùn)行,試驗(yàn)設(shè)定切換轉(zhuǎn)速為300 r/min,達(dá)到切換轉(zhuǎn)速后,將電機(jī)由脈振高頻電壓注入法切換至滑模觀測(cè)器控制運(yùn)行,試驗(yàn)時(shí)的電流波形如圖2、圖3所示。

圖2為電機(jī)轉(zhuǎn)速300 r/min時(shí),注入500 Hz高頻電壓下的電流波形,左側(cè)為實(shí)際電流波形,右側(cè)為軟件濾波后的電流基波波形。圖3(a)為兩種控制算法切換前后的電流波形,圖3(b)為角度對(duì)比圖,從圖中可以看出切換過(guò)程平滑、無(wú)電流沖擊,切換后,滑模觀測(cè)器控制下,電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),驗(yàn)證了切換算法的有效性和復(fù)合控制算法的可行性。

4結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)PMSM數(shù)學(xué)模型,分析了滑模觀測(cè)器和脈振高頻注入法等無(wú)傳感器算法的控制原理和優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合兩者特點(diǎn),提出了一種復(fù)合控制方法,并進(jìn)行了切換算法設(shè)計(jì)。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比可以看出,復(fù)合控制算法可兼顧兩種無(wú)傳感器算法在電機(jī)低速、中高速時(shí)的控制優(yōu)勢(shì),切換算法可實(shí)現(xiàn)兩者的平滑切換,驗(yàn)證了復(fù)合控制方法在PMSM寬范圍調(diào)速中的適用性。

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2024年第22期第4篇