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[導(dǎo)讀]本文著重介紹了一種改進(jìn)算法,即取消相電流傳感器且采用滑模觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)無位置傳感器速度控制。   永磁同步電機(jī)(PMSM)是近年來發(fā)展較快的一種電機(jī),由于其轉(zhuǎn)子采用永磁鋼,屬于無刷電機(jī)的一種,具有一般無刷

本文著重介紹了一種改進(jìn)算法,即取消相電流傳感器且采用滑模觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)無位置傳感器速度控制?! ?br />

永磁同步電機(jī)(PMSM)是近年來發(fā)展較快的一種電機(jī),由于其轉(zhuǎn)子采用永磁鋼,屬于無刷電機(jī)的一種,具有一般無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,壽命長等優(yōu)點(diǎn)[1]。
本文討論空間矢量控制的永磁同步電機(jī),采用磁場(chǎng)定向算法借助DSP高速度實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制。由于控制算法必須獲取轉(zhuǎn)子位置信息,所以傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)都需要以光電編碼器等作為轉(zhuǎn)子位置傳感器。為了最大限度減少傳感器,本文從改變相電流檢測(cè)方法,建立采用砰-砰控制的滑模觀測(cè)器,介紹一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)的模型。
2 磁場(chǎng)定向原理
磁場(chǎng)定向控制,簡(jiǎn)稱FOC。如圖1所示,兩直角坐標(biāo)系:αβ坐標(biāo)系為定子靜止坐標(biāo)系,α軸與定子繞組a相軸重合;dq為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向重合,并以同步速ωr逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。兩坐標(biāo)系之間的夾角為θe??梢园讯ㄗ与娏骶C合矢量is,在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq軸上如下式分解
is=isd+isq (1)
在交流永磁同步電機(jī)中,轉(zhuǎn)子為永磁鋼,可認(rèn)為轉(zhuǎn)子電流綜合矢量的模大小不變,常用常數(shù)值IF代表。根據(jù)交流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T與定、轉(zhuǎn)子電流綜合矢量的普遍關(guān)系式[2]


式中p———極對(duì)數(shù)
L12———定、轉(zhuǎn)子互感
i1———定子電流綜合矢量
i2———轉(zhuǎn)子電流綜合矢量
δ———定、轉(zhuǎn)子綜合矢量間夾角
這樣電磁轉(zhuǎn)矩只隨|i1|和角δ變化。為了獲得簡(jiǎn)單可控的轉(zhuǎn)矩特性,可以給定定子電流綜合矢量指令使其始終在q軸上,即δ=90°,從而得

式中Is———定子電流綜合矢量的模
按上式可以實(shí)現(xiàn)用定子電流綜合矢量的模來直接控制電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,從而使永磁同步電動(dòng)機(jī)獲得類似直流電動(dòng)機(jī)的伺服性能,并可得到快速無靜差的調(diào)節(jié)特性。圖2為系統(tǒng)控制框圖。


該速度控制系統(tǒng)由速度、電流雙閉環(huán)實(shí)現(xiàn),采用的算法由相應(yīng)的模塊實(shí)現(xiàn),包括:Park變換模塊,Clark變換模塊,反Park變換模塊,轉(zhuǎn)子位置角估計(jì)模塊,轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊,弱磁控制模塊,PI調(diào)節(jié)模塊,空間矢量PWM生成模塊等。整個(gè)控制系統(tǒng),以DSP芯片為核心再配以簡(jiǎn)單的外圍電路,其復(fù)雜的控制算法及功能全部由軟件來實(shí)現(xiàn)。其中每一個(gè)控制模塊,對(duì)應(yīng)一C調(diào)用函數(shù),主函數(shù)流程用C語言編制。與有位置傳感器的控制系統(tǒng)相比,無位置傳感器系統(tǒng)僅在對(duì)反饋量的處理中采用了轉(zhuǎn)角觀測(cè)器模塊函數(shù),而對(duì)其他控制模塊,而系統(tǒng)可以以完全相同的方法實(shí)現(xiàn),這更顯示了軟件構(gòu)成系統(tǒng)的靈活性?! ?br /> 3 無傳感器算法
3.1 減少一路電流傳感器方法
在逆變器控制中都需要相電流信息,傳統(tǒng)采用的方法是直接用傳感器獲得需要的相電流,這種方法依賴負(fù)載的布置,并且至少需要兩個(gè)傳感器直接應(yīng)用于電機(jī)組繞組。本文介紹的方法是僅通過采集直流側(cè)母線電流信息,來估計(jì)交流側(cè)三相電流值。因?yàn)槟孀兤鏖_關(guān)狀態(tài)是我們直接控制的,所以已知輸入電流的路徑,即輸入線電流和電機(jī)相電流間的關(guān)系。這樣在通常八個(gè)開關(guān)狀態(tài)(Sa,Sb,Sc)中除(0,0,0)和(1,1,1),在其他六個(gè)開關(guān)狀態(tài)下,直流側(cè)線電流信息總對(duì)應(yīng)a,b,c中某一路相電流值。


在圖3所示的開關(guān)狀態(tài)(Sa,Sb,Sc)=(0,0,1)下,相電流ic等于直流線電流,另外兩相電流ia,ib則等于直流線電流的一半。這樣線電流信號(hào)經(jīng)一路AD通道,送給DSP,再經(jīng)過適當(dāng)計(jì)算即可獲三相電流信息[4]。  
3.2 無位置傳感器算法
為了獲取低轉(zhuǎn)速甚至零轉(zhuǎn)速下的優(yōu)良轉(zhuǎn)矩控制性能,也為了提高系統(tǒng)的效率、可靠性、機(jī)械強(qiáng)度,降低成本,需要取消位置傳感器。此時(shí)必要的位置、速度信息可以通過滑模觀測(cè)器來獲取。該方法具有較強(qiáng)的魯棒性且易于實(shí)現(xiàn)。
觀測(cè)器是一個(gè)依賴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的數(shù)學(xué)模型,通過DSP軟件編程來實(shí)現(xiàn)。模型通過獲取估計(jì)值和測(cè)量實(shí)際值之差來糾正模型,使兩者之間差值消失。如估計(jì)電流和實(shí)測(cè)定子電流i之差,帶入符號(hào)函數(shù)sign( ),再乘以常系數(shù)K,之后用自適應(yīng)濾波器補(bǔ)償數(shù)字濾波器的相移影響,這樣的輸出結(jié)果即是轉(zhuǎn)子位置角的正余弦函數(shù)。
圖4為PMSM主要變量:Vs、is、es、Ψ以綜合矢量和其分量的形式在靜止αβ坐標(biāo)系,和旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中的表示。式(7)為PMSM的數(shù)學(xué)模型:

轉(zhuǎn)角觀測(cè)器模塊是基于滑模電流觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)。模塊的主要部分為滑模電流觀測(cè)器,輸出砰砰控制變量Z,Z經(jīng)過低通濾波得到反電勢(shì)估值,通過對(duì)分量的計(jì)算可得到轉(zhuǎn)角


式(8)為基本電流觀測(cè)器,式(9)為BANG-BANG控制器。二者組成滑模電流觀測(cè)器,目的是通過適當(dāng)選擇Z和估計(jì)反電勢(shì),使估計(jì)電流和實(shí)測(cè)電流誤差為零。二者離散形式為

(2)估計(jì)反電勢(shì)  

(3)轉(zhuǎn)子磁鏈位置θ估算
由反電勢(shì)來估計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈位置角,式(14)為反電勢(shì)綜合矢量表達(dá)式,可根據(jù)反電勢(shì)在α、β軸上的分量來求解轉(zhuǎn)子磁鏈位置角,即式

(4)轉(zhuǎn)子磁鏈位置校正
采用低通濾波器來獲得反電勢(shì),引入了相延遲。該延遲與低通濾波器的相位響應(yīng)直接相關(guān),其截止頻率越低,對(duì)應(yīng)固定頻率的相延遲越大。
基于低通濾波器的相位響應(yīng),做一個(gè)相延遲表,可以通過查表求得運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)指令速度(頻率)的相移角。該相移角加上得到?! ?br /> 4 系統(tǒng)軟件流程
主程序流程如圖6所示,只完成系統(tǒng)硬件和軟件的初始化任務(wù),然后處于等待狀態(tài)。完整的FOC控制算法在PWM中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)中斷周期內(nèi),流程依照系統(tǒng)控制框圖圖2,從一路AD采樣電流,計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角,計(jì)算轉(zhuǎn)速,完成所有反饋通道計(jì)算后,再調(diào)用正向通道中計(jì)算模塊函數(shù),最后輸出三相逆變橋的空間矢量PWM波信號(hào)。


5 涉及的硬件
直流電壓供電的三相逆變橋輸出接星型接法的三相電機(jī)定子繞組。DSP提供的六個(gè)PWM輸出經(jīng)光耦隔離以驅(qū)動(dòng)三相逆變橋開關(guān)器件。
置于直流回路的電阻傳感器,提供電機(jī)線電流電壓信號(hào),該信號(hào)經(jīng)放大后送入DSP的ADC通道。在實(shí)現(xiàn)控制算法時(shí),由TMS320C24x控制器的EVM事件觸發(fā)中斷進(jìn)行AD采樣。
在每個(gè)對(duì)稱空間矢量PWM周期的前半周期開關(guān)狀態(tài)(Sa,Sb,Sc)從(0,0,0)變到(1,1,1),在這一過程的兩個(gè)中間狀態(tài)采樣線電流信號(hào),在圖7中為(1,0,0)和(1,1,0),結(jié)合圖3定義的三相橋臂開關(guān)狀態(tài),(1,0,0)時(shí)線電流對(duì)應(yīng)a相電流值ia,(1,1,0)時(shí)線電流對(duì)應(yīng)c 相電流值-ic,這樣在一個(gè)周期內(nèi)兩次采樣分別得到兩相電流值,另一路由ia+ib+ic=0得到?! ?br /> 6 結(jié)論
本文介紹了一種對(duì) PMSM采用DSP控制器的方案,利用TMS320C24x控制器的DSP結(jié)構(gòu)及優(yōu)化的微控制器外圍電路,采用智能控制策略,以獲得轉(zhuǎn)子位置和速度信息,從而取消轉(zhuǎn)子位置傳感器,對(duì)設(shè)計(jì)PMSM控制系統(tǒng),降低系統(tǒng)成本,提高系統(tǒng)可靠性提供了一種新思路。

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