摘要：在永磁同步電機(PMSM)直接轉矩控制(DTC)系統(tǒng)中，速度傳感器的安裝帶來了成本高、維護困難等問題，而磁鏈的準確觀測對DTC系統(tǒng)性能具有重要意義。為實現(xiàn)系統(tǒng)的無速度傳感器控制和準確的磁鏈觀測，在基于空間矢量調制(SVM)的改進DTC策略基礎上，采用擴展卡爾曼濾波器(EKF)在線觀測出PMSM的定子磁鏈和轉速，不僅實現(xiàn)了系統(tǒng)的無速度傳感器控制，而且實現(xiàn)了對定子磁鏈的準確觀測。實驗結果證明了該方法的可行性和有效性，系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜動態(tài)性能。
關鍵詞：永磁同步電機；直接轉矩控制；無速度傳感器；磁鏈觀測
1 引言
PMSM具有功率密度大、低速輸出轉矩大、效率高等優(yōu)良性能，現(xiàn)已廣泛應用于伺服系統(tǒng)、艦船推進系統(tǒng)、電動機牽引系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)、航空航天等領域。DTC具有控制方式簡單、轉矩響應快、便于全數(shù)字化實現(xiàn)的優(yōu)點，在交流傳動中得到越來越多的應用；但DTC具有轉矩和磁鏈脈動大、逆變器開關頻率不固定等缺點，將SVM應用在PMSM DTC中，可有效減小轉矩和磁鏈脈動，并使逆變器具有恒定的開關頻率，從而得到更好的穩(wěn)態(tài)控制性能。在DTC中，磁鏈和轉速的估測精度直接決定著整個系統(tǒng)的性能。若在轉子軸上安裝機械式傳感器得到電機的轉速信息，不僅增加了系統(tǒng)成本，還限制了控制裝置在惡劣環(huán)境下的應用。運用無速度傳感器控制技術，可在線估計電機的磁鏈和轉速，從而省去了機械傳感器。故如何準確獲得磁鏈和轉速成為研究熱點。EKF提供了一種對非線性系統(tǒng)狀態(tài)進行精確估計的解決方案，可有效削弱隨機系統(tǒng)噪聲和測量噪聲的影響，特別適合于電機等非線性控制系統(tǒng)。
這里在基于SVM的改進DTC策略基礎上，采用4階EKF觀測出PMSM的定子磁鏈和轉速，詳細說明了EKF的設計，并設計了硬件實驗平臺，結果證明了所采用控制方法的可行性和有效性。
2 PMSM無速度傳感器DTC系統(tǒng)
圖1為PMSM無速度傳感器改進DTC系統(tǒng)框圖。圖中，x，y／α，β模塊實現(xiàn)電壓分量從定子磁鏈x，y坐標系到兩相靜止α，β坐標系的變換：
式中：uα，uβ為定子電壓在α，β軸分量：θs為定子磁鏈角。
定子磁鏈幅值ψs，θs及電磁轉矩Te分別為：
3 EKF觀測器設計
對于隱級式PMSM，其在兩相靜止α，β坐標系下的電壓方程和磁鏈方程分別為：
因為系統(tǒng)機械時間常數(shù)通常遠大于電磁時間常數(shù)，所以設電機轉速的導數(shù)為零，可建立狀態(tài)方程和輸出方程：
取采樣周期為Ts，將式(6)用一階歐拉法近似離散化，并加入系統(tǒng)動態(tài)噪聲w(k-1)和測量噪聲v(k)的影響，得到非線性離散化系統(tǒng)為：
4 實驗
設計了基于DSP TMS320F28335的實驗平臺。系統(tǒng)整體硬件結構如圖2所示，主要包括主電路、信號調理保護驅動電路和控制電路。主電路包括二極管不可控整流電路、三相全橋兩電平逆變電路和功率模塊驅動電路等；信號調理保護驅動電路主要包括三相電流采樣電路、母線電壓檢測電路、過流與過壓保護電路和電機碼盤信號調理電路、驅動電路等；控制電路采用DSP TMS320F28335為核心，主要完成主控芯片最小系統(tǒng)、6路PWM信號整形、A／D轉換、模擬量檢測與控制執(zhí)行保護及外擴D／A轉換電路和鍵盤LED顯示等工作。
系統(tǒng)控制對象為Minas A系列MDMA152A1G交流PMSM，電機參數(shù)：額定電壓200 V，額定電流9．4 A，額定轉矩7．15 N·m，額定轉速2 000 r·min-1，np=4，定子電阻0．2 Ω，轉子慣量1．23×10-3kg·m2，磁鏈給定0．24 Wb。EKF算法的參數(shù)和初值如下：P(0)=diag(0．001，0．001，1 000，0．001)；Q(k-1)=diag(0．001，0．001，1 000，0．02)；R(k)=diag(25，25)；x(0)=zeros(4，1)。圖3為電機在給定轉速分別為1 500 r·min-1，800 r·min-1和80 r·min-1時，空載起動的實測轉速ns與EKF觀測的轉速ng波形。其中ns是通過光電碼盤由DSP在線測得。可見，在不同的給定轉速下，電機在起動和穩(wěn)態(tài)運行過程中，EKF觀測器都能較好地估計出實際轉速，電機運行平穩(wěn)。電機在低速運行時，轉速有一定波動，這是因為在低速時實際需檢測的反饋信號值很小，電流諧波和A／D轉換誤差等干擾因素就顯得較為突出，使得轉速有一定波動，因此采用此方法電機在低速的運行性能不如中高速的運行性能。
圖4a為電機在給定轉速為800 r·min-1時，空載穩(wěn)定運行時EKF觀測器所觀測的ψα，ψβ波形；圖4b為ng，定子磁鏈幅值ψs波形；由圖4a，b可見，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，ng，ψs與其給定值相等，且脈動很小，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。圖4c為電機在給定轉速為800 r·min-1空載穩(wěn)定運行情況下，將給定轉速突增為1 500 r·min-1時的ng，ns波形，可見，當給定轉速發(fā)生變化時，ng可較快地跟蹤ns變化；圖4d為給定轉速為800 r·min-1穩(wěn)定運行時，突減負載時所得到的ng，Te波形，可見，突減負載時轉速幾乎沒有波動，同時也驗證了所建立的控制系統(tǒng)具有良好的魯棒性。
5 結論
針對永磁同步電機改進直接轉矩控制系統(tǒng)，采用擴展卡爾曼濾波器實現(xiàn)對電機磁鏈和轉速的準確估計，實驗結果表明提出的無速度傳感器直接轉矩控制策略的可行性與正確性，并可得到以下結論：①采用該方法，電機能在較寬轉速范圍內起動和穩(wěn)定工作；②在轉速和負載變化過程中，擴展卡爾曼濾波器觀測出的轉速和磁鏈都能準確跟蹤給定值，控制系統(tǒng)靜、動態(tài)性能較好，魯棒性較強。
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