高頻信號注入無速度傳感器永磁同步電機控制系統(tǒng)

1、高頻信號注入無速度傳感器永磁同步電機控制系統(tǒng)電氣傳動2007年第37卷第3期高頻信號注入無速度傳感器永磁同步電機控制系統(tǒng)繆學進李永東肖曦清華大學摘要:介紹了一種基于脈振高頻電壓信號注入的永磁同步電機轉子位置和速度估算方法,并以此為基礎實現了永磁同步電機的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。無論是內埋式還是表面貼式永磁同步電機,其交直軸高頻阻抗都可以表現出凸極效應,當脈振高頻電壓信號注入到定子線圈中時,相應的高頻電流信號將包含有轉子的位置信息,用一種合適的算法可以提取這一信息。在高速和低速(包括零速)運行時,這種方法都可以精確地估算出轉子的位置。最后,以內埋式永磁同步電機為例,給出了這種方法的仿真結果,驗

2、證了這種方法的有效性。關鍵詞:永磁同步電機(PMSM)無速度傳感器高頻信號注入SpeedSensorlessofPMSMwithHigh2MiaoXuejinLiYAbstract:AmethodforestimationofthePMSMbyusingthefluctuatinghigh2frequencyvoltagesignalinjectionsensorlessdriveofPMSMcanberealizedbyu2singthismethod.Inthe(SMPMSM)andtheinteriorPMSM(IPMSM),d2andq2ax2eshigh2areWhenthefluc

3、luatinghigh2frequencyvoltagesignalisinjectedintothestator,thehigh2frequencycurrentsignalincludestheinformationoftherotorposition,ancarriersignalextractionandaspatialsaliencytrackingschemearedevelopedforsen2sor2lesscontrol.Rotorpositioncanbeestimatedaccuratelyatstandstillandhighspeedbyusingthismethod

4、.Thesimulationresultsshowthefeasibilityandeffectivenessofthisalgorithm.Keywords:permanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)speedsensorlessdrivehigh2frequencysignalinjection1引言近年來,隨著高矯頑力、高剩磁的高性能永磁體的出現,使得永磁同步電機比感應電機具有更小的體積、更高的效率、更寬的調速范圍和更高的速度位置控制精度,在很多要求較高的工業(yè)應用中正逐步取代感應電機。在采用磁場定向控制或直接轉矩控制時,為了實現高性能的速度或位置控制,一般

5、都需要準確的轉子速度和位置信息。這些信息通?？捎删幋a器、旋轉變壓器或測速發(fā)電機等機械式傳感器獲取。但傳感器增加了系統(tǒng)的成本和復雜性,給維護增加了難度,降低了驅動系統(tǒng)的可靠性。為此,許多學者開展了無機械式傳感器永磁同步電機控制系統(tǒng)的研究。到目前為止,提出了多種估算轉子位置和轉速的方法1,2。傳統(tǒng)的無速度傳感器控制方法,如常用的電壓模型法等,大多都是基于反電動勢的估算方法。這些方法有一個共同的問題是,轉子位置和速度估計的精度跟反電勢的幅值密切相關,在低速或零速時會因反電勢過小而根本無法檢測。另外,這些方法要利用基波電壓和電流信號來計算轉子位置和速度,因此對電機參數變化很敏感,魯棒性差1。為了解決低

6、速位置估計不準的問題,模型參考自適應3,高頻注入等方法被相繼提出并應用于永磁同步電機的控制中4。其中高頻注入是基于轉子凸極跟蹤的原理,基本思想是注入一個額外的電壓或電流激勵信號,通過檢測相應的響應信號以確定轉子的凸極位置,從而實現對轉子位11 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 電氣傳動2007年第37卷第3期高頻信號注入無速度傳感器永磁同步電機控制系統(tǒng)置和速度的估計,這種方法包括旋轉高頻電壓信號注入法5和脈振高頻電壓信號注入法6。文獻7對旋轉高頻信號注入法作了詳細

7、介紹,其主要用于凸極率較大的內埋式永磁同步電機的轉子位置速度檢測;脈振高頻信號注入法可以檢測凸極率很小的、甚至隱極型的表面貼式永磁同步電機的轉子位置,文獻1,8分別對這種方法的原理作了介紹,但沒有給出具體的實現細節(jié),因此本文先簡單介紹一下脈振高頻電壓信號注入法基本原理,然后對具體的實現細節(jié)作了詳細說明,并給出了基于Matlab7.0.4/Simulink平臺的仿真結果。參考坐標系下的定子d,q軸電流高頻分量。定義rrZavg(Zdh+Zqh)/2Zdiff(Zrdh-Zrqh)/2(5)式中:Zavg為d,q軸平均高頻阻抗;Zdiff為d,q軸半差高頻阻抗。在估計轉速同步參考坐標系下的定子d軸

8、注入脈振的高頻電壓信號為rvdsh=Vinjsinht(6)rvqsh=0由式(4)可得r(Zavg-Zdiffcos2idsh=r)rrZdhZqh(7)r(-Zdiffsin2iqsh=r)rrZdhZqh2脈振高頻電壓信號注入法當注入的高頻電壓信號的頻率遠遠高于永磁同步電機的轉速時,可以把電機看作一個簡單的R-L負載,高頻電壓電流方程可表示為rrrvdsh=rdhidsh+Ldhidshdt(1)rrrvqsh=rqhiqsh+Lqhiqshdt式中:vrdsh,vrqsh為實際轉速同步參考坐標系下的定子d,q軸電壓高頻分量;irdsh,irqsh,步參考坐標系下的定子d,q;rdh,r

9、qhd,q軸高頻電阻;h下的定子d,q在穩(wěn)態(tài)下,(1)可以表示為rrrrvdsh=(rdh+jhLdh)idshZdhidsh(2)rrrrvqsh=(rqh+jhLqh)iqshZqhiqsh式中:Zrdh,Zrqh分別為d,q軸高頻阻抗;h為注入的高頻電壓信號的頻率,rad/s。如果定義轉子位置誤差rrr-(3)從式(7)可以看出,當d軸與q軸高頻電抗不相等,即Zdiff0時,d,q。,q軸高頻電流,可以把q軸高頻電流分,通過一定的,就能獲得轉子的位置和速度。3基于高頻信號注入的控制策略在穩(wěn)態(tài)下,忽略電機定子線圈d,q軸之間的高頻電阻的差異,q軸電流高頻分量可以表示為iqsh=r(Ldif

10、fcosht)hLdhLqh(8)其中Ldiff=(Ldh-Lqh)/2r由式(8)可見,iqsh不僅與有關,還與cosht有關,是一個隨時間變化的量,若對q軸高頻電流分量進行調制后經過一帶阻濾波器(陷波頻率為式中:,r分別為實際轉子位置和估計的轉子r位置。在估計轉速同步參考坐標系下,高頻電壓和電流信號的關系可以表示為idshiqshrr2相關的表h),即可得到只與轉子位置估計誤差達式,即:irBSF(iqshcosht)r=BSF=BSF=cosrsinr-sinr1/zrdhvdshvqshrr(Ldiffcosht)coshthLdhLqh(Ldiff)2hLdhLqh01/zrqcos

11、sinrcoscosr-sinrrr(4)sin2r2hLdhLqh式中:vdsh,vqsh為估計轉速同步參考坐標系下的定rr子d,q軸電壓高頻分量;idsh,iqsh為估計轉速同步rKerrrhLdhLqh(9)當轉子位置估計的誤差足夠小時,sin2r12 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 高頻信號注入無速度傳感器永磁同步電機控制系統(tǒng)電氣傳動2007年第37卷第3期2,ir與轉子位置估計誤差成正比。如果能夠通過一定的方法把q軸電流高頻分量的處理信號ir調節(jié)為零,

12、轉子位置估計誤差就為零,估計的轉子位置即為轉子的真實位置。轉子位置的跟蹤和速度的估計有兩種策略,一種為采用bang-bang控制器的方法,一種為采用PI調節(jié)器的方法,當LdhLqh時,Kerr0,跟蹤策略框圖如圖1、圖2所示。以快速變化,在高速區(qū)間緩慢變化,這樣做降低了電機在高速區(qū)間的響應速度,但穩(wěn)定性大大提高。LPFs為兩個低通濾波器;BPF,BSF和LPF分別為帶通濾波器、帶阻濾波器和低通濾波器,與PI調節(jié)器和積分器組成轉子位置速度估計器。整個系統(tǒng)組成一個閉環(huán)控制,調節(jié)好適當的比例積分系數,可以精確地估計出電機轉子的位置和速度。仿真中所用的電機參數如表1所示。表1永磁同步電機仿真參數電機參

13、數直流母線電壓Vdc/V參數值3003.11253750070.18480.45110-32圖1采用bang-bang控制器的轉子位置速度估計器額定電流IN/A額定頻率fN/Hz額定轉速n/rmin-1額定轉矩T/Nm圖2采用PI調節(jié)器的轉子位置速度估計器定子電阻r/d軸電感Ld/Hq/4仿真結果為了檢驗這種方法的控制性能,在Matlab7.0.1的Simulink為例進行了仿真實驗,PI(法,但在電機高速運行,當負載或速度指令變化太快時,系統(tǒng)容易失去穩(wěn)定,在不同的速度區(qū)間bang-bang控制器的參數不容易整定,并難以統(tǒng)一。因此為了擴大電機正常運行的范圍,本系統(tǒng)采用PI調節(jié)

14、器的方法來跟蹤轉子位置和估計轉速。采用idref=0的控制策略,整個控制系統(tǒng)采用標幺值,結構框圖如圖3所示。圖3中ref為經過速度ref為速度給定指令,指令處理模塊調整后速度給定指令,這是為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,使速度給定指令在低速區(qū)間可r/J/kgm2極對數p電機的額定頻率為125Hz,逆變橋的開關頻率為10kHz,系統(tǒng)的采樣頻率為20kHz,注入1500Hz的高頻電壓信號,幅值為額定基波幅值的0.1倍,兩個低通濾波器(LPFs)的通帶上限截止頻率設為1Hz,阻帶下限截止頻率設為10Hz;帶通濾波器(BPF)的通帶下限截止頻率為1400Hz,通帶上限截止頻率為1600Hz;帶阻濾波器(BSF)

15、的通帶下限截止頻率為2980Hz,通帶上限截止頻率為3020Hz;低通濾波器(LPF)的通帶上限截止頻率設為80Hz。這種高頻信號注入法對PI參數尤其是對轉子位置速度估計器中的PI調節(jié)器的比例積分系數非常敏感,若參數整定不當,當速度指令或負載突然變化時,系統(tǒng)會無法正常運行。因此,比例積分系數的整定是本系統(tǒng)成功的關鍵。當永磁同步電機在高速區(qū)運行時,轉子位置和速度估計誤差的變化會給系統(tǒng)帶來很大的影響,估計誤差變化太大將造成系統(tǒng)長時間的振蕩,嚴重情況下,系統(tǒng)發(fā)散。此時,PI參數須給得比較小,以犧牲響應速度來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性;在低速區(qū)運行時,系統(tǒng)的穩(wěn)定性對估計誤差變化的敏感圖3基于高頻信號注入的無傳感器

16、控制系統(tǒng)結構框圖程度大大降低,此時,可以把PI參數稍微增加來13 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 電氣傳動2007年第37卷第3期高頻信號注入無速度傳感器永磁同步電機控制系統(tǒng)提高系統(tǒng)的響應速度。但PI參數大得太多,會使低速時的電機位置速度估計相對誤差變大。因此,轉子位置速度估計器中的PI調節(jié)器的參數可以根據實際應用的要求進行整定,并注意要與速度PI調節(jié)器中的PI參數相配合。圖4給出了永磁同步電機空載啟動至額定轉速(3750r/min)時的轉子速度和位置估計的仿真

17、情況;圖5、圖6分別為電機在額定轉速(3750r/min)和0.001倍額定轉速(3.75r/min)時突加和突減額定負載(1.7Nm)過程中的電機轉子速度位置估計的仿真情況,在0.2s突加額定負載,在0.5s時突然減掉額定負載。圖6001,整個系統(tǒng)有非常好的。在穩(wěn)態(tài)情況下,速度估計沒有靜差,而位置估計存在靜差,電機轉速越低,靜差越小,額定轉速時的位置估計靜差為0.029rad,低速時幾乎為零。另外,高頻信號的注入對電機的輸出轉矩有一定的影響,注入的高頻信號幅值越大,影響越大,本系統(tǒng)中,在額定轉速1.7Nm的負載轉矩時,轉矩脈動在0.06Nm以內。圖4空載啟動至額定轉速時轉子速度和位置估計的仿

18、真曲線5結論本文對基于脈振高頻電壓信號注入法的無速度傳感器永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)進行了仿真研究。仿真結果表明,這種方法能夠在全速范圍內有效地估計內埋式永磁同步電機的轉子位置和速度。對于凸極率很小甚至隱極型的表面貼式永磁同步電機,由于其d軸永磁體的影響,當定子線圈中的電流大到一定程度時,其高頻阻抗會表現出凸極效應,因此這種方法也可用于表面貼式永磁同步電機的轉子位置和速度估計。盡管這種方法應用起來較復雜,計算量大。但隨著微處理器的快速發(fā)展,一些運算速度快、精度高的DSP陸續(xù)出現,這種方法會逐步得到實際應用。(下轉第25頁)圖5額定轉速時突加和突減額定負載過程中的轉子速度位置估計的仿真曲線14 1

19、994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 可有效降低共模電壓的矩陣變換器調制方法研究電氣傳動2007年第37卷第3期圖5a為雙電壓合成法優(yōu)化前的共模電壓波形,最大值為220V,為輸入相電壓幅值。圖5b為優(yōu)化后的共模電壓波形,最大值為127V,為輸入相電壓幅值的3倍。仿真結果與理論分析一致,驗證了該優(yōu)化方法能夠有效抑制共模電壓的最大值,表明了理論分析的正確性和有效性。參考文獻1AlesinaA,VenturiniM.Solid2statePowerConversion:AFo

20、urierAnalysisApproachtoGeneralizedTransformerSynthesisJ.IEEETrans.onCircuitandSystem,1981,28(4):3193302HuberL,BorojevicD.SpaceVectorModulatedThree2phasetoThree2phaseMatrixConverterwithInputPowerFactorCorrectionJ.IEEETrans.onIndus2tryApplications,1995,31(6):123412463WatanabeE,IshiiS,YamamotoEetal.Hig

21、hPer2formanceMotorDriveUsingMatrixConverterA.(a)優(yōu)化前AdvancesinInductionMotorControl,IEESeminarC,London,UK:2000,7/17/64HanJuCha,EnjetiPN.AnApproachtoReduceCommonModeVoltageinMatrixConverterJ.IEEETrans.onIndustrialApplicatiobs,2003,39(4):11511159(b)優(yōu)化后5,陳希有.圖5優(yōu)化前后共模電壓波形J,2004,24(12):,沈濤等.用于抑制矩陣變換器共模電6結

22、語,應的輸入相42%,值不受影響。通過調整開關順序,使一個開關周期內的換流次數保持8次不變。仿真結果驗證了結論的正確性。(上接第14頁)參考文獻1JangJi2Hoon,SulSeung2Ki,HaJung2Iketal.Sensor2lessDriveofSurface2mountedPermanent2magnetMo2torbyHigh2frequenceSignalInjectionBasedonMag2neticSaliency.IEEETransactionsonIndustryAppli2cations,2003,39(4):103110392李永東.交流電機數字控制系統(tǒng).北京:機械工業(yè)出版壓的零輸出換相策略J.中國電機工程學報,2005,25(3):