淺談高速永磁同步電動機無速度傳感器失量控制

淺談高速永磁同步電動機無速度傳感器失量控制

Summary：本文提出了一種新的無需高頻信號注入或特殊脈寬調制（PWM）模式的非靜止永磁同步電機（PMSM）速度估計策略。該方法基于具有轉子位置誤差信息的驅動系統d軸電流調節(jié)器輸出電壓。轉子速度可通過轉子位置跟蹤比例積分（PI）控制器估計，該控制器將位置誤差控制為零。對于零速和低速運行，轉子位置跟蹤控制器的PI控制器增益根據估計的轉子速度變化。Keys：高速永磁；同步電動機；無速度傳感器；失量控制引言：永磁同步電動機（PMSM）在許多工業(yè)應用中，正逐漸取代傳統的直流電動機。這是由于永磁電機具有緊湊、高效、堅固、高功率密度等優(yōu)點而成為可能。然而，為了獲得準確的轉子位置信息，永磁同步電機驅動器需要一個位置傳感器。1.高速永磁同步電動機無速度傳感器第一代無傳感器控制是基于反電勢積分的轉子磁鏈定向。這些方法需要電機的電氣參數，并且由于反電動勢信息過低而在低速和零速時發(fā)生故障。最近，人們開發(fā)了更簡單有效的算法，如高頻注入法和恒頻模式法。高頻注入法利用電機的阻抗差，即使在低速和零速時也能成功地獲得位置信息。然而，高頻激勵通常需要一種信號處理技術，并且可能引起不期望的副作用，例如轉矩振蕩、諧波損耗和噪聲。它還限制速度范圍低于100赫茲由于提取注入的信號。在恒定頻率模式法中，通過處理高速范圍內daxisPI電流調節(jié)器的輸出電壓和恒定幅度的電流來估計速度，同時從啟動到低速范圍注入預模式頻率。該方案在高速范圍內提供了非常精確和魯棒的速度信息。然而，它需要一個額外的過渡算法，并且不能在低速區(qū)域執(zhí)行矢量控制。本文提出了一種新穎的無高頻信號注入或特殊PWM模式的隱極永磁同步電機速度估計策略。該方法基于驅動系統的d軸電流調節(jié)器輸出電壓，其中包含與轉子位置誤差有關的信息。轉子速度可以通過轉子位置跟蹤PI控制器來估計，該控制器將位置誤差控制在零。對于零速和低速運行，轉子位置跟蹤控制器的PI增益根據估計的轉子速度具有可變結構。[1]圖1定頻模式法總體控制結構框圖然后，在零轉速下，轉子位置和速度具有遲滯的動力學特性，因為該區(qū)域的變化增益很低。為了提高PI控制器在零速時的帶寬，在控制系統中采用了環(huán)路恢復技術。從相位裕度、帶寬分配等頻域指標對控制系統進行了分析，推導了PI整定公式。[2]2.高速永磁同步電動機無速度傳感器失量控制2.1轉子位置跟蹤PI控制器可以將位置誤差控制在零。在零速和低速區(qū)域，位置誤差值較大，因此起動可能會從靜止狀態(tài)失敗。但是，它在高速區(qū)域（區(qū)域II）有效。通常情況下，可以選擇比控制器極點快2到6倍的估計器極點。這是為了確保估計器誤差的延遲比期望的動態(tài)更快。因此，轉子位置跟蹤PI控制器的帶寬比轉速控制器的帶寬要高?？梢钥吹剿岢龅奈恢酶橮I控制器的帶寬根據估計速度而變化。這意味著電機反電動勢電壓的大小與轉子速度成正比，在低速區(qū)域它非常小。然后，在零轉速時，轉子的位置和速度具有遲滯的動力學特性，因為該區(qū)域的變化增益極低。轉子位置跟蹤PI控制器的帶寬被設置為750rad/s。減小K將把環(huán)路帶寬提高到較低的速度區(qū)域。例如，如果K為1，則無傳感器環(huán)路增益將在5r/min以上變?yōu)?50rad/s。根據該結果，設計者可以容易地確定具有所需帶寬的可能工作范圍。為了提高該區(qū)域的帶寬，引入超前補償器來恢復低速區(qū)域的環(huán)路動力學。這可以改善低速區(qū)域的轉子速度估計動態(tài)性。[3]利用Matlab/Simulink在一臺400W永磁同步電機上進行了實驗。速度控制器和轉子位置跟蹤PI控制器的帶寬分別設置為150rad/s和750rad/s。當K設置為1時，相位裕度為50o。電流和速度控制回路的采樣周期分別為100μs和500μs。負載慣性與電機耦合，慣性比為10:1。從0到500[r/min]的速度指令變化時的估計和實際速度。2.2速度指令從頂部開始，描述用于監(jiān)控的速度指令、估計速度和實際速度。在低速和高速范圍內，估計速度正確地遵循速度指令。表示建議的無傳感器方案對500r/min步進速度指令的響應。在這個測試中，所提出的算法并沒有失去它的估計能力。在100%負載轉矩條件下，5r/min轉速指令下所提出的無傳感器方案的響應。從頂部開始，描述了速度指令、估計速度、用于監(jiān)控的實際速度、位置誤差和負載轉矩。轉子位置估計誤差在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)時都被限制在接近零的范圍內。[4]3.強化試驗該算法已被編程并安裝到一臺商業(yè)化的600w無轉子凸極永磁同步電機上，該電機與仿真試驗中使用的電機相同。PWM-VSI逆變器由20kHz開關IGBT模塊組成，控制板采用數字信號處理器tms320vc33120mhz控制。750-W直流電機與600-W永磁同步電機耦合，以施加負載轉矩。速度控制器和轉子位置跟蹤PI控制器的帶寬分別設置為100rad/s和300rad/s。相位裕度為50o，K設置為10，控制模式切換為25r/min。電流和速度控制回路的采樣周期分別為50μs和1ms。從這個測試中，值得一提的是，提出的無傳感器PI估計器提供了令人滿意的瞬態(tài)性能，即使在3.3赫茲的速度。這種改進主要是由于基于頻域分析推導了PI增益公式，并考慮了常數K的影響選擇了期望帶寬。結束語：為了提高PI控制器在零速度附近的帶寬，控制系統采用了aloop恢復技術。該方法只需要永磁體的磁鏈，對參數估計誤差和變化不敏感。設計人員可以很容易地確定可能的工作范圍與所需的帶寬和執(zhí)行矢量控制。Reference：[1]孫宇新,唐敬偉,施凱,等.改進型MRAS無速度傳感器的無軸承異步電機矢量控制[J].控制理論與應用,2019,36(6):939-950.[2]楊婷.基于參數辨識的MRAS無位置傳感器矢量控制系統[D].湖南:湖南大學,2017.[3]寧振華.基于高頻注入法IPMSM無速傳感器矢量控制研究[D].湖南:湖南大學,2014.