劉學(xué)鵬，郝曉紅，張東升

(1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，廣東中山528404;2.華南理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510641;3.成都電子科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，四川成都610054;4.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710049)

永磁同步電機(jī)的變頻控制是電機(jī)行業(yè)的一個(gè)難點(diǎn)，盡管國(guó)內(nèi)外已有一定的研究基礎(chǔ)和產(chǎn)品，但是從行業(yè)角度和實(shí)踐來(lái)看，這一技術(shù)本身的發(fā)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，尚未形成一個(gè)比較系統(tǒng)而實(shí)用的體系。因此，開展永磁同步電機(jī)變頻控制研究和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)仍是當(dāng)前變頻行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。

變頻控制的核心在于保障高低頻下反饋信號(hào)推導(dǎo)出精確的轉(zhuǎn)子位置關(guān)聯(lián)因素。低頻下，同步電機(jī)電流和電壓變化量小，國(guó)內(nèi)外的很多學(xué)者和工程師針對(duì)基于微小信號(hào)的電機(jī)位置預(yù)估進(jìn)行了研究，提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析等現(xiàn)代手段，取得了一定的成果［1－6］，但是這些技術(shù)具有計(jì)算量龐大、計(jì)算手段復(fù)雜、難以產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用的缺點(diǎn)?，F(xiàn)有的變頻器在快速變頻的過(guò)程中，具有負(fù)荷不穩(wěn)定、噪聲大、耗能大的缺點(diǎn)。

作者提出了一種能夠迅速穩(wěn)定工況、負(fù)荷穩(wěn)定、耗能低、噪聲小的基于電信號(hào)的永磁電機(jī)變頻控制器位置預(yù)估及實(shí)現(xiàn)方法。

1 永磁同步電機(jī)模型

對(duì)于由PMSM組成的變頻調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用定向磁場(chǎng)調(diào)節(jié)技術(shù) (用固定于轉(zhuǎn)子的參考坐標(biāo)即旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系來(lái)描述和分析它們的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能)是十分方便的。取永磁體磁場(chǎng)的方向?yàn)閐軸，順著旋轉(zhuǎn)方向超前d軸電角度90°的為q軸，轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)速度即為轉(zhuǎn)軸速度［1－2］，dq軸系隨同轉(zhuǎn)子以角頻率ω一道旋轉(zhuǎn)，可得到永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq下的數(shù)學(xué)模型為:

式中:id，iq分別為d軸和q軸的定子電流;Vd，Vq分別為d軸和q軸的端電壓;φa為磁通量;R為定子電阻;Ld，Lq分別為d軸和q軸的自感;p為微分因子;Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

2 位置預(yù)估

根據(jù)低通濾波模塊輸出的兩相電流信號(hào)和同步電機(jī)模型，得出電流預(yù)估方程:

其中:iγ(n)為預(yù)估坐標(biāo)系γ－δ下γ軸的預(yù)估電流值;iδ(n)為預(yù)估坐標(biāo)系γ－δ下δ軸的預(yù)估電流值;iγ(n-1)為預(yù)估坐標(biāo)系γ－δ下γ軸的當(dāng)前電流值;iδ(n-1)為預(yù)估坐標(biāo)系γ－δ下δ軸的當(dāng)前電流值;R為電機(jī)電阻;T為采樣周期;˙θM為當(dāng)前轉(zhuǎn)子角速度;eM為當(dāng)前旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì);Ld為隨動(dòng)坐標(biāo)系d－q下d軸電感值;Lq為隨動(dòng)坐標(biāo)系d－q下q軸電感值。

轉(zhuǎn)子位置預(yù)估示意圖見圖1。根據(jù)電流預(yù)估模塊中的電流預(yù)估方程推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子位置角預(yù)估方程:

其中:eM(n)為預(yù)估旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì);eM(n-1)為當(dāng)前旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì);Δiγ(n)為預(yù)估坐標(biāo)系γ－δ下γ軸的預(yù)估電流變化值;Δiδ(n)為預(yù)估坐標(biāo)系γ－δ下δ軸的預(yù)估電流變化值;θM(n)為γ－δ坐標(biāo)軸下的預(yù)估轉(zhuǎn)子位置角為預(yù)估坐標(biāo)系γ－δ下的當(dāng)前轉(zhuǎn)子角速度;Ke、Km為可調(diào)參數(shù)。

圖1 位置預(yù)估

得到上述預(yù)估轉(zhuǎn)子位置角，從而實(shí)現(xiàn)下一時(shí)間段永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的預(yù)估。

3 控制器功能模塊

圖2是功能模塊控制圖。轉(zhuǎn)子位置預(yù)估模塊將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的全頻段分為多個(gè)頻率段，在每個(gè)頻段內(nèi)，可調(diào)參數(shù)Ke、Km都有對(duì)應(yīng)的一組值，實(shí)現(xiàn)全頻段參數(shù)調(diào)節(jié)。

圖2 功能模塊圖

上位機(jī)或系統(tǒng)要求頻率值設(shè)定模塊可以根據(jù)負(fù)荷大小要求設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

最大轉(zhuǎn)矩和功率模塊內(nèi)設(shè)定有頻率閾值，它連接在轉(zhuǎn)子位置判定模塊的轉(zhuǎn)子位置預(yù)估模塊與二相到三相變換模塊之間，同時(shí)與上位機(jī)或系統(tǒng)要求頻率值設(shè)定模塊連接。

最大轉(zhuǎn)矩和功率模塊根據(jù)上位機(jī)或系統(tǒng)要求頻率值設(shè)定模塊輸入的頻率來(lái)進(jìn)行選擇輸出，當(dāng)上位機(jī)或系統(tǒng)要求頻率值設(shè)定模塊設(shè)定的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率小于該頻率閾值時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩和功率模塊輸出最大轉(zhuǎn)矩來(lái)控制永磁電機(jī);當(dāng)上位機(jī)或系統(tǒng)要求頻率值設(shè)定模塊設(shè)定的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率大于該頻率閾值時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩和功率模塊輸出最大頻率來(lái)控制永磁電機(jī)。

為了保護(hù)永磁電機(jī)，在故障排除和軟件過(guò)濾模塊和智能功率模塊的功率模塊火線之間還設(shè)有過(guò)濾電路，過(guò)濾電路將從智能功率模塊的火線腳采集的母線電壓進(jìn)行監(jiān)控，避免出現(xiàn)過(guò)壓和欠壓情況，過(guò)濾電路采用數(shù)字低通濾波。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)機(jī)具體參數(shù)為:d軸感抗為5.6 mH，q軸感抗為9.1 mH，電阻為0.7 Ω，磁通量為0.862 Wb，慣性量為 6.85×10－4kg·m2。實(shí)驗(yàn)的條件為:環(huán)境溫度為10℃，電壓采用市電220 V交流電源，負(fù)荷為1.2 N·m。工況穩(wěn)定后連續(xù)運(yùn)行1 h。圖3是運(yùn)行圖，可以看出運(yùn)行平穩(wěn)。

圖3 運(yùn)行圖

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