林環(huán)城， 王志新

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

0 引 言

永磁同步電機(Permanent Magnet Synchro-nous Motor, PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、損耗小和運行效率高等優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊，被業(yè)界廣為采用。采用傳統(tǒng)機械伺服系統(tǒng)往往需要通過位置傳感器檢測PMSM的轉(zhuǎn)子位置。這不僅增加了系統(tǒng)的體積和成本，而且降低了系統(tǒng)的可靠性[1- 4]。因此，有必要研究PMSM無位置傳感器控制技術(shù)。

目前，無位置傳感器控制方法如反電勢法、模型參考自適應(yīng)法、磁鏈觀測器法等都是基于電機反電勢的估算方法，在中、高速時有良好的動態(tài)性能[5-8]。此類方法依賴電機參數(shù)，在低速或零速時，電機反電勢很小或為零，影響該方法的控制性能，甚至無法進行估算[9-11]。

基于脈振高頻信號注入的無位置傳感器控制方法依靠電機的凸極特性，通過向電機注入高頻電壓信號，從反饋電流中解調(diào)出轉(zhuǎn)子位置信息。該方法不依賴反電勢和電機參數(shù)，在中、低速和零速時估算精度高、魯棒性強[12]。但該方法實現(xiàn)過程中需要采用多個濾波器進行信號解調(diào)，不僅給濾波器選取和控制器參數(shù)整定帶來一定難度，而且多個濾波器的滯后效應(yīng)疊加易增大系統(tǒng)時間常數(shù)，造成系統(tǒng)動態(tài)性能下降。針對該問題，本文簡化設(shè)計位置觀測器，優(yōu)化濾波器并整定參數(shù)，經(jīng)試驗證明了系統(tǒng)實現(xiàn)更簡捷，尤其改善了中、低速的動態(tài)性能。

1 脈振高頻電壓信號注入法

在脈振高頻注入無位置傳感器控制算法中，在電機轉(zhuǎn)子具體位置未知的情況下，假設(shè)估計的轉(zhuǎn)子位置，其對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)坐標系為de、qe軸坐標系，如圖1所示。圖中上標e表示估計坐標系，Δθ表示其與實際坐標系的夾角。

圖1 估計和實際的兩相旋轉(zhuǎn)坐標系

向de、qe軸注入的高頻電壓信號為

(1)

式中：Vi、ωi——注入電壓信號的幅值、角頻率；

t——時間；

將式(1)代入高頻激勵下的電機電壓方程，可得對應(yīng)的響應(yīng)電流方程為[13]

(2)

Ip=Vi/ωiLp；In=Vi/ωiLn

(3)

(4)

式中：L——電感；

i——電流分量。

由式(2)可知，de、qe軸的響應(yīng)電流中均包含轉(zhuǎn)子位置誤差信息。當估算角度誤差為零時，qe軸高頻響應(yīng)電流的幅值為零。為獲取轉(zhuǎn)子位置信息，通常做法是先用帶通濾波器(Band Pass Fitter, BPF)處理qe軸電流，隨后將得到的高頻響應(yīng)電流與注入信號頻率相同的三角函數(shù)sinωit相乘，再用低通濾波器(Low Pass Fitter, LPF)處理得到位置誤差信息iΔθ為

-InΔθ=KΔθ

(5)

為獲得估計的轉(zhuǎn)子位置和角速度，采用PI調(diào)節(jié)器和積分器作為轉(zhuǎn)子位置和速度跟蹤觀測器。由于PI調(diào)節(jié)器的特性，可使得穩(wěn)態(tài)時的輸入量為零，即角度誤差為零，輸出量為電機的估計角速度，對其作積分運算即可得到估計的轉(zhuǎn)子角度位置信息。整個脈振高頻電壓注入矢量控制系統(tǒng)框圖如2所示。

圖2 脈振高頻電壓注入矢量控制系統(tǒng)框圖

綜上所述，在一般的脈振高頻注入無傳感器控制算法中，采用了帶通濾波器和低通濾波器，不僅對濾波器選取和控制參數(shù)整定帶來一定難度，多個濾波器的滯后效應(yīng)疊加易使系統(tǒng)時間常數(shù)增加，導致動態(tài)性能下降。

2 控制算法的簡化改進

在一般的控制算法中，通常先用BPF對q軸電流進行處理，再經(jīng)sinωit調(diào)制后用LPF獲得位置誤差信息。在新系統(tǒng)中，對此進行簡化，直接將qe軸電流與sinωit相乘后用LPF處理得到位置誤差信息iΔθ。

(6)

式中：I——幅值；

ωh——高頻諧波電流的角頻率，ωh?ωi。

將上述的電流分量分別與sinωit相乘并經(jīng)LPF處理得

(7)

(8)

(9)

直接將qe軸電流與sinωit相乘后用LPF處理，即使省去BPF仍可濾去無關(guān)電流，并可從qe軸高頻響應(yīng)電流中獲得位置誤差信息。簡化的位置跟蹤觀測器如圖3所示。

圖3 簡化的位置跟蹤觀測器

確立控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，即可通過適當?shù)臑V波器選取和設(shè)計，實現(xiàn)信號的解調(diào)，從而完成無位置傳感器系統(tǒng)的運行。

考慮成本和資源配置，無位置傳感器系統(tǒng)的運行多使用定點DSP芯片實現(xiàn)。由于字長限制，對濾波器進行數(shù)字化時會產(chǎn)生系數(shù)的量化誤差及計算中的截斷和舍入誤差，會使濾波器的實際特性偏離理想特性。因此，使用高階、多系數(shù)的濾波器未必能取得更好結(jié)果，甚至使結(jié)果惡化。采用低階濾波器不僅可減少上述問題帶來的影響，也可降低濾波器的滯后效應(yīng)對系統(tǒng)的影響。

結(jié)合實際系統(tǒng)中電流信號的頻率分布，信號處理之后無需使用通頻帶很窄的低通濾波器。巴特沃斯濾波器屬于IIR濾波器，其參數(shù)少、易實現(xiàn)，且相對于其他類型的濾波器在相同階數(shù)時通帶頻率特性最平坦，濾波特性更符合本系統(tǒng)的要求，故在信號解調(diào)過程中選取一階巴特沃斯低通濾波器。

參數(shù)整定流程如圖4所示。脈振高頻信號注入無位置傳感器控制系統(tǒng)的參數(shù)整定較一般的機械伺服系統(tǒng)復雜[14-15]?？蓪刂葡到y(tǒng)先進行仿真設(shè)計，以加快參數(shù)整定過程。整定過程中應(yīng)先確定電流環(huán)和速度環(huán)的控制參數(shù)，再結(jié)合設(shè)計的濾波器，確定位置跟蹤觀測器的控制參數(shù)。根據(jù)試驗經(jīng)驗，電流環(huán)參數(shù)的配置不宜過大，調(diào)整使該環(huán)路階躍響應(yīng)的上升時間在100～200ms更易于系統(tǒng)實現(xiàn)。

圖4 參數(shù)整定流程

3 試驗驗證

建立了基于內(nèi)置式永磁同步電機的脈振高頻注入無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)。采用的內(nèi)置式永磁同步電機為適用于洗衣機脫水工況的高速電機。電機參數(shù)： 額定電壓220V，額定功率400W，額定轉(zhuǎn)速13500r/min，額定轉(zhuǎn)矩0.35N·m，定子每相電阻1.2Ω，q軸電感35mH，d軸電感25mH，極對數(shù)為2。

驅(qū)動控制系統(tǒng)的核心為Microchip公司的dsPIC33EP512MC806芯片。試驗中三相電壓的斬波頻率10kHz，注入的高頻電壓頻率312.5Hz，幅值30V。低通濾波器采用一階巴特沃斯數(shù)字濾波器，截止頻率20Hz。電機配置1024線的光電編碼器。

圖5 穩(wěn)態(tài)時電機的a相電流

穩(wěn)態(tài)時電機的a相電流如圖5所示，其主要成分為基波電流和高頻響應(yīng)電流。對電機三相電流進行坐標變換可得d、q軸坐標系下的電流，如圖6所示。由圖6可知，穩(wěn)態(tài)時電機d軸電流主要成分是與注入高頻電壓同頻率的高頻響應(yīng)電流，而q軸電流主要為穩(wěn)定的直流分量，幾乎不包含高頻分量。該系統(tǒng)在注入高頻電壓進行位置估算時，引起的轉(zhuǎn)矩脈動很小，穩(wěn)態(tài)運行穩(wěn)定。

圖6 穩(wěn)態(tài)時d、q軸電流

實際、估計的電機起動至穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速分別如圖7、圖8所示?？煽闯觯烙嫷霓D(zhuǎn)速可很好地跟蹤實際轉(zhuǎn)速的動態(tài)變化，起動過程中實際轉(zhuǎn)速的超調(diào)量約為15%，從上電開始經(jīng)0.4s，轉(zhuǎn)速即可穩(wěn)定。經(jīng)有效的參數(shù)整定，實際系統(tǒng)具有超調(diào)量小、上升和調(diào)整時間都很短的良好動態(tài)特性。

圖7 電機實際的起動至穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速

圖8 電機估計的起動至穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速

圖9 電機實際電角度

圖10 電機估計電角度

圖11 角度誤差

計的電角度與實際電角度之間的誤差絕對值在6°以內(nèi)，具有很好的動態(tài)跟蹤特性和穩(wěn)態(tài)精度。

電機運行時的實際電角度、估計電角度和角度誤差分別如圖9～圖11所示。位置觀測器估對采用PI控制器結(jié)構(gòu)的位置觀測器進行參數(shù)整定時，需要同時對比例系數(shù)P和積分系數(shù)I進行整定，并調(diào)整濾波器參數(shù)獲得最佳的位置觀測效果。可見，由于減少了濾波器的數(shù)量并采取了適合系統(tǒng)特性的低階濾波器，系統(tǒng)在角度和轉(zhuǎn)速的估計中沒有明顯滯后，表現(xiàn)出高性能的控制特性。

本文實際系統(tǒng)調(diào)試時涉及的控制參數(shù)減少，在系統(tǒng)參數(shù)變化或建立新系統(tǒng)時，相比傳統(tǒng)方法，可更快地整定參數(shù)，完成高性能控制系統(tǒng)，且實現(xiàn)更簡捷。從試驗結(jié)果可看出： 系統(tǒng)在中、低速下動態(tài)性能好、穩(wěn)態(tài)精度高、魯棒性強，驗證了本文理論的正確性和可行性。

4 結(jié) 語

本文針對脈振高頻信號注入永磁同步電機無位置傳感器控制所采用的位置觀測器需要采用多個濾波器，參數(shù)整定困難，且多個濾波器的滯后效應(yīng)疊加，增大了系統(tǒng)的時間常數(shù)，造成系統(tǒng)動態(tài)性能下降等問題，通過減少濾波器數(shù)量并確定適宜的濾波器類型優(yōu)化設(shè)計位置觀測器，使其參數(shù)整定易于實現(xiàn)。經(jīng)過對基于內(nèi)置式永磁同步電機的無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)的試驗研究，采用優(yōu)化后的位置觀測器的系統(tǒng)在中、低速下動態(tài)性能良好、魯棒性強，驗證了本文采用方法的有效性。

【參考文獻】

[1] 王志新,羅文廣.電機控制技術(shù)[M].北京： 機械工業(yè)出版社,2010.

[2] MORIMOTO S, SANADA M, TAKEDA Y. Mechani-cal sensorless drives of IPMSM with online parameter identification[J]. IEEE Trans on Industry Appli-cations, 2006,42(5)： 1241-1248.

[3] 劉穎,周波,馮瑛,等.基于脈振高頻電流注入SPMSM低速無位置傳感器控制[J].電工技術(shù)學報,2012,27(7)： 139-145.

[4] 李自成,程善美,秦實宏.無刷直流電機無位置傳感器控制調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電機與控制應(yīng)用,2010，37(8)： 29-31.

[5] 張群,李宏,鄭勇.一種新型滑模觀測器的永磁同步電動機無傳感器控制[J].微特電機,2011,39(8)： 41- 44.

[6] 鄒海晏,黃蘇融,洪文成.內(nèi)置式永磁同步電機無位置傳感器控制[J].電機與控制應(yīng)用,2009，36(9)： 17- 21.

[7] 孫旭霞,劉博.基于EKF的PMSM無傳感器控制及濾波參數(shù)選取[J].微特電機,2011,39(5)： 39- 42.

[8] 袁澤劍,楊耕,鐘彥儒.永磁同步電動機無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)的研究[J].電氣傳動自動化，2000,22(4)： 21- 23.

[9] 繆禮鋒,梁青,王永,等.基于脈振電壓法的永磁同步電動機的初始位置檢測[J].微特電機,2011,39(5)： 29-31.

[10] 靳建軍,楊建國.基于模型參考自適應(yīng)的無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電機與控制應(yīng)用，2007,34(2)： 35-38.

[11] 薛樹功,魏利勝,凌有鑄.基于擴展卡爾曼濾波的永磁同步電機無傳感器矢量控制[J].電機與控制應(yīng)用,2011，38(8)： 15-18.

[12] JANG J H, SUL S K, HA J I, et al. Sensorless drive of surface-mounted permanent magnet motor by high frequency signal injection based on magnet saliency[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2003,39(4)： 1031-1039.

[13] HA J I, IDE K, SAWA T. Sensorless rotor position estimation of an interior permanent magnet motor from initial states[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2003,39(3)： 761-767.

[14] 王麗梅,郭慶鼎.基于多重凸極跟蹤的永磁同步電動機轉(zhuǎn)子位置估計[J].中國電機工程學報,2007,27(24)： 48-52.

[15] ZHU Z Q, GONG L M. Investigation of effectiveness of sensorless operation in carrier signal injection-based sensorless control methods[J]. IEEE Trans on Industrial Electronics， 2011，58(8)： 3431-3439.