兗濤， 劉軍， 楊明亮， 倪濤

(上海電機(jī)學(xué)院，上海 200240)

基于高頻注入法永磁同步電機(jī)控制研究

兗濤， 劉軍， 楊明亮， 倪濤

(上海電機(jī)學(xué)院，上海 200240)

針對永磁同步電機(jī)無傳感器控制的啟動控制問題，即在電機(jī)處于低速運行或者靜止啟動時轉(zhuǎn)子位置難以檢測和估算，采用高頻注入法實現(xiàn)對永磁同步電機(jī)的啟動控制，并采用判斷響應(yīng)旋轉(zhuǎn)電流幅值N/S判斷方法判斷轉(zhuǎn)子極性。利用MATLAB與PSIM聯(lián)合建模進(jìn)行了相應(yīng)的實驗仿真。實驗仿真結(jié)果驗證表明：采取旋轉(zhuǎn)高頻注入法可以有效地實現(xiàn)永磁同步電機(jī)的啟動控制，克服了無傳感器控制在靜止?fàn)顟B(tài)的不精確的缺點。

永磁同步電機(jī)；無傳感器控制；高頻信號注入法；PSIM；MATLAB

0 引 言

在電力電子技術(shù)、新型電機(jī)驅(qū)動控制方法和稀土永磁材料的高速發(fā)展背景下，永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)得到了越來越多的重視，并在各個領(lǐng)域的應(yīng)用前景愈加廣闊。相比傳統(tǒng)電勵磁同步電機(jī)，永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，損耗較小[1-2]。

在傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)控制中，電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息或者速度是控制的基礎(chǔ)，這就需要在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝機(jī)械式的位置編碼器或磁式解碼器[3]等傳感器元件，這就使得電機(jī)在很多工作場合系統(tǒng)可靠性降低，噪聲敏感度增強(qiáng)，并且相應(yīng)的電機(jī)成本也會增加，電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。基于無傳感器控制技術(shù)的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，具有體積小，成本低的特點，這也就使永磁同步電機(jī)可以在更多的應(yīng)用領(lǐng)域中得到使用，與此同時，也提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

轉(zhuǎn)子位置對于永磁同步電機(jī)無傳感器控制來說起著至關(guān)重要的作用，如果轉(zhuǎn)子位置判斷不精確，可能導(dǎo)致電機(jī)失步而啟動失敗，還有可能使得電機(jī)反轉(zhuǎn)，造成對控制系統(tǒng)更大的影響。而當(dāng)永磁同步電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時，采用反電勢控制方法時，電機(jī)轉(zhuǎn)子的反電勢很小，難以檢測造成啟動失敗，人們通過研究提出了高頻注入法，利用電機(jī)的凸極性[4]，對電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置進(jìn)行精確檢測，從而實現(xiàn)永磁同步電機(jī)靜止啟動控制。

文獻(xiàn)[5]采用了向電機(jī)中注入幅值相同，但方向不同的電壓脈沖，檢測轉(zhuǎn)子的初始位置，再根據(jù)非線性磁化特性判斷磁極極性，但是，如果注入電壓幅值很大，則在整個檢測過程中會使轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動，如果電壓幅值很小，則檢測到的電流很小，估算精度不夠；文獻(xiàn)[6]出了基于高頻電壓注入法的轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法，通過分析電機(jī)定子電流和d軸磁鏈關(guān)系，根據(jù)定子鐵心非線性磁化特性獲得判別N/S極極性的新方法，但此方法判斷轉(zhuǎn)子初始位置比較復(fù)雜；文獻(xiàn)[7]提出了基于瞬態(tài)有限元分析的轉(zhuǎn)子位置檢測的方法，利用能計和鐵心飽和，以及空間高次諧波[8-9]影響的瞬態(tài)有限元分析計算方法，能夠判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和永磁極極性，此方法需要電機(jī)本身的轉(zhuǎn)子的磁導(dǎo)率等相關(guān)資料信息，通用性不強(qiáng)。

1 高頻注入法的原理

高頻注入法，基本思想是向電機(jī)注入一個三相平衡的高頻電壓(或電流)信號，利用永磁同步電機(jī)本身內(nèi)部磁路的不對稱而產(chǎn)生的凸極效應(yīng)，通過檢測電機(jī)的響應(yīng)高頻電壓(或電流)信號，再分析響應(yīng)信號來得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息[10]。正是因為此原理，不再依賴于傳統(tǒng)通過反電勢來獲取轉(zhuǎn)子位置，也與電機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)，能夠在電機(jī)靜止或者低速時準(zhǔn)確判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，而且對電機(jī)本身參數(shù)變化不敏感。

2 高頻激勵下PMSM的數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)軸中的數(shù)學(xué)模型如式(1)表示:

(1)

式中ud、uq、id、iq分別是電機(jī)在dq坐標(biāo)下的電壓和電流分量；ωr是電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度；ψpm是電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈；Ld、Lq是電機(jī)定子在dq軸的電感；Rs是定子電阻。

將式(1)轉(zhuǎn)換到αβ坐標(biāo)系下，則電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為：

(2)

(3)

式中uα、uβ、iα、iβ分別是電機(jī)在αβ坐標(biāo)系下的電壓和電流分量；θr是電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置角度；定義共模電感L1=(Ld+Lq)/2，差模電感L2=(Ld-Lq)/2。將式(3)帶入到式(2)中得：

(4)

高頻信號同樣適用于以上的電磁關(guān)系公式，高頻信號的頻率處于基頻和PWM載波頻率之間，即高頻電壓頻率遠(yuǎn)大于基頻，遠(yuǎn)小于載波頻率。對于高頻電壓信號[uαuβ]T，上式中的第三項是對高頻電流信號求導(dǎo)數(shù)，所以其值遠(yuǎn)大于其他項，故上式可以簡化為：

(5)

上式中包含了電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，高頻電壓注入法是將高頻電壓疊加到基頻旋轉(zhuǎn)電壓矢量之上的，表示為：

(6)

將式(6)帶入到式(5)中得到高頻電流響應(yīng)：

(7)

由式(7)可以看出，高頻電流響應(yīng)分為兩個部分：(1)旋轉(zhuǎn)速度為2ωr-ωh的反向矢量；(2)旋轉(zhuǎn)速度為ωh的正向矢量。然而，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息θr=ωrt存在于反向旋轉(zhuǎn)矢量之中，響應(yīng)電流之中包含了基波電流、高頻電流和PWM載波頻率電流，所以提取響應(yīng)電流中的反向旋轉(zhuǎn)矢量至關(guān)重要。

3 PMSM轉(zhuǎn)子位置信息檢測

高頻響應(yīng)電流是隨著時間不斷變化的，將得到的高頻響應(yīng)電流通過常規(guī)的帶通濾波器(Band-Pass Filter, BPF)，過濾掉低次諧波電流和基頻電流；利用同步軸系高通濾波器(Synchronous Frame Filter, SFF)，過濾掉高頻電流中的正序分量，等效于響應(yīng)電流為：

(8)

此時，高頻正序分量已通過高通濾波器濾除，得到負(fù)序分量：

(9)

利用外差法得到轉(zhuǎn)子位置的誤差信號：

(10)

4 PMSM轉(zhuǎn)子N/S極性檢測

圖1 永磁同步電機(jī)L-θ曲線

圖2 轉(zhuǎn)子位置估算流程圖

5 高頻注入法控制PMSM驗證

在PSIM軟件中搭建永磁同步電機(jī)的模型，電機(jī)控制部分采用MATLAB建模，將PSIM與MATLAB相結(jié)合的方式。采用空間矢量調(diào)制(SVPWM)的方式對PMSM進(jìn)行控制，選用的PMSM參數(shù)如表1所示。

表1 仿真選用PMSM參數(shù)

主回路模型選擇在PSIM中進(jìn)行搭建，如圖3所示。

圖3 PSIM主電路設(shè)計

電機(jī)的控制模型則在MATLAB中進(jìn)行搭建，在矢量控制的模型基礎(chǔ)之上，將高頻正弦和余弦信號加入在IPARK變換前的電壓之中，經(jīng)過IPARK變換產(chǎn)生SVPWM波形輸送至PSIM的主電路模塊，控制逆變器產(chǎn)生正弦電壓控制電機(jī)。通過來采樣電機(jī)的響應(yīng)電流來判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置；利用電機(jī)的電流進(jìn)行速度的估計作為電機(jī)控制的反饋量，將電機(jī)電流進(jìn)行CLARKE變換并送至速度估計模塊，并將估計量與實際量作比較。

高頻注入的信號的頻率的大小要合適，若頻率過低，從PMSM數(shù)學(xué)模型可知電阻的壓降的比例會增大，從而影響轉(zhuǎn)子的檢測精度；若頻率過高，阻抗就會太大，響應(yīng)電流很小不利于采集，易受其他信號干擾，而且對磁路飽和狀況影響不大，凸極效應(yīng)不會很明顯。一般來講，高頻注入的信號頻率大約為0.4～1 kHz。 本次仿真采取的高頻注入信號頻率為500 Hz。

圖4 PSIM仿真高頻響應(yīng)電流曲線

圖4中電流是進(jìn)入到PMSM之前的調(diào)制信號，此電流信號包含了基波電流、高頻注入電流和高頻響應(yīng)電流。因此，從圖4中可看出電機(jī)運行初，電流波形不再是規(guī)則的正弦波電流。將此得到的電流經(jīng)過第3、4節(jié)所分析，經(jīng)過帶阻濾波器、同步軸系高通濾波器，得到含有轉(zhuǎn)子位置信息的響應(yīng)電流，再進(jìn)行永磁體極性分析得到轉(zhuǎn)子的實際位置。

仿真電機(jī)啟動時間長度大約為3 s的轉(zhuǎn)子角度值，如圖5所示。從電機(jī)轉(zhuǎn)子的實際位置與利用高頻注入法估測轉(zhuǎn)子位置的對比圖看出，當(dāng)注入高頻旋轉(zhuǎn)電壓時，判斷轉(zhuǎn)子隨機(jī)不確定，可能會出現(xiàn)如圖5中0.5 s之前的不準(zhǔn)確情況，隨著不斷糾正轉(zhuǎn)子位置，大約0.8 s時刻基本與電機(jī)轉(zhuǎn)子實際位置相符。

6 結(jié)束語

本文通過分析PMSM在高頻激勵下的數(shù)學(xué)模型，分析了PMSM的主磁路飽和度及其對電感大小的影響，對高頻注入法在PMSM啟動時的轉(zhuǎn)子初始位置檢測進(jìn)行了理論研究，并使用PSIM和MATLAB進(jìn)行了實驗仿真和驗證。

(1)在PMSM無傳感器控制啟動時，利用高頻注入法可以準(zhǔn)確判斷出轉(zhuǎn)子初始位置；

(2)通過高頻注入法的電流響應(yīng)能夠方便準(zhǔn)確地實現(xiàn)永磁體的N/S極判斷；

(3)若與其他控制方法相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)PMSM從靜止到高速運行的全范圍無傳感器控制。

[ 1 ] 葛永強(qiáng)，馬赫. 基于高頻電壓信號注入凸極PMSM無傳感器控制的仿真研究[J]. 微電機(jī), 2011, 44(9): 41-47

[ 2 ] 劉軍，俞金壽. 永磁同步電機(jī)控制策略[J]. 上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報, 2007, 21(3):180-185.

[ 3 ] M BOUSSAK,許俟峰. 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)無傳感器速度控制和轉(zhuǎn)子初始位置估計方法的應(yīng)用及實驗研究[J]. 大功率變流技術(shù), 2006,29(3):24-32.

[ 4 ] 賈洪平，賀益康. 基于高頻注入法的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2007, 27(15):15-20.

[ 5 ] 梁艷，李永東. 無傳感器永磁同步電機(jī)矢量控制中轉(zhuǎn)子初始位置的估算方法[J]. 電工技術(shù)雜志, 2003,22(2):10-13.

[ 6 ] 蔡名飛，周元鈞. 基于高頻注入法的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測[J]. 電力電子, 2011,9(2):21-24.

[ 7 ] 劉慧娟，傅為農(nóng). 基于瞬態(tài)有限元永磁同步電機(jī)靜止位置檢測策略[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報, 2012, 36(5):1-6.

[ 8 ] FU W N, ZHOU P, LIN D, et al. Modeling of solid conductors in two-dimensional transient finite- element analysis and its application to electric machines[J]. IEEE Trans Magn, 2004, 40(2): 426-434.

[ 9 ] FU W N, LIU Z J, BI C. A dynamic model of the disk drive spindle motor and its applications[J]. IEEE Trans Magn, 2002, 38(2): 973-976.

[10] 王子輝，葉云岳. 反電勢算法的永磁同步電機(jī)無位置傳感器自啟動過程[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報 2011,15(10):36-42.

A Study on PMSM Control Based on High Frequency Injection

YAN Tao, LIU Jun, YANG Ming-liang,NI Tao

(Shanghai Motor College, Shanghai, 200240, China)

With respect to the PMSM motor’s sensorless start-up control problem that the rotor position is difficult to detect and estimate for a motor running at a low speed or during its start-up, high frequency injection is used to achieve PMSM start-up control. Furthermore, the polarity of the motor is determined by judging responding rotation current value N/S. MATLAB and PSIM are adopted to establish the mode for experimental simulation, and the result shows that rotation HF injection can effectively realize PMSM start-up control, thus overcoming the disadvantage of inaccuracy of sensorless control under the static condition.

PMSM; sensorless control;HF signal injection; PSIM; MATLAB

上海市教委重點學(xué)科電力電子傳動項目(J51901);上海電機(jī)學(xué)院創(chuàng)新項目(12c406)

10.3969/j·issn.1000-3886.2015.03.003

TM351

A

1000-3886(2015)03-0007-03

兗濤(1990-)，男，碩士，研究方向：電機(jī)控制研究。 劉軍(1965-)，男，博士，教授，研究方向：電機(jī)智能控制、微機(jī)控制技術(shù)。

定稿日期: 2014-07-31