關(guān)振宏， 杜平， 王濤， 張羽

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

基于高通諧振濾波器的高頻脈振電流注入法研究

關(guān)振宏， 杜平， 王濤， 張羽

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

當(dāng)高頻脈振電流注入法利用電機(jī)的凸極效應(yīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器控制時(shí)，為了避免注入信號(hào)幅值選取的不當(dāng)，導(dǎo)致提取轉(zhuǎn)子位置信息的高頻響應(yīng)信號(hào)解調(diào)失敗和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提出一種將高通諧振濾波器引入轉(zhuǎn)子位置提取通道的方法。利用高通諧振濾波器在低頻段的高度衰減性，在諧振點(diǎn)對(duì)解調(diào)信號(hào)放大增幅的特性，提高了含有轉(zhuǎn)子初始位置信息的信噪比。對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的濾波優(yōu)化，使得電機(jī)無(wú)位置算法在解調(diào)響應(yīng)信號(hào)的難度降低，轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的估算可以實(shí)現(xiàn)零誤差。最后通過(guò)仿真對(duì)比研究驗(yàn)證了方法的正確性和有效性。

高頻脈振；凸極效應(yīng)；無(wú)位置傳感器；高頻注入；轉(zhuǎn)子位置

0 引 言

由于銣鐵硼等稀土材料應(yīng)用和電機(jī)控制理論的不斷進(jìn)步，使永磁同步電機(jī)具有優(yōu)越調(diào)速性能,在工業(yè)、交通和航天領(lǐng)域獲得廣泛的關(guān)注[1-3]。文獻(xiàn)[4-6]提出一種檢測(cè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在定子產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行積分的方法，但只能應(yīng)用在中高轉(zhuǎn)速條件下。針對(duì)在零速或低速反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)失效問題，文獻(xiàn)[7-9]提出一種基于凸極效應(yīng)的電機(jī)定子注入旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)，利用帶通濾波器或鎖相環(huán)的方法提取響應(yīng)電流中轉(zhuǎn)子信息，但成本較高且幅值易受干擾。文獻(xiàn)[10]提出向定子繞組注入脈振的高頻電壓信號(hào)來(lái)觀測(cè)定子電感隨轉(zhuǎn)子位置的變化，但是該方法需要借助查表的方法判斷永磁體極性。采用電機(jī)的磁飽和效應(yīng)建立逆變器開關(guān)高頻載波和轉(zhuǎn)子位置信息關(guān)系，但開關(guān)諧波的混淆可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)載波響應(yīng)電流解調(diào)失敗[11-12]。文獻(xiàn)[13]提出一種采用移相和傅式算法從高頻注入電壓的響應(yīng)電流中提取轉(zhuǎn)子位置信息，但必須選擇適當(dāng)?shù)拈_關(guān)頻率和注入信號(hào)頻率，文獻(xiàn)[14]對(duì)比研究了高頻信號(hào)旋轉(zhuǎn)和脈振注入的實(shí)現(xiàn)策略，兩者都需較多的濾波器，尤其是旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)注入法。文獻(xiàn)[15]提出一種基于高頻脈振電流注入的方法，這控制結(jié)構(gòu)和算法簡(jiǎn)單，但注入幅值選擇的問題依然存在，使得注入幅值、信息解調(diào)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制無(wú)法一致。

為解決上述問題，本文在高頻脈振電流注入法的基礎(chǔ)上引入高通諧振濾波器，對(duì)高頻響應(yīng)電壓的提取作出改進(jìn)，擴(kuò)大信號(hào)的注入幅值范圍，降低轉(zhuǎn)子信息解調(diào)的難度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子信息更加平穩(wěn)、快速、精準(zhǔn)的檢測(cè)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)方法的有效性和實(shí)用性。

1 PMSM數(shù)學(xué)模型

采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的id=0磁場(chǎng)定向控制，此時(shí)，PMSM的定子電壓矩陣為：

(1)

式中ud，uq分別為定子電壓u在d、q軸上的分量；ψd、ψq分別為磁鏈在d、q軸上的分量，p為對(duì)時(shí)間微分算子。

(2)

結(jié)合式(1)和(2)，兩相靜止d-q坐標(biāo)系下的磁鏈矩陣方程為：

(3)

式中ψf為永磁體的轉(zhuǎn)子磁鏈。

2 高頻信號(hào)注入

(4)

結(jié)合式(2)—(4)可得高頻注入電流和高頻響應(yīng)電壓的關(guān)系式為：

(5)

式中Z=JωLav為平均電抗，Zerr=JωLerr為半差電抗。

(6)

(7)

圖1 加高通諧振濾波器的無(wú)位置傳感器控制結(jié)構(gòu)框圖

3 高通諧振濾波器

由圖1可知，為了從交軸高頻響應(yīng)電壓分量中提取轉(zhuǎn)子位置信息，引入了高通諧振濾波器。高通濾波器與諧振濾波器結(jié)合的傳遞函數(shù)如式(8)所示。

(8)

式中HPRF為高通與諧振濾波器(High Pass and Resonance Filter, HPRF)，ωc為帶寬，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)。選取諧振點(diǎn)頻率ωh=ωf，其伯德圖如圖2所示。

圖2 HPRF伯德圖

由圖2可知，引入的高通諧振濾波器諧振點(diǎn)在ωf=ωh處，即諧振頻率為高頻脈振電流信號(hào)的注入頻率，該濾波器以43 dB的增益作用在諧振點(diǎn)，有效地增大了高頻響應(yīng)電壓，提高了此處以高頻信號(hào)為有用信號(hào)的信噪比，且諧振頻率后的高通階段對(duì)信號(hào)幾乎無(wú)衰減，在低頻段以-130 dB的衰減增益濾除基波信號(hào)，基波信號(hào)為噪聲信號(hào)；因此采用高通諧振濾波器，實(shí)現(xiàn)了直軸上注入對(duì)電機(jī)運(yùn)行有利的小幅值高頻電流信號(hào)。該方法能夠高效準(zhǔn)確地提取轉(zhuǎn)子位置信息，并且不必考慮會(huì)引入電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的影響。

4 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提方法是能夠?qū)D(zhuǎn)子位置估計(jì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化的，本文對(duì)該方法在MATLAB/simulink中進(jìn)行了仿真研究，其位置檢測(cè)及控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要電機(jī)參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min，極對(duì)數(shù)p=4，定子電阻Rs=2.875 Ω，d軸電感Ld=7.2 mH，q軸電感Ld=12.5 mH，注入頻率fh=1.9 kHz，注入幅值Imh=5 A。

為驗(yàn)證所提方法對(duì)轉(zhuǎn)子初始位置信息的估計(jì)更精確，圖3和圖4分別給出了電機(jī)在轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min，未采用HPRF和采用HPRF時(shí)轉(zhuǎn)子位置實(shí)際值、轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值以及轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差的波形。對(duì)比引入HPRF仿真結(jié)果前后波形可以看出，當(dāng)未采用HPRF的傳統(tǒng)高頻脈振電流注入法時(shí)，轉(zhuǎn)子估計(jì)位置相對(duì)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置有滯后，導(dǎo)致位置誤差明顯偏離零值且有增大趨勢(shì)；當(dāng)采用HPRF時(shí)，轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值和轉(zhuǎn)子位置計(jì)算值無(wú)超前滯后，并且轉(zhuǎn)子初始位置估計(jì)實(shí)現(xiàn)零誤差控制。

圖3 未采用HPRF時(shí)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)

圖4 采用HPRF時(shí)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)

為進(jìn)一步對(duì)比所提方法在轉(zhuǎn)子信息提取上的優(yōu)勢(shì)，圖5和圖6分別給出了電機(jī)在t=0.1 s時(shí)轉(zhuǎn)速?gòu)念~定轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min突變到n=200 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)速估計(jì)的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)未采用HPRF時(shí)，t=0.1s前轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估計(jì)值近似跟隨實(shí)際轉(zhuǎn)速，但在t=0.15 s后，轉(zhuǎn)子的估計(jì)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏離實(shí)際轉(zhuǎn)速值的現(xiàn)象，且隨時(shí)間略有增大；當(dāng)采用HPRF時(shí)，轉(zhuǎn)子估計(jì)轉(zhuǎn)速在t=0.1 s前后皆嚴(yán)格追蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線，無(wú)偏離現(xiàn)象。

圖5 未采用HPRF時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估計(jì)

圖6 采用HPRF時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將高通諧振濾波器引入高頻信號(hào)注入法，在轉(zhuǎn)子初始位置信號(hào)提取的方法中，對(duì)含有轉(zhuǎn)子初始位置信息的交軸高頻響應(yīng)電壓進(jìn)行HPRF濾波優(yōu)化，其在注入頻率點(diǎn)處呈現(xiàn)的諧振特點(diǎn)具有幅值放大作用，提高了調(diào)制信號(hào)的信噪比，克服了較小的注入電流幅值使得電機(jī)的凸極效應(yīng)特質(zhì)不突出的缺點(diǎn)，優(yōu)化了轉(zhuǎn)子位置信息解調(diào)的準(zhǔn)確性，同時(shí)又避免了因高頻電流注入幅值較大而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，HPRF低頻高度的衰減性大大降低了轉(zhuǎn)子初始位置信息解調(diào)時(shí)受低次諧波的干擾，實(shí)現(xiàn)了無(wú)位置傳感器的零誤差估計(jì)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性和正確性。

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Research about High-frequency Pulsating Current Injection Based on High-pass Resonator Filter

Guan Zhenhong, Du Ping, Wang Tao, Zhang Yu

(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)

When sensorless control is realized in the high-frequency pulsating current injection method by means of saliency effect of the motor, to avoid demodulation failure of the HF response signal for extraction of rotor position information and torque ripple due to improper selection of the amplitude of injection signal, this paper presents a method for importing the high-pass resonator filter into the motor position extraction channel. Its principle is to take advantage of high attenuation of the high-pass resonator filter in the low frequency range as well as amplification of demodulated signal at the resonance point to raise the signal-to-noise ratio of the information containing original rotor position. This approach optimizes filtering of the rotor position signal so that it is not so difficult to demodulate the response signal by sensorless motor algorithm, and zero error can be realized in the estimation of rotor position and speed. Finally, simulation and comparison verify the correctness and effectiveness of the proposed approach.

high-frequency pulsating; saliency effect; sensorless; high frequency injection; rotor position

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51477146)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.004

TM351;TM341

A

1000-3886(2016)06-0011-03

關(guān)振宏(1967- )，男，湖南常德人，碩士生導(dǎo)師，副教授，研究方向?yàn)殡娏恳c傳動(dòng)控制。 杜平(1992- )，男，四川廣安人，碩士生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。 王濤(1972- )，男，四川樂山人，碩士生導(dǎo)師，副教授，研究方向?yàn)榻涣髡{(diào)速控制，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。 張羽(1992- )，男，遼寧盤錦人，碩士生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

定稿日期: 2016-05-21