鄧建國　蔡亞輝　黃守道　李亞雄

湖南大學(xué)，長沙，410082

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壓縮機(jī)用永磁同步電機(jī)無傳感器全速度運(yùn)行策略研究

鄧建國蔡亞輝黃守道李亞雄

湖南大學(xué)，長沙，410082

摘要：研究了一種適用于壓縮機(jī)的永磁同步電機(jī)無傳感器全速度范圍運(yùn)行工況的控制方案。該方案在電機(jī)啟動及低速階段采用I/F速度開環(huán)、電流閉環(huán)的控制策略，中高速階段采用基于改進(jìn)的模型參考自適應(yīng)無傳感器控制策略，并實(shí)現(xiàn)兩者的無沖擊切換。對該方案進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證，研究結(jié)果證明了該方案的有效性。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)；永磁同步電機(jī)；模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)；無傳感器控制

0引言

永磁同步電機(jī)(PMSM)由于具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)越性能，在壓縮機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。工業(yè)上通常用機(jī)械式傳感器測量轉(zhuǎn)子位置來實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)高精度矢量控制，但使用傳感器帶來了電機(jī)成本、尺寸等問題，而且由于壓縮機(jī)永磁電機(jī)的高溫高壓運(yùn)行工況不適宜安裝傳感器，因此永磁電機(jī)驅(qū)動的壓縮機(jī)多采用無傳感器矢量控制方案[2]。目前絕大多數(shù)的永磁同步電機(jī)無傳感器策略可分為依靠電機(jī)電磁關(guān)系和電機(jī)本體凸極結(jié)構(gòu)效應(yīng)來估測轉(zhuǎn)子位置兩類[3]。國內(nèi)外學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出了多種策略，如第一類的滑模觀測器法、反電勢法、自適應(yīng)觀測器等[4-6]，第二類的高頻注入法、電感間接檢測估計(jì)法等算法[7-9]。但這兩類方法均存在不足，目前還沒有一種完善的無傳感器控制算法能達(dá)到傳統(tǒng)傳感器測量水準(zhǔn)，必須采取多種控制策略相結(jié)合的方法，才能使永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)獲得較高的性能[10]。

模型參考自適應(yīng)(MRAS)法是一種常用的無傳感器控制方法,在電機(jī)中高速階段具有較好的位置辨識精度,本文在此基礎(chǔ)上研究了一種改進(jìn)后的MRAS無傳感器控制策略，用于永磁同步電機(jī)中高速段轉(zhuǎn)子位置和速度的觀測，同時(shí)在電機(jī)啟動及低速階段采用I/F流頻比控制策略以及算法切換策略，該策略適用于壓縮機(jī)用永磁同步電機(jī)全速度范圍運(yùn)行工況。

1基于改進(jìn)MRAS控制策略

永磁同步電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子磁鏈數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中,ψd、ψq分別為定子d、q軸磁鏈;Rs、Ls分別為定子電阻、電感；Ud、Uq分別為定子d、q軸電壓；ψf為永磁體磁鏈；ωr為轉(zhuǎn)子角速度。

令

構(gòu)造參數(shù)可調(diào)的估算磁鏈模型為

(2)

定義廣義誤差為

(3)

式(1)與式(2)相減得

e=Ae-J ω

(4)

取D=I,有v=De=Ie=e。其中,D為矩陣增益矢量;v為自適應(yīng)矢量。

將v及ω代入積分不等式,得

(5)

(6)

其中,F1(v,t,τ)、F2(v,t)為比例積分形式的函數(shù),將式(6)代入式(5)中可得

(7)

上式可拆分成：

(8)

(9)

則

對式(9)兩邊求導(dǎo),得

(10)

(11)

為了避免采用純積分得到實(shí)際的定子磁鏈導(dǎo)致的磁鏈計(jì)算不準(zhǔn)確,本文采用由電流模型計(jì)算得到ψd和ψq：

(12)

式中,Ld、Lq分別為定子d、q軸電感;Id、Iq分別為d、q軸電流。

由于電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中,定子電阻會有一定的變化,從而引起磁鏈估測的偏差,本文提出一種反饋誤差校正法來削弱或消除此偏差。即在比較參考模型與可調(diào)模型的磁鏈值后，得到一個(gè)誤差值，經(jīng)過低通濾波后再利用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行誤差校正，最后反饋進(jìn)入可調(diào)模型。因此，整個(gè)反饋誤差校正法框圖如圖1所示。

圖1　反饋誤差校正框圖

圖2　基于改進(jìn)型MRAS的控制框圖

2永磁同步電機(jī)啟動與切換策略

永磁電機(jī)運(yùn)行在中高速時(shí),可采用MRAS無速度傳感器控制,但在啟動與低速階段的轉(zhuǎn)子位置估測不理想,需采用其他控制策略,并實(shí)現(xiàn)算法間的切換[11]。本文應(yīng)用I/F流頻比控制策略來進(jìn)行永磁電機(jī)的啟動，此策略優(yōu)點(diǎn)在于啟動電流可控，且具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動能力，能夠適應(yīng)壓縮機(jī)負(fù)載多變的特殊工況。采用I/F控制時(shí),電機(jī)頻率由斜坡指令給定，位置角通過其積分所得θ*=∫ω′dt。I/F控制框圖見圖3。

圖3　I/F控制策略框圖

圖4　dq與坐標(biāo)矢量圖

如圖5所示,軟件開關(guān)都從1的位置切換到2的位置，實(shí)現(xiàn)速度、電流的雙閉環(huán)。由于在切換前,MRAS控制已能很好地觀測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置,θL也可實(shí)時(shí)獲得,在切換時(shí)采用坐標(biāo)變換的方式將控制量換至dq坐標(biāo)系下。整個(gè)切換過程只是對控制量進(jìn)行了坐標(biāo)變換，平穩(wěn)性影響不大，速度、轉(zhuǎn)矩?zé)o沖擊。

圖5　PMSM無傳感器全速度運(yùn)行策略控制框圖

綜上所述，壓縮機(jī)用PMSM無傳感器全速度運(yùn)行策略控制框圖如圖5所示，其中ωdref為給定的電機(jī)轉(zhuǎn)速，Uα、Uβ為變換至αβ坐標(biāo)系下的電壓，Udc為直流母線電壓。

3仿真研究

本文用MATLAB仿真來驗(yàn)證所提出的控制策略。電機(jī)參數(shù)見表1。仿真采用離散系統(tǒng)，對真實(shí)數(shù)字控制的環(huán)境進(jìn)行模擬。

表1　永磁同步電機(jī)的主要參數(shù)

(a)估測與實(shí)際的轉(zhuǎn)子位置仿真波形

(b)估測誤差仿真波形圖6　轉(zhuǎn)速600 r/min時(shí)采用MRAS估測的轉(zhuǎn)子位置與角度誤差

圖7　采用MRAS的0.9Rs和Rs下磁鏈仿真波形

圖8為永磁同步電機(jī)采用本文所述控制策略從啟動至800 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)速及q軸電流仿真波形。低速時(shí)采用I/F速度開環(huán)、電流閉環(huán)啟動，因?yàn)榈退贂r(shí)壓縮機(jī)峰值負(fù)載較輕，故在d*q*坐標(biāo)系下,q軸電流取8 A。仿真所見,0.12 s時(shí)的轉(zhuǎn)速已增至200 r/min左右，按照上述切換策略，切換至MRAS無傳感器控制策略，此時(shí)q軸電流采用斜坡遞減的方式減至2 A。當(dāng)在0.1 s切換時(shí)，根據(jù)上文提及的轉(zhuǎn)矩-功角自平衡原理，相位差角θL會隨著電流的減小而相應(yīng)減小，呈現(xiàn)一定規(guī)律,但是θL的減小過程是緩慢的，這一過程轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化不大，切換結(jié)束后，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)升至800 r/min。由圖8可見,整個(gè)過程轉(zhuǎn)速基本可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平滑的控制。

(a)電機(jī)啟動至800 r/min的轉(zhuǎn)速波形

(b)q軸電流波形圖8　本文所提控制策略轉(zhuǎn)速與q軸電流仿真波形

4實(shí)驗(yàn)波形及分析

建立實(shí)驗(yàn)平臺，對一臺7.5 kW永磁同步電機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，來進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提控制策略的正確性。電機(jī)參數(shù)與表1一致，采用TM-F28335為控制核心,開關(guān)頻率為5 kHz，以一臺與永磁同步電機(jī)對轉(zhuǎn)的三相異步電動機(jī)為可變負(fù)載，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖9所示。

圖9　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖10為電機(jī)帶半載、穩(wěn)定運(yùn)行在800 r/min時(shí)的估測轉(zhuǎn)子位置。由圖可見，基于改進(jìn)的MRAS無傳感器控制策略能夠很好地檢測出轉(zhuǎn)子位置。圖11為此時(shí)電機(jī)估計(jì)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的對比波形，根據(jù)圖10和圖11可以看出改進(jìn)后的MRAS控制策略能夠很好地辨識電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置，并具有良好的動態(tài)性能與跟蹤精度。

圖10　轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)估測的轉(zhuǎn)子位置

圖11　電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)波形

圖12a為電機(jī)采用I/F控制策略啟動瞬間的三相電流波形。采用初始位置預(yù)定位法,連續(xù)施加兩次相互垂直的定位電流,使轉(zhuǎn)子預(yù)定位在特定位置。待轉(zhuǎn)速上升至200 r/min，切換至基于MRAS的無傳感器控制策略，電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的電流波形如圖12b所示，此時(shí)電流波形正弦性較好，且未出現(xiàn)失控現(xiàn)象。圖12c為實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)速波形，I/F帶負(fù)載運(yùn)行后，在200 r/min時(shí)進(jìn)行切換，由圖可見，切換時(shí)刻轉(zhuǎn)速變化不大，整個(gè)過程轉(zhuǎn)速較為平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所采用的控制策略的可行性。

(a)電機(jī)啟動瞬間電流波形

(b)切換時(shí)刻及MRAS控制電流波形

(c)轉(zhuǎn)速波形圖12　本文所提控制策略電流和轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)波形

5結(jié)語

為了適應(yīng)壓縮機(jī)永磁同步電機(jī)無傳感器全速度運(yùn)行的工況要求，本文研究了一種啟動及低速段采用I/F控制策略、中高速階段采用改進(jìn)MRAS策略的結(jié)合控制策略。采用的I/F策略與切換策略具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動能力，能夠適應(yīng)壓縮機(jī)啟動過程中負(fù)載多變的工況；改進(jìn)的MRAS控制算法，提出用反饋誤差校正法來削弱定子電阻參數(shù)變化對磁鏈觀測器的影響。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了所提控制算法的有效性。

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(編輯王旻玥)

Study on Sensorless Control Strategy of PMSM for Compressor at Full Speed Range

Deng JianguoCai Yahui Huang ShoudaoLi Yaxiong

Hunan University,Changsha,410082

Abstract:A method applyed for compressor with PMSM sensorless and full speed range operation conditions was presented. An I/F control strategy with speed open-loop and current closed-loop was used at start-up and low speed stage of the motor.Sensorless control strategy which was based on an improved model reference adaptive system was used at middle or high-speed stages,and realized no impact switch of two control strategies. The analysis results of simulations and experiments prove the validity of this method.

Key words:compressor;permanent magnet synchronous motor(PMSM);model reference adaptive system;sensorless control

作者簡介：鄧建國，男，1956年生。湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授、博士。研究方向?yàn)殡姍C(jī)電器與電機(jī)傳動。發(fā)表論文10余篇。蔡亞輝(通信作者),男,1990年生。湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院碩士研究生。黃守道，男，1962年生。湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。李亞雄,男,1989年生。湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院碩士研究生。

中圖分類號：TM341

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.06.011

基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(200805321038)

收稿日期：2015-05-18