陳 震，薛曉明

(1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，泰州 225300；2.常州信息技術(shù)學(xué)院，常州 213164)

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風(fēng)機(jī)用永磁同步電機(jī)無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測方法

陳 震1，薛曉明2

(1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，泰州 225300；2.常州信息技術(shù)學(xué)院，常州 213164)

針對目前無傳感器檢測永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置方法存在對電機(jī)參數(shù)敏感的問題，提出一種通過控制直軸電流為零估算轉(zhuǎn)子位置信息的新方法?；谥陛S電流PI調(diào)節(jié)器中輸出電壓中包含轉(zhuǎn)子位置誤差信息，通過控制直軸電流為零，進(jìn)而通過控制轉(zhuǎn)子位置鎖相環(huán)跟蹤比例積分控制器的轉(zhuǎn)子位置趨于零來估算出轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明：提出的無傳感器算法只需永磁磁鏈，無需其它電機(jī)參數(shù)，算法十分簡單，在20%額定轉(zhuǎn)速以上都能準(zhǔn)確地檢測到轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，適用于功率等級寬泛的暖通、工業(yè)凈化風(fēng)機(jī)用永磁同步電機(jī)。

直軸電流調(diào)節(jié)器；鎖相環(huán);比例積分控制器；無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測；風(fēng)機(jī)用永磁同步電機(jī)

0 引 言

近年來，隨著電力電子技術(shù)、變頻控制與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法高性能、低成本微處理器的快速發(fā)展，矢量控制永磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡稱PMSM)，在寬速度、寬負(fù)載范圍內(nèi)具有高效率、低噪聲和精準(zhǔn)速度控制等特點(diǎn)，成為廠房凈化、建筑暖通工程、通信基站、軌道車輛等領(lǐng)域風(fēng)機(jī)配套的優(yōu)選電機(jī)[1-2]。基于矢量控制的PMSM必須實(shí)時(shí)檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和速度。常用轉(zhuǎn)子位置檢測采用機(jī)械傳感器(編碼器、解算器和測速發(fā)電機(jī))，但機(jī)械傳感器有安裝、電纜連接、故障等問題,不僅增加了系統(tǒng)的體積和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而且降低了系統(tǒng)可靠性。為了解決機(jī)械傳感器存在的各種缺陷，許多文獻(xiàn)報(bào)道了許多學(xué)者開展無傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置的研究成果。

目前，無機(jī)械傳感器法主要包括高頻信號注入法和估算法。高頻信號注入法需要電機(jī)轉(zhuǎn)子具有凸極性的結(jié)構(gòu)，不適用隱極式永磁同步電機(jī)[3-4]。估算法主要有反電動(dòng)勢法、模型參考自適應(yīng)法、滑模觀測器法、擴(kuò)展卡爾曼濾波法等。反電動(dòng)勢法利用電機(jī)基波電壓和電流信號計(jì)算轉(zhuǎn)子位置和速度，方法簡單，應(yīng)用廣泛，但對電機(jī)參數(shù)的變化很敏感，適應(yīng)性較差[5]。滑模觀測器法有較好的魯棒性，但存在低速抖振現(xiàn)象[6-7]。擴(kuò)展卡爾曼濾波法需要繁雜的矩陣運(yùn)算，實(shí)時(shí)性較差[8]。模型參考自適應(yīng)法只能在中速檢測到準(zhǔn)確的位置，在低速和高速時(shí)檢測誤差較大[9-10]。

為此，本文提出了通過控制直軸電流為零提取轉(zhuǎn)子位置信息的控制技術(shù)。提出的方法應(yīng)用傳感器檢測到電機(jī)的三相電流后，利用Clarke變換和Park變換將三相電流變換為兩相交直軸電流，然后從直軸電流PI控制器產(chǎn)生轉(zhuǎn)子位置誤差電壓送到鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與位置估算器，根據(jù)逆變器開關(guān)工作頻率選擇估算器中PI控制增益參數(shù)，通過控制直軸電流使其為零，估算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無傳感器電機(jī)控制。文中對提出的方法進(jìn)行了理論分析，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出方法的正確性。

1 無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測原理

由于無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測不像機(jī)械傳感器可以直接測量，而是基于估算，因此在實(shí)際轉(zhuǎn)子位置θ和估算位置θe之間必然存在誤差Δθ。設(shè)實(shí)際轉(zhuǎn)子位置兩相靜止坐標(biāo)系為α-β，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為d-q坐標(biāo)系，而基于估算轉(zhuǎn)子位置的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為r-δ坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 不同參考坐標(biāo)系關(guān)系圖

根據(jù)PMSM特性，基于α-β坐標(biāo)系的PMSM定子電壓方程：

(1)

定義變換矩陣：

(2)

則r-δ坐標(biāo)系下的定子電壓、電流可以表示：

(3)

(4)

將式(1)、式(2)、式(4)代入式(3)可以得到r-δ坐標(biāo)系下的PMSM電壓方程：

(5)

式中:Vα,Vβ,Vr,Vδ分別表示定子繞組α-β軸和r-δ軸電壓分量；iα,iβ,ir,iδ分別表示定子繞組α-β軸和r-δ軸電流分量；Ls,Rs分別表示定子電感和電阻；φ表示轉(zhuǎn)子永磁磁極產(chǎn)生的磁鏈；ω表示轉(zhuǎn)子電氣角速度。

圖2為無位置傳感器矢量控制PMSM方框圖。圖中前向耦合電壓：

(6)

將測量的電流經(jīng)Clarke和Park代入式(5)可得估算旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交直軸電壓。

圖2 無位置傳感器矢量控制PMSM方框圖

(7)

將式(7)減去式(6)得到交直軸電壓的誤差：

(8)

式中:ωe為估算的轉(zhuǎn)子角速度。

(9)

變換式(9)可得轉(zhuǎn)子位置誤差Δθ：

(10)

若可以得到實(shí)際轉(zhuǎn)子位置θ，則可利用圖3的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，獲得估算轉(zhuǎn)速ωe及估算轉(zhuǎn)子位置θe。

圖3 鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與位置估算方框圖

由圖3可得鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與位置估算的傳遞函數(shù)：

(11)

若鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與位置估算的頻寬為ωv，為了保證快速無振蕩的估算轉(zhuǎn)子位置，取阻尼比ξ為1，則特征參數(shù)：

(12)

(13)

根據(jù)式(12)、式(13)可獲得鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子位置估算比例增益Kp和積分增益Ki分別：

(14)

(15)

通常速度環(huán)的頻寬取PWM調(diào)制頻率的1/10，即50～200 Hz[11]?？紤]到系統(tǒng)逆變器的非線性以及電流測量誤差等因素，鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子位置估算的頻寬一般為速度環(huán)的頻寬2～6倍[12]。

事實(shí)上，實(shí)際轉(zhuǎn)子位置θ是未知的，但可以應(yīng)用式(10)獲取轉(zhuǎn)子位置誤差信息，即從d軸PI電流調(diào)節(jié)器輸出電壓中提取，具體轉(zhuǎn)子位置估算的框圖如圖2的速度與位置估算器部分。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證提出方法的正確性，在一套應(yīng)用永磁同步電機(jī)的中央空調(diào)用風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。電機(jī)參數(shù)：額定功率400 W，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，電機(jī)極數(shù)8極，永磁磁鏈為0.704 Wb，逆變器開關(guān)頻率15 kHz。根據(jù)提出的理論，鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與位置估算的頻寬為ωv取為300 rad/s，PI控制器的比例增益設(shè)置為600，積分增益設(shè)置為90 000。

圖4給出了給定速度指令ω*在300 r/min和1 500 r/min時(shí)估算速度ωe和實(shí)測速度ω、估算位置θe和實(shí)測位置θ的變化情況。從圖4中可以看出，不同給定速度下ω*,估算速度ωe、估算位置θe和實(shí)測速度ω、實(shí)測位置θ完全吻合。

(a) ω*=300 r/min

(b) ω*=1 500 r/min

圖5給出了給定速度ω*在300 r/min和1500 r/min時(shí)，估算位置θe和估算位置差Δθ的變化情況。從圖5中可以看出，不同的給定速度下ω*，穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子位置誤差Δθ都接近于零。

給定轉(zhuǎn)速命令ω*從500 r/min變到300 r/min再變到1500 r/min時(shí)，給定轉(zhuǎn)速ω*、實(shí)測轉(zhuǎn)速ω、估算轉(zhuǎn)速ωe和q軸電流iq的變化情況如圖6所示?？梢钥闯觯谒矐B(tài)和穩(wěn)態(tài)時(shí)估算轉(zhuǎn)速都能較好地跟蹤給定轉(zhuǎn)速。

(a) ω*=300 r/min

(b) ω*=1 500 r/min

圖6 給定轉(zhuǎn)速ω*階躍變化時(shí),給定轉(zhuǎn)速ω*、實(shí)測速度ω、估算速度ωe及其交軸電流iq變化情況

3 結(jié) 語

本文提出了通過控制直軸電流為零提取轉(zhuǎn)子位置信息無傳感器控制技術(shù)。將直軸電流調(diào)節(jié)器輸出的包含轉(zhuǎn)子位置誤差信息直軸電壓輸入到鎖相環(huán)速度位置估算器，通過控制直軸電流為零，估算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。估算器的頻寬可選擇為逆變器PWM頻率的1/5～3/5，估算器的PI控制增益參數(shù)可根據(jù)頻寬計(jì)算獲得。實(shí)驗(yàn)表明，提出的方法不依賴于電機(jī)模型，只需轉(zhuǎn)子磁鏈，無需其它電機(jī)參數(shù)，算法十分簡單，在20%額定轉(zhuǎn)速以上都能準(zhǔn)確地檢測到轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，適用于功率等級寬泛的暖通、工業(yè)凈化風(fēng)機(jī)用永磁同步電機(jī)。

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Rotor Position Detection Method of Sensorless Permanent Magnet Synchronous Motor for Fans

CHEN Zhen1，XUE Xiao-ming2

(1.Taizhou Polytechnic College，Taizhou 225300,China;2.Changzhou College of Information Technology,Changzhou 213164,China)

For the problem of sensitivity to motor parameters during detecting rotor position of sensorless PMSM, a new method to estimate the rotor position was put forward by controlling direct axis current through zero. This method was based on the rotor position deviation information of direct axis current PI regulator output voltage, by controlling the direct axis current and the rotor position of phase-locked loop tracking PI controller to estimate the rotor position and speed. Theoretical analysis and experimental results show that the proposed sensorless algorithm only needs permanent magnet flux linkage, without other electrical parameters; the algorithm is very simple, and can accurately detect the rotor position and speed above 20% of rated speed. It is suitable for permanent magnet synchronous motor of ventilating and industrial cleaning fan with a wide range power grade.

direct axis current regulator; phase-locked loop; PI controller; sensorless rotor position detection; PMSM for fans

2015-07-20

TM341；TM351

A

1004-7018(2016)03-0058-04

陳震(1976-)，男，副教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制與電力電子技術(shù)。