潘元璋 趙龍龍

(91388部隊(duì) 湛江 524022)

UUV推進(jìn)電機(jī)無位置傳感器控制方法研究*

潘元璋 趙龍龍

(91388部隊(duì) 湛江 524022)

永磁電機(jī)以其體積重量小,功率密度大的優(yōu)勢廣泛作為水下無人航行器(UUV)的推進(jìn)電機(jī)使用,無位置傳感器控制方法是永磁電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。論文剖析了已有的兩種典型直接估算方法,提出了一種的無位置傳感器控制方法。通過計(jì)算出定子磁鏈?zhǔn)噶拷俏灰婆c轉(zhuǎn)矩角,將后者從前者中減去得到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康慕俏灰七M(jìn)而得到轉(zhuǎn)子速度信號(hào),并采用改進(jìn)積分器取代傳統(tǒng)的積分器,該技術(shù)能有效地改善磁鏈原點(diǎn)漂移,提高直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的磁鏈角位移與轉(zhuǎn)速的求解精度。仿真及實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明,這種無位置傳感器技術(shù)的永磁電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng),具有良好的調(diào)速控制性能。

無人水下航行器; 永磁電動(dòng)機(jī); 無位置傳感器

1 引言

水下無人航行器(UUV)廣泛采用永磁電機(jī)作為推進(jìn)電機(jī),其調(diào)速控制系統(tǒng)中,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置是由傳感器、光電編碼器等測得。因受傳感器精度的限制,這種方式的調(diào)速精度難以得到保證,且由于傳感器的引入,增加了成本,降低了可靠性,并使永磁電動(dòng)機(jī)體積無法進(jìn)一步減小,限制了永磁電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用,因此采用無位置傳感器技術(shù)就成為了永磁電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。無位置傳感器技術(shù)的發(fā)展大體上經(jīng)歷了兩代[1],第一代采用無傳感器矢量控制技術(shù)的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速精度不高,可以正常工作的調(diào)速范圍也有限,在低速時(shí)機(jī)械特性很軟且誤差變得很大。第二代無傳感器技術(shù)與先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合,有更高的精度和更好的動(dòng)態(tài)特性。本文剖析了兩種基于電磁關(guān)系的典型無傳感器直接估算方法,提出了一種新型的適用于直接轉(zhuǎn)矩控制的無位置傳感器技術(shù)。通過分別計(jì)算出定子磁鏈?zhǔn)噶拷俏灰婆c轉(zhuǎn)矩角,將后者從前者中減去得到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康慕俏灰七M(jìn)而得到轉(zhuǎn)子速度信號(hào),并采用改進(jìn)積分器取代傳統(tǒng)的積分器,該技術(shù)能有效地改善磁鏈原點(diǎn)漂移,提高直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的磁鏈角位移與轉(zhuǎn)速的求解精度。仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。

2 基于電磁關(guān)系的典型估算方法

永磁電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理是[2]:在轉(zhuǎn)子磁鏈恒定的情況下,保持定子磁鏈幅值不變,通過控制定子磁鏈瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度來動(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)矩角,使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩跟蹤給定轉(zhuǎn)矩,達(dá)到調(diào)速控制目的。

在無傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中,永磁電動(dòng)機(jī)既是執(zhí)行元件,也是傳感元件,基于電機(jī)電磁關(guān)系的位置估算方法的關(guān)鍵就是根據(jù)測量得到的電動(dòng)機(jī)電流、電壓信號(hào)來估計(jì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置。

2.1 基于定子磁鏈的估算方法

PMSM在d-q坐標(biāo)系下方程的矩陣形式為

(1)

坐標(biāo)變換至靜止α-β坐標(biāo)系下:

(2)

α軸和β軸定子磁鏈分量分別為

通過對轉(zhuǎn)子位置角求導(dǎo),可得到轉(zhuǎn)速估算值:

(3)

該方法利用反電勢積分的方法來估計(jì)磁鏈,僅用到電機(jī)定子電阻參數(shù),因而受電機(jī)參數(shù)影響小,但傳統(tǒng)積分器觀測方法存在積分初值問題,會(huì)造成觀測磁鏈的偏差,引起定子磁鏈和定子電流在復(fù)平面上的軌跡偏離原點(diǎn),此問題在電機(jī)轉(zhuǎn)速低于20%額定轉(zhuǎn)速時(shí)尤其嚴(yán)重。

2.2 基于定子電壓、電流的直接估算方法

(4)

將式(4)代入式(1),可得:

由上式經(jīng)推導(dǎo)得到轉(zhuǎn)子位置角:

(5)

式中,A=uα-Riα-Ldpia+ωiβ(Lq-Ld),B=-uβ+Riβ+Ldpiβ+ωiα(Lq-Ld)。

由此可見,轉(zhuǎn)子位置角θ可由定子端電壓、電流及轉(zhuǎn)子角速度ω來表示,對于表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的PMSM,有Ld=Lq=L,則ω可由下式得到:

(6)

式中,C=(uα-Riα-Lpiα)2+(uβ-Riβ-Lpiβ),D=ψf。

將上式求出的ω代入式(5),得轉(zhuǎn)子位置角θ。

該方法的特點(diǎn)是計(jì)算簡單,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,幾乎沒有什么延遲,但對電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確性要求比較高。由于電機(jī)參數(shù)隨其運(yùn)行狀況變化而變化(例如溫度的升高),因而會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速和位置的估算值偏離真實(shí)值。

3 無位置傳感器控制方法

上述兩種典型方法優(yōu)點(diǎn)是直觀性強(qiáng),從理論上講速度的計(jì)算沒有延時(shí)。但兩種方法在計(jì)算過程中都用到電機(jī)參數(shù),而電機(jī)參數(shù)在實(shí)際運(yùn)行過程中是變化的,如果沒有參數(shù)辨識(shí)環(huán)節(jié),計(jì)算精度將受到嚴(yán)重影響,而且兩種方法缺少自身的誤差校正環(huán)節(jié),難以保證系統(tǒng)的抗干擾性能,魯棒性較差。

基于定子磁鏈的估算方法,是通過反電勢積分得到定子磁鏈?zhǔn)噶?利用定子磁鏈?zhǔn)噶康姆至筷P(guān)系得到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶吭谀骋粫r(shí)刻的角位移,該估算方法不可避免地存在以下問題[3]:

1) 定子磁鏈值是由定子反電勢經(jīng)傳統(tǒng)積分器積分而來,使用傳統(tǒng)積分器會(huì)遇到直流分量造成的磁鏈軌跡原點(diǎn)漂移等問題,從而引起定子磁鏈觀測的偏差。

2) 轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶吭谀骋粫r(shí)刻的角位移是利用定子磁鏈?zhǔn)噶康姆至筷P(guān)系得到的,因此,定子磁鏈觀測準(zhǔn)確與否,將直接影響轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶拷俏灰频墓浪憔取?/p>

圖1為永磁電機(jī)定、轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)下的磁鏈?zhǔn)噶筷P(guān)系圖。在無傳感器的永磁電機(jī)控制系統(tǒng)中,若先計(jì)算定子磁鏈?zhǔn)噶喀譻的角位移∠ψs,再求得穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐g的轉(zhuǎn)矩角δ,由∠ψs-δ得到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶拷俏灰痞?則可提高轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估算準(zhǔn)確度[4～5]。

圖1 磁鏈?zhǔn)噶渴疽鈭D

本文所提出的適用于直接轉(zhuǎn)矩控制的無位置傳感器技術(shù),正是基于上述思路并采用一種幅值限定的改進(jìn)積分器計(jì)算定子磁鏈,具體方法如下。

在靜止坐標(biāo)系下的定子磁鏈可以被描述為

(7)

在逆變器每一個(gè)開關(guān)周期中,電壓矢量us都是不變化的,上式也可寫作

若定子電壓矢量在定子同步旋轉(zhuǎn)D-Q坐標(biāo)系下的分量為uD和uQ,則D-Q坐標(biāo)系下k時(shí)刻的定子磁鏈分量為

定子磁鏈、轉(zhuǎn)矩可分別由式(8)、(9)給出:

(8)

(9)

電機(jī)轉(zhuǎn)矩也可用磁鏈幅值的形式表示為

(10)

將每一時(shí)刻的磁鏈與電流值代入式(9),可計(jì)算出該時(shí)刻的T(k)的值,將求出的T(k)的值帶入式(10)可得到轉(zhuǎn)矩角δ(k),由式(8)可得到定子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g角位移∠ψs(k)。由于定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角為轉(zhuǎn)矩角δ(k),那么轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶拷俏灰瓶捎伞夕譻-δ求出,再經(jīng)過微分環(huán)節(jié)就得到了轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康乃俣刃盘?hào),即

(11)

在定子磁鏈估算環(huán)節(jié),本文采用一種幅值限定的改進(jìn)積分器替代傳統(tǒng)積分器[6],得到的輸出波形是一個(gè)有限幅的正弦波,能較大地改善波形扭曲問題。

圖2為改進(jìn)型積分器的原理,該積分器放大通路是一階慣性環(huán)節(jié),另外由輸出引出一路反饋信號(hào),經(jīng)過限幅,對慣性環(huán)節(jié)帶來的幅值和相位誤差進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)際上這種積分器相當(dāng)于一個(gè)截至頻率可調(diào)的慣性環(huán)節(jié)。如果輸入為理想正弦,它的截止頻率就是0,如果輸入的誤差導(dǎo)致積分器的輸出發(fā)生漂移,這時(shí)反饋環(huán)節(jié)的飽和作用就體現(xiàn)出來,零漂越大,反饋?zhàn)饔迷饺?積分器的截止頻率越大。

圖2 改進(jìn)積分器框圖

4 仿真及實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文所提出的新型無傳感器技術(shù)的有效性,利用Matlab/Simulink對永磁電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。圖3是系統(tǒng)仿真中使用改進(jìn)積分器與傳統(tǒng)積分器的對比,仿真結(jié)果表明,改進(jìn)積分器能有效抑制磁鏈計(jì)算中的累積誤差。圖4(a)是直接轉(zhuǎn)矩控制理想圓形磁鏈軌跡,圖4(b)反映了采用改進(jìn)積分器對原點(diǎn)漂移的抑制。

圖3 磁鏈計(jì)算累積誤差的抑制

圖4 定子磁鏈軌跡及原點(diǎn)漂移的抑制

本文以1臺(tái)12kW,1500rpm表面貼磁式永磁電動(dòng)機(jī)為對象,進(jìn)行了直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究,取得了較好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速控制性能。

圖5為電機(jī)的轉(zhuǎn)速響應(yīng),圖中曲線1為從1000rpm階躍至1200rpm的給定轉(zhuǎn)速曲線,曲線2為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。圖6為實(shí)際轉(zhuǎn)速和估計(jì)轉(zhuǎn)速的比較,曲線1為估計(jì)轉(zhuǎn)速曲線,曲線2為利用碼盤實(shí)測速度曲線。可以看出,穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速估計(jì)較為精確,瞬態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速估計(jì)存在一定誤差,但能滿足系統(tǒng)調(diào)速控制的實(shí)際需要。

圖5 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖6 實(shí)測轉(zhuǎn)速與估算轉(zhuǎn)速曲線

5 結(jié)語

仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所提出的新型無傳感器技術(shù),能改善原點(diǎn)漂移的問題,對磁鏈計(jì)算中的誤差累積有較好的抑制作用,可提高直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的磁鏈角位移與轉(zhuǎn)速的求解精度,并實(shí)際應(yīng)用于永磁電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中,顯示了良好的調(diào)速控制性能。

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Position-Sensorless Control Mode for UUV’s Propulsive Motor

PAN Yuanzhang ZHAO Longlong

(No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

Permanent magnet motor has been extensive used as unmanned underwater vehicle’s propulsive motor with the advantages such as small-volume, light-weight and high power density, and the sensorless technique is one of development direction of permanent magnet motor variable-speed system. Two typical direct estimation methods of speed and rotor position are analyzed and a novel sensorless technique in permanent magnet motor direct torque control (DTC) system is put forward in this paper. By calculating stator flux angle and torque angle, then subtracting torque angle from stator flux angle to obtain the rotor position and velocity, and using improved integrator instead of traditional one, this novel technique can restrain origin drift and improve estimation accuracy of speed and rotor position in DTC system. The result of simulation and test shows that good control performance can be obtain in permanent magnet motor DTC system by using this new technique.

unmanned underwater vehicle, permanent magnet motor, sensorless

TP212

2016年9月3日,

2016年10月27日

潘元璋,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:水下靶標(biāo)。趙龍龍,男,碩士研究生,高級(jí)工程師,研究方向:水下靶標(biāo)。

TP212

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.012