謝 樂(lè)，丁學(xué)明，鄭照平

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093;2.上海雄博精密儀器股份有限公司,上海200444)

基于永磁同步電機(jī)的雙模矢量控制器設(shè)計(jì)

謝 樂(lè)1，丁學(xué)明1，鄭照平2

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093;2.上海雄博精密儀器股份有限公司,上海200444)

在永磁同步電機(jī)矢量控制應(yīng)用中，位置傳感器損壞或信號(hào)傳輸異常時(shí)，易導(dǎo)致嚴(yán)重事故或給用戶帶來(lái)不便。針對(duì)此問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一種有、無(wú)位置傳感器雙模式矢量控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)觀測(cè)器增益K和鎖相環(huán)PI參數(shù)，使得帶鎖相環(huán)的Luenberger觀測(cè)器能夠跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)子位置，當(dāng)位置信號(hào)異常時(shí)，控制器可以自動(dòng)從有位置傳感器模式平滑切換到無(wú)位置傳感器模式運(yùn)行。

永磁同步電機(jī)；矢量控制；Luenberger觀測(cè)器；平滑切換

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)的勵(lì)磁由永磁體提供，磁動(dòng)勢(shì)、電壓和電流均為正弦波形，其具有控制性能好、調(diào)速范圍寬、運(yùn)行平穩(wěn)、效率高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，且與永磁無(wú)刷直流電機(jī)相比，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和鐵芯損耗更小，近年來(lái)已得到廣泛應(yīng)用。

永磁同步電機(jī)的高性能控制一般采用矢量控制算法，這需要精確的轉(zhuǎn)子位置信息。獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方式有兩種：一種是通過(guò)位置傳感器來(lái)獲取；另一種方法是通過(guò)控制算法來(lái)估算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，比如磁鏈觀測(cè)器法[3]、擴(kuò)展卡爾曼濾波法[4]等。目前，永磁同步電機(jī)的位置檢測(cè)以霍爾傳感器為主，采用機(jī)械式位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置可靠性最高，其在全速度范圍內(nèi)都能獲得高精確度的位置與速度信號(hào)[5-6]。但在實(shí)際應(yīng)用中，內(nèi)置式位置傳感器往往容易發(fā)生損壞，市場(chǎng)調(diào)查得知電動(dòng)自行車(chē)用電機(jī)產(chǎn)生的故障80%源自霍爾元件的故障[7-8]。在某些情況下，位置傳感器一旦發(fā)生損壞，極易造成嚴(yán)重的安全事故或給用戶帶來(lái)不便。

針對(duì)上述問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一種雙模式矢量控制器，使得電機(jī)在有霍爾傳感器運(yùn)行過(guò)程中，能夠通過(guò)Luenberger觀測(cè)器和鎖相環(huán)相結(jié)合的方法，估算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置和轉(zhuǎn)速的跟蹤，以使當(dāng)霍爾傳感器故障時(shí)，能夠迅速且平滑的切換到無(wú)位置傳感器控制模式，使得電機(jī)繼續(xù)保持正常運(yùn)行，大幅增強(qiáng)了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的安全性和可靠性。

1 轉(zhuǎn)子位置信息獲取

1.1 有霍爾傳感器位置信息的獲取

對(duì)于永磁同步電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)3個(gè)霍爾元件會(huì)產(chǎn)生三相霍爾信號(hào)[9]。 如圖1所示，隨著三相霍爾的每一次輸出狀態(tài)改變，電角度也隨之改變。在實(shí)際應(yīng)用中，需要定義零度角位置，比如定義A相上升沿為零度角位置，則三相霍爾異或后的狀態(tài)改變順序?yàn)?-4-6-2-3-1，狀態(tài)改變一次則電角度改變60°。

圖1 永磁同步電機(jī)三相霍爾信號(hào)

1.2 無(wú)位置傳感器時(shí)位置信息的獲取

相對(duì)于通過(guò)位置傳感器獲取角度信息，無(wú)位置傳感器控制算法則較為復(fù)雜。在本文中主要討論了Luenberger觀測(cè)器算法對(duì)于位置信息的估算。通過(guò)狀態(tài)重構(gòu)，設(shè)計(jì)一個(gè)帶輸出反饋的閉環(huán)觀測(cè)器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于所需狀態(tài)變量的觀測(cè)[10-11]。

兩相靜止坐標(biāo)系下的PMSM數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中，iα,iβ,vα，vβ，eα，eβ為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流、電壓和反電勢(shì)；ωr為轉(zhuǎn)子電角速度；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；Ls為α、β軸電感；Rs為電樞電阻。其中狀態(tài)矢量為x=[iα,iβ,eα,eβ]，輸入矢量為u=[vα,vβ]，輸出矢量為y=[iα,iβ]。

基于上述狀態(tài)方程，可以設(shè)計(jì)出針對(duì)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的Luenberger觀測(cè)器，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 閉環(huán)觀測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖

永磁同步電機(jī)狀態(tài)觀測(cè)器數(shù)學(xué)模型下

(2)

可表示為

(3)

由現(xiàn)代控制理論可知，狀態(tài)反饋會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，要使反饋構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定，需要確定觀測(cè)器增益矩陣K，使A-KC為穩(wěn)定矩陣[10]，即需使(A-KC)的特征值均具有負(fù)實(shí)部。系統(tǒng)特征矩陣為

(4)

特征值根為

(5)

(6)

上述觀測(cè)器方案實(shí)際是利用已知量vα，vβ，iα，iβ估算出反電動(dòng)勢(shì)eα，eβ，反電勢(shì)中含有角度信息，但是由于觀測(cè)器觀測(cè)到的反電勢(shì)耦合有很多干擾信號(hào)，為了獲取精確的角度信息，所以采用鎖相環(huán)(Phase-locked Loop,PLL)的方法來(lái)提取轉(zhuǎn)子的位置信息[12-13]，鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

其中通過(guò)PI控制器調(diào)節(jié)速度輸出值來(lái)使得輸入值保持為0，即相當(dāng)于估計(jì)的角度不停的跟蹤實(shí)際的角度。

2 雙模矢量控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由霍爾傳感器的原理可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子(永磁體)磁極轉(zhuǎn)過(guò)霍爾傳感器附近時(shí)，會(huì)發(fā)出一個(gè)高電平或低電平信號(hào)[14]。上文已經(jīng)說(shuō)明，當(dāng)三相霍爾信號(hào)正常時(shí)，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，三相霍爾信號(hào)會(huì)按照固定的順序(011-010-110-100-101-001)變化，從而獲取當(dāng)前的實(shí)時(shí)位置信息。所以，若是(1)三相霍爾信號(hào)中出現(xiàn)111或000時(shí)；(2)霍爾組合信號(hào)不是按照上述順序變化時(shí)，則表明至少有一相霍爾損壞或信號(hào)傳輸電路故障。

電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，首先會(huì)檢測(cè)當(dāng)前三相霍爾信號(hào)，如果發(fā)現(xiàn)異常，則電機(jī)關(guān)停，并以無(wú)位置傳感器模式啟動(dòng)。

電機(jī)在有位置傳感器模式運(yùn)行時(shí)，會(huì)不斷的檢測(cè)三相霍爾信號(hào)，并據(jù)此計(jì)算當(dāng)前角度值，與此同時(shí)，觀測(cè)器和鎖相環(huán)也會(huì)同步工作，依據(jù)當(dāng)前的iα,iβ,vα，vβ值，得出估算的角度信息和速度值，通過(guò)調(diào)整觀測(cè)器增益K和鎖相環(huán)PI參數(shù)，使得估算值能夠很好的跟蹤實(shí)際值。若在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，檢測(cè)到三相霍爾信號(hào)發(fā)生異常，由于電機(jī)控制器軟件運(yùn)行時(shí)間通常都為微秒級(jí)，當(dāng)霍爾信號(hào)出現(xiàn)異常后，可以保證電機(jī)在失控前即平滑的切換為無(wú)傳感器運(yùn)行模式，如圖4所示。

圖4 工作模式切換框圖

3 仿真分析及驗(yàn)證

為驗(yàn)證Luenberger觀測(cè)器能夠有效運(yùn)行，基于Matlab建立仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，使用電機(jī)參數(shù)為：定子電阻Rs=1.6 Ω，定子電感Ls=1.4 mH，額定電壓為U=24 V，電機(jī)極對(duì)數(shù)p=4。觀測(cè)器增益k1=38 855，k2=-559 950，鎖相環(huán)PI參數(shù)為10和0.003。

圖5為電機(jī)實(shí)際速度和估計(jì)速度波形，在電機(jī)啟動(dòng)和負(fù)載突變階段響應(yīng)時(shí)間約為0.1 s。

圖5 實(shí)際速度和估計(jì)速度響應(yīng)

圖6為在運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)實(shí)際速度與估計(jì)速度的差值。

圖6 實(shí)際速度與估計(jì)速度誤差曲線

由圖6和圖7可知，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)差值較大，由于觀測(cè)器是從電機(jī)電流和電壓信號(hào)中提取出角度和速度信息，所以較實(shí)際速度有一定延遲。且觀測(cè)器系統(tǒng)在極短的時(shí)間內(nèi)使得二者差值減小到5 rpm以內(nèi)，表明系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)跟蹤特性和魯棒性。

圖7為通過(guò)三相霍爾信號(hào)得到的實(shí)際轉(zhuǎn)子角度和通過(guò)觀測(cè)器得出的估計(jì)角度，由波形可知，二者角度值在運(yùn)行過(guò)程中是一致的，表明觀測(cè)器和鎖相環(huán)結(jié)合的方法得出的估計(jì)角度值是準(zhǔn)確的。

圖7 實(shí)際角度和估計(jì)角度波形

為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)雙模矢量控制器切換過(guò)程的有效性，以32位ARM處理器stm32f103[15]為主控制器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。電機(jī)以有霍爾位置傳感器模式啟動(dòng)并設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 000 rpm，正常運(yùn)行后，通過(guò)人為切斷一相霍爾信號(hào)來(lái)模擬霍爾元件的損壞，測(cè)試控制器是否能平滑的切換到無(wú)傳感器控制模式。由圖8電機(jī)轉(zhuǎn)速波形可知，電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，觀測(cè)器的轉(zhuǎn)速估計(jì)響應(yīng)是比較好的。在t=5 s時(shí)切斷一相霍爾信號(hào)，由于控制器對(duì)于霍爾信號(hào)的檢測(cè)是微秒級(jí)的，一旦檢測(cè)到霍爾信號(hào)的異常，立即軟件切換為無(wú)位置傳感器模式，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)波形有較小波動(dòng)，但能夠迅速重新恢復(fù)穩(wěn)定。

圖8 有、無(wú)位置傳感器模式切換時(shí)速度波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)PMSM研究了有、無(wú)位置傳感器雙模矢量控制器的應(yīng)用。分析了無(wú)位置傳感器模式下Luenberger觀測(cè)器對(duì)角度和速度的估算，并通過(guò)仿真和測(cè)試加以驗(yàn)證，使得估計(jì)值能夠跟蹤實(shí)際值，解決了單一位置傳感器模式時(shí)存在的不足之處，具有更好的可靠性和安全性。

[1] 張虎,孫安博,樊生文.淺談PMSM無(wú)速度傳感器速度估算[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2015,37(6)：21-26.

[2] 劉青陽(yáng)，魏國(guó)亮，王永雄.基于模糊理論的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩弱磁控制[J].電子科技,2015,28(6):187-191.

[3] Shen J X，Zhu Z Q，Howe D. Improved speed estimation in sensorless PM brushless AC drives[J].IEEE Transactions on Industry Application,2002,38(4):1072-1080.

[4] 劉剛,肖燁然,宋欣達(dá).永磁同步電機(jī)用線性霍爾位置檢測(cè)的誤差補(bǔ)償[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2014,18(8)：36-42.

[5] 陳鐵錚,顏鋼鋒.基于有無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)雙?？刂破髟O(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2011,38(2)：32-36.

[6] 朱軍,田淼,劉慧君.基于DSP的永磁同步電機(jī)全速范圍轉(zhuǎn)子定位[J].電子科技,2015,28(7)：63-66.

[7] Freescale Semiconductor. 3-Phase BLDC motor control with sensorless back EMF zero crossing detection using DSP56F80X[M].Texas，United States：Freescale Semiconductor,2001.

[8] 潘言全.矢量控制的發(fā)展與研究現(xiàn)狀[J].黑龍江科技信息,2009(36)：106-107.

[9] 譚建成.永磁無(wú)刷直流電機(jī)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[10] 李立毅,譚廣軍,劉家曦,等.基于Luenberger觀測(cè)器的高速PMSM無(wú)傳感器技術(shù)研究[J].微特電機(jī),2013,41(4)：31-34.

[11] Sbita L,Ben H M. An MARS-based full order luenberger observer for sensorless[J].ICGST-ACSE Journal，2007，7(1)：11-20.

[10] 郭宇騫,陳明,陳寧,等. BLDCM無(wú)速度傳感器矢量控制速度估計(jì)方法[J]. 控制工程,2013,20(2):348-351.

[11] Ahmed Lagrioui. Speed and current control for me the PMSM using a luenberger oberserver[C]. Morocco： International Conference on Multimedia Computing and Systems,2011.

[12] Rolando P,Shirsagar P,Lidozzi A.Design and evaluation of a pll-based position controller for sensorless vector control of permanent magnet synchronous machines[C]. Paris：32nd Annual Conference on IEEE Industrial Electronics，IEEE，2006.

[13] 李冉,龍雪濤,陳輝.基于鎖相環(huán)的永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制[J].電氣傳動(dòng),2013,43(8):8-12.

[14] 李家慶,李芳,葉文.無(wú)刷直流電機(jī)控制應(yīng)用基于STM8S系列單片機(jī)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2014.

[15] STMicroelectronics.STM32F103Xb characteristics[M].Italy and France：ST Microelectronics,2007.

Design of Dual Mode Vector Controller Based on Permanent Magnet Synchronous Motor

XIE Le1,DING Xueming1,ZHENG Zhaoping3

(1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2. Shanghai Supore Instruments Co.，Ltd.，Shanghai 200444,China)

In the application of PMSM vector control,it is easy to cause serious accidents or inconvenience for the users when the position sensor is damaged or the signal transmission is abnormal. In order to solve this problem,this paper designs a dual mode vector controller either with position sensor or sensorless. By adjusting the gain of the observer-K and PI parameters of PLL,the Luenberger observer with phase-locked loop can track the actual rotor position. When the position signal is abnormal,the controller can switch automatically from the position sensor mode to the sensorless mode.

PMSM; vector control; Luenberger observer; switch smoothly

TM301.2

A

1007-7820(2017)11-103-04

2017- 01- 04

寶山區(qū)科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)資金(bkw201408)

謝樂(lè)(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：電機(jī)控制。丁學(xué)明(1971-)，男，副教授。研究方向：嵌入式系統(tǒng)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.11.028