梁鳳強，孫順新，趙軍，趙同健，朱軍

（ 1.國網(wǎng)臨沂供電公司，山東 臨沂 276000;2.天元建設集團有限公司，山東 臨沂 276000；3.臨沂市恒源熱電集團有限公司，山東 臨沂 276000 ）

電勵磁同步電機無傳感器控制方法研究

梁鳳強1，孫順新2，趙軍3，趙同健2，朱軍3

（ 1.國網(wǎng)臨沂供電公司，山東 臨沂 276000;2.天元建設集團有限公司，山東 臨沂 276000；3.臨沂市恒源熱電集團有限公司，山東 臨沂 276000 ）

針對同步電機傳統(tǒng)的機械位置傳感器存在的缺陷，提出一種基于高頻信號注入的無速度傳感器同步電機速度和位置檢測方法。在電勵磁同步電動機調速系統(tǒng)的基礎上，建立轉子位置觀測的數(shù)學模型，在q軸注入高頻電壓信號，選用帶阻濾波器對轉子高頻電流信號進行有效提取，設計位置鎖相環(huán)對電機運行轉速和位置進行在線辨識，實現(xiàn)對轉速和位置準確地估計。仿真和實驗結果表明該檢測方法具有較好的檢測和跟蹤效果。

同步電機；高頻注入；無傳感器；轉子位置檢測

0 引言

電勵磁同步電機相對其他電機具有轉動慣量較小、控制精度高、功率因數(shù)高和過載能力強等多方面優(yōu)勢，已廣泛應用于水泵、機車、船舶等諸多工業(yè)領域。針對優(yōu)化永磁同步電機的自身運行性能的研究，已成為國內外關注和研究的熱點。

傳統(tǒng)的速度與位置檢測通常采用機械式編碼器，其在運行過程中必然降低系統(tǒng)的可靠性，帶來系統(tǒng)結構成本增加等問題，研究無速度傳感器轉子位置和速度的估計方法有：高頻信號注入法、模型參考自適應法、卡爾曼濾波估計法、反電動勢估計法，本文針對永磁同步電機速度與位置檢測進行研究。

1 概述

模型預測控制(model predictive control，MPC)出現(xiàn)于二十世紀70年代工業(yè)過程控制領域，其在處理非線性系統(tǒng)復雜約束型優(yōu)化問題時展現(xiàn)出強大優(yōu)勢，在建筑物節(jié)能控制、機器人控制、飛行器控制等多個領域得到成功應用。

通常，研究無速度傳感器轉子位置和速度的估計方法為高頻信號注入法、模型參考自適應法、卡爾曼濾波估計法、反電動勢估計法。目前，國內學者針對電勵磁同步電機的無速度傳感器方面的研究，逐步深入和完善。運用電流和電壓的氣隙磁鏈觀測結果之差作為誤差，通過自適應率進行調節(jié)得到轉子的位置和速度。運用反電動勢法的控制方法，建立虛擬中性點電壓來提取反電動勢信號，通過軟件鎖相環(huán)獲得準確的電機位置和轉速信息。

本文提出了一種基于高頻信號注入的無速度傳感器同步電機速度和位置檢測方法。該方法在電勵磁同步電動機調速系統(tǒng)的基礎上，建立轉子位置觀測的數(shù)學模型，在定子側q軸注入高頻電壓，通過帶阻濾波器提取轉子高頻電流信號，采用位置鎖相環(huán)對電機運行位置和轉速進行跟蹤辨識，從而實現(xiàn)對同步電機轉子位置和轉速的準確估計。

2 數(shù)學模型

忽略磁路飽和與鐵心損耗以及忽略溫度對電機參數(shù)的影響情況下，電勵磁同步電機在兩相同步旋轉d、q坐標系下電壓方程可以描述為：

磁鏈方程為：

3 辨識算法

為實現(xiàn)對電勵磁同步電機速度的觀測，本文采用高頻信號注入的同步電機無傳感器位置和速度檢測方法。其原理圖如圖1所示。

圖1 定子高頻信號的同步電機位置及速度檢測電路原理

在高頻電壓信號注入時，要求系統(tǒng)能有效提取在定子電壓上的高頻注入信號。由于同步電機結構的限制，由式（4）可以看出，分別從定子繞組dq軸和轉子繞組注入高頻電壓信號。本文采用定子q軸注入定頻為300 Hz高頻電壓的方法，其轉子電流頻譜圖如圖2所示。

圖2 轉子電流頻譜

通過頻譜圖2分析可以看出，電機在靜止狀態(tài)下，當轉子的位置角定向正確時，轉子感應電流中不存在高頻電流信號。即從而可有效辨識轉子的轉速和位置信息。當轉子位置存在估計誤差時，轉子的感應電流會出現(xiàn)脈動，則

由上述分析可知，轉子電流中直流分量和脈振分量所占比重小且諧波分布比較單一，對高頻信號提取的影響較小。設估計的轉子位置信號角為，實際的轉子位置角為，則轉子誤差角為其數(shù)量關系如圖3所示。

圖3 同步電機空間矢量

選取注入定子q軸的電壓信號幅值為：

式中：

對轉子高頻信號通過位置鎖相環(huán)進行鎖相處理，可得到轉速信息和轉子位置信號。轉子位置鎖相環(huán)算法結構見圖4。

圖4 轉子位置鎖相環(huán)的結構

圖5 同步電機無傳感器系統(tǒng)結構

4 仿真分析

為了進一步驗證本文算法的正確性，搭建PWM功率變換器的電勵磁同步電機矢量控制系統(tǒng)實驗平臺，通過在MATLAB的simulink中搭建仿真模型，經(jīng)反復調試達到理想結果。所使用電機的參數(shù)如表1所示。

表1 電勵磁同步電機調試參數(shù)

從圖6中可以得出轉子位置估計值和實際值之間誤差較小，跟蹤精度高。

圖6 轉子位置實測值與估計值對比

圖7 為實測值與估計值對比圖，可見本文方法檢測到的電機速度準確，加減載的過程中轉速跟蹤效果平穩(wěn)。

圖7 轉速實測值與估計值對比

5 結語

本文提出的一種基于高頻信號注入的同步電機無傳感器位置和速度檢測方法，該方法運用結合同步電機自身固有參數(shù)，在定子側注入高頻電壓，提取轉子高頻電流信號，通過位置鎖相環(huán)對電機運行位置和轉速進行在線辨識，實現(xiàn)對位置和轉速地準確估計，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。仿真結果驗證該控制方法具有較好的檢測性能。

[1]劉輝,張斌.基于無源控制的無速度傳感器異步電機調速控制[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(6):45-51.

[2]符曉,戴鵬,伍小杰，等.電勵磁同步電動機模型預測控制[J].浙江大學學報:工學版,2011,45(5):815-863.

[3]洪乃剛.電力電子、電機控制系統(tǒng)的建模和仿真[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010．

[4]周揚忠.電勵磁同步電動機直接轉矩控制理論研究及實踐[D].南京:南京航空航天大學,2007.

[5]楊成峰,林鶴云,劉細平.混合勵磁同步電機調速系統(tǒng)的控制策略[J].電機與控制學報，2008,12(1),27-33.

[6]譚國俊,吳軒欽,李浩,等.Back-to-Back雙三電平電勵磁同步電機矢量控制[J].系統(tǒng)電工技術學報,2011,26 (3):36-43．

Research on Sensorless Control Method of Electric Excitation Synchronous Motor

Liang Fengqiang1, Sun Shunxin2, Zhao Jun3, Zhao Tongjian2, Zhu Jun3
( 1. State Grid Linyi Power Supply Company, Linyi 276000, Shandong;2. Tianyuan Construction Group Co., Ltd, Linyi 276000, Shandong;3. Linyi City Hengyuan Thermal Power Group Co., Ltd, Linyi 276000, Shandong )

In view of the existing problems of synchronous motor system with conventional mechanical sensor, a rotor position estimation method without mechanical sensor was suggested in this paper based on high frequency signals injecting into the synchronous motor. Based on the principle of the rotating transformer and the magnetic circuit structure of the synchronous motor, the mathematical model of the rotor position observation was established.The high frequency voltage was injected into q axis of the stator, and the high frequency current signalof rotor is extracted. The rotor position and speed information was identified online by using the position phase locked loop which estimated the speed and position information accurately.The proposed results was proved to have high detection accuracy.

Synchronous motor; High frequency injection; Sensorless control; Rotor position detection

TM 341

A

1674-2796（2017）06-0009-04

2017-08-10

梁鳳強（1990—），碩士研究生，助理工程師，主要從事電力電子技術、電機控制與優(yōu)化研究。