何忠祥，黎 曙，李成陽(yáng)，賈志強(qiáng)

基于滑模觀測(cè)器的船用永磁推進(jìn)電機(jī)位置辨識(shí)研究

何忠祥，黎 曙，李成陽(yáng)，賈志強(qiáng)

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

針對(duì)傳統(tǒng)滑模觀測(cè)器永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)存在特征頻次交流擾動(dòng)的問(wèn)題，分析了開(kāi)關(guān)管死區(qū)效應(yīng)、導(dǎo)通壓降和電流采樣調(diào)理精度等非理想逆變對(duì)辨識(shí)反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子位置的影響，提出了一種基于內(nèi)嵌陷波器的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系鎖相環(huán)技術(shù)，抑制了辨識(shí)反電動(dòng)勢(shì)中特征頻次擾動(dòng)信號(hào)對(duì)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)值的影響，并給出了新型鎖相環(huán)參數(shù)選擇確定的原則和依據(jù)。仿真結(jié)果表明該算法可以有效削弱逆變非理想特性對(duì)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)結(jié)果的影響，驗(yàn)證了本文理論分析的正確性和所提策略的有效性。

永磁同步電機(jī) 無(wú)位置傳感器 滑模觀測(cè)器 非理想逆變 陷波器

0 引言

隨著稀土永磁材料剩磁性能的提高和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，永磁推進(jìn)電機(jī)以其功率因數(shù)高、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)在船用電力推進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。為滿(mǎn)足高性能控制的要求，無(wú)論采用矢量控制還是直接轉(zhuǎn)矩控制都需要得到轉(zhuǎn)子位置信息。在船舶高濕度、高振動(dòng)、高鹽霧的惡劣條件下，采用機(jī)械式位置傳感器會(huì)降低推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性，增加系統(tǒng)成本；因此，適用于永磁同步電機(jī)的無(wú)機(jī)械式位置傳感器控制技術(shù)得到日益廣泛的關(guān)注[1]。

根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和反電動(dòng)勢(shì)、定子磁鏈等電磁狀態(tài)量之間的關(guān)系，眾多學(xué)者提出了一系列的位置辨識(shí)策略。電機(jī)中高速工況運(yùn)行時(shí)，基于滑模狀態(tài)觀測(cè)器的位置辨識(shí)策略以其動(dòng)靜態(tài)特性好、抗參數(shù)攝動(dòng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用廣泛。根據(jù)永磁同步電機(jī)靜止兩相坐標(biāo)系下基頻數(shù)學(xué)模型，文獻(xiàn)[2]-[3]以電流為觀測(cè)量，構(gòu)建了二階滑模觀測(cè)器模型，文獻(xiàn)[4]-[5]通過(guò)引入有效磁鏈和有效反電動(dòng)勢(shì)，以電流和反電動(dòng)勢(shì)為觀測(cè)量，建立了四階混合滑模觀測(cè)器模型；無(wú)論采用哪種滑模觀測(cè)器模型，最終都是利用反正切函數(shù)或者鎖相環(huán)從辨識(shí)反電動(dòng)勢(shì)中提取出位置信息。雖然滑模觀測(cè)器有較好的魯棒特性，但位置辨識(shí)效果仍受電機(jī)參數(shù)偏差、死區(qū)效應(yīng)和相電流諧波分量等因素的影響，目前針對(duì)滑模變結(jié)構(gòu)位置辨識(shí)策略的研究主要集中在滑動(dòng)模態(tài)高頻抖振信號(hào)的抑制和轉(zhuǎn)子位置信息的提取上，鮮有涉及位置辨識(shí)偏差的研究分析。

針對(duì)本文研究對(duì)象船用永磁同步電機(jī)，利用飽和函數(shù)和鎖相環(huán)技術(shù)，本文給出了一種二階滑模觀測(cè)器位置辨識(shí)算法。詳細(xì)分析了逆變開(kāi)關(guān)管死區(qū)效應(yīng)、開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通壓降和電機(jī)相電流非理想采樣對(duì)辨識(shí)反電動(dòng)勢(shì)和位置辨識(shí)偏差的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了基于內(nèi)嵌陷波器的新型鎖相環(huán)算法，給出了該算法參數(shù)選擇確定的依據(jù)；該算法消除了位置辨識(shí)偏差中的特征諧波分量，并且增強(qiáng)了對(duì)滑動(dòng)模態(tài)高頻抖振信號(hào)的抑制。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了本文理論分析的正確性和所提策略的有效性。

1 滑模變結(jié)構(gòu)位置辨識(shí)模型

靜止兩相坐標(biāo)系下，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈可以用下式所示：

可以建立二階滑模變結(jié)構(gòu)狀態(tài)觀測(cè)器：

為抑制滑模觀測(cè)中的高頻抖振信號(hào)和降低鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)的難度，本文采用基于內(nèi)嵌低通濾波器的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系鎖相環(huán)技術(shù)獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置信息，如圖1所示。

圖1 新型位置提取單元原理框圖

2 非理想特性對(duì)位置辨識(shí)影響

1) 電壓偏差影響分析

忽略零電流鉗位效應(yīng)影響，根據(jù)沖量守恒定律，逆變開(kāi)關(guān)管平均誤差電壓表示為：

滑模觀測(cè)器輸出穩(wěn)定時(shí)，可得：

其中:

2）電流偏差影響分析

3 內(nèi)嵌陷波器的鎖相環(huán)算法

為抑制轉(zhuǎn)速辨識(shí)和位置辨識(shí)偏差中的諧波分量，本文采用一種新型陷波器替代圖1中的低通濾波器(LPF)，該陷波器在保證對(duì)滑動(dòng)模態(tài)高頻“抖動(dòng)”信號(hào)抑制的前提下，還能消除位置辨識(shí)偏差中特征頻次的低頻諧波分量。

本文提出的內(nèi)嵌陷波器傳遞函數(shù)為:

品質(zhì)因數(shù)越大，陷波器窄帶濾波效果越好，性能越佳；但對(duì)頻率變化的敏感性也越強(qiáng)，因此，品質(zhì)因數(shù)的確定需要根據(jù)電機(jī)頻率波動(dòng)范圍和窄帶濾波效果綜合考慮，本文選擇=0.707。

影響位置辨識(shí)偏差的通常是低階特征頻率分量，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速辨識(shí)值進(jìn)行頻譜分析獲得需要抑制的諧波成分。本文提出的基于內(nèi)嵌陷波器的新型鎖相環(huán)和傳統(tǒng)鎖相環(huán)幅頻響應(yīng)特性如圖2所示。

對(duì)比傳統(tǒng)鎖相環(huán)算法，新型鎖相環(huán)算法在對(duì)低頻輸入信號(hào)保持高增益的前提下，對(duì)高頻噪聲信號(hào)有更強(qiáng)的抑制作用，并且能夠吸收輸入信號(hào)中特定頻率擾動(dòng)分量；需要強(qiáng)調(diào)的是，內(nèi)嵌陷波器惡化了高頻分量相位滯后的情況，降低了響應(yīng)速度，減小了穩(wěn)態(tài)裕度，設(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意。

圖2 鎖相環(huán)波特圖對(duì)比

4 仿真和分析

為驗(yàn)證本文理論分析的正確性和所提策略的有效性，運(yùn)用Matlab/Simulink建立了船用永磁同步電機(jī)位置辨識(shí)模型。該電機(jī)額定電壓為400 V，額定電流為430 A，額定轉(zhuǎn)速為120 r/min，極對(duì)數(shù)為20，定子電阻為0.011Ω，交直軸電感為2.3 mH。驗(yàn)證時(shí)設(shè)置開(kāi)關(guān)管死區(qū)為2 μs，導(dǎo)通壓降為2 V；為模擬非理想采樣電路，A相電流采樣比例系數(shù)設(shè)為1.02，B相電流采樣比例系數(shù)為0.98。

圖3 辨識(shí)有效反電動(dòng)勢(shì)對(duì)比圖

圖4 位置辨識(shí)效果示意圖圖

圖5 新型鎖相環(huán)位置辨識(shí)偏差對(duì)比圖

圖6 新型鎖相環(huán)轉(zhuǎn)速辨識(shí)偏差對(duì)比圖

5 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)基于二階滑模狀態(tài)觀測(cè)器和鎖相環(huán)位置辨識(shí)算法的基礎(chǔ)上，分析了開(kāi)關(guān)管死區(qū)效應(yīng)、導(dǎo)通壓降和電流采樣調(diào)理精度等逆變非理想特性對(duì)位置辨識(shí)結(jié)果的影響，進(jìn)而根據(jù)陷波器原理，構(gòu)造了一種新型同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系鎖相環(huán)算法，最后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本文結(jié)果表明：

1）開(kāi)關(guān)管死區(qū)效應(yīng)和導(dǎo)通壓降使得電機(jī)繞組電壓實(shí)際值和給定值之間出現(xiàn)偏差，辨識(shí)有效反電動(dòng)勢(shì)中含有6+1 次諧波分量，經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)外差法運(yùn)算后，位置辨識(shí)中存在6次諧波分量；

2）電流采樣調(diào)理偏差使得辨識(shí)有效反電動(dòng)勢(shì)中含有低次諧波，位置辨識(shí)中一般會(huì)出現(xiàn)2倍頻諧波分量；

3）基于陷波器的新型鎖相環(huán)技術(shù)可以削弱辨識(shí)反電動(dòng)勢(shì)中諧波分量對(duì)位置辨識(shí)結(jié)果的影響。

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Rotor Position Estimation Based on Sliding Mode Observer for Marine Permanent Magnet Propulsion Motor

He Zhongxiang, Li Zhengguang, Zhu Lei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM351

A

1003-4862（2019）08-0015-05

2019-2-20

何忠祥（1991-），男，工程師。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。E-mail：237632488@qq.com