張周　馬繼先

摘 要：船舶推進(jìn)電機(jī)苛刻的工作環(huán)境凸顯出機(jī)械式位置傳感器不耐腐蝕等諸多弊端，因此，無位置傳感器控制便成了目前永磁同步電機(jī)的研究趨勢。傳統(tǒng)的無傳感器控制技術(shù)依賴基波數(shù)學(xué)模型致使其在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)控制失效，為了實(shí)現(xiàn)船舶電機(jī)低速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速估計(jì)，針對內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（interior permanent magnet synchronous motor，IPMSM）采用高頻脈振信號注入法，并通過基于位置跟蹤觀測器的方法獲取轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。利用Matlab對電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子位置以及轉(zhuǎn)速估算的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：IPMSM;脈振高頻注入;無傳感器控制;低速位置估計(jì)

中圖分類號：TM351? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）05-0078-03

為了獲得穩(wěn)定且靈活的船舶動力，主推電機(jī)選用永磁同步電機(jī)能很好地滿足需求。傳統(tǒng)的船舶電機(jī)推進(jìn)裝置裝有位置傳感器，然而機(jī)械式位置傳感器不耐風(fēng)浪侵蝕，影響船舶推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。無傳感器永磁同步電機(jī)船舶推進(jìn)可以解決這一問題。目前無傳感器控制技術(shù)的應(yīng)用獲得了諸多成效[1-3]，但是普遍依賴電機(jī)定子基波數(shù)學(xué)模型。這類方法在電機(jī)剛啟動時(shí)或低速運(yùn)行范圍內(nèi)時(shí)，難以從定子側(cè)提取有用信號，最終導(dǎo)致位置判別失效[4-6]。R. D. Lorenz提出的高頻信號注入法是解決該問題的一個(gè)有效方法[7]。

本文設(shè)計(jì)了脈振高頻信號注入下的船舶電機(jī)無傳感器低速控制系統(tǒng)。建立高頻脈振信號激勵下的IPMSM數(shù)學(xué)模型，闡述基于位置跟蹤觀測器的轉(zhuǎn)子位置估算方法，分析無傳感器控制系統(tǒng)原理，并通過仿真結(jié)果驗(yàn)證低速運(yùn)行狀態(tài)下無傳感器系統(tǒng)的有效性。

1 高頻脈振電壓激勵下的IPMSM電流響應(yīng)

圖1? 實(shí)際轉(zhuǎn)子-坐標(biāo)系與估計(jì)轉(zhuǎn)子-坐標(biāo)系間的關(guān)系[1]

（1）坐標(biāo)系中高頻激勵下三相IPMSM的電壓方程[2]

因?yàn)楦哳l時(shí)定子電阻相對于電抗小很多，這里忽略不計(jì)。

（2）坐標(biāo)系中三相IPMSM定子電感

經(jīng)過反Park變換將式（2）轉(zhuǎn)化到兩相靜止坐標(biāo)系中 ：

式中：是平均電感，是半差電感。

（3）實(shí)際轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中高頻電壓電流的關(guān)系無法估算實(shí)際的轉(zhuǎn)子磁極位置，因此通過式（1）、式（3）以及圖1中得到估計(jì)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中高頻電壓和響應(yīng)電流的關(guān)系：

式中：、以及、是估計(jì)轉(zhuǎn)子-坐標(biāo)系中電壓、電流高頻分量。

（4）為了盡量減小注入高頻電壓后給電機(jī)轉(zhuǎn)矩帶來的波動，只在軸注入的脈振高頻注電壓，軸不注入任何信號

此時(shí)的高頻響應(yīng)電流可以表示為：

式（6）中：是注入電壓的頻率，若，轉(zhuǎn)子估計(jì)誤差角將同時(shí)取決于軸和軸電流分量。其中，當(dāng)時(shí)，，可以對軸電流作濾波提取，將幅值限定在一定范圍。

2 轉(zhuǎn)子位置估算方法

2.1 基于位置跟蹤觀測器的轉(zhuǎn)子位置估算方法

船用IPMSM實(shí)現(xiàn)無傳感器位置觀測需要對高頻響應(yīng)電流進(jìn)行一系列處理。先將定子側(cè)軸高頻響應(yīng)電流通過一個(gè)帶通濾波器BPF，去除基波頻率分量以及高次干擾項(xiàng)，只提取其中一定幅值范圍的電流信號。再通過直線擬合的方式將該該信號經(jīng)低通濾波器LPF處理，即可獲得位置觀測器的入口信號，具體處理過程如下所示：

式中：若令，轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差角也向零趨近。說明這樣的調(diào)制方式可使轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值貼近實(shí)際值，達(dá)到估算目的。由上式可以看出，電機(jī)電感大小雖然影響的幅值，但是最終目的不是觀測幅值而是觀測。同時(shí)表達(dá)式中也不含轉(zhuǎn)子角速度，因此這種方法既不受電機(jī)參數(shù)影響也不受轉(zhuǎn)子角速度的影響，完全能滿足低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的電機(jī)控制。

2.2 位置跟蹤觀測器

圖2是依據(jù)外差法模型建立的觀測器模塊，主要包括PI調(diào)節(jié)器和電機(jī)機(jī)械特性數(shù)學(xué)模型。、和搭建的調(diào)節(jié)器能使入口信號調(diào)節(jié)至零，不斷調(diào)節(jié)使估計(jì)值更加精確。圖中，是估計(jì)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩，引入的目的是提高觀測器模塊的響應(yīng)速度，當(dāng)然特定系統(tǒng)中也可以直接給定。

3 脈振高頻注入的船用IPMSM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

IPMSM控制系統(tǒng)組成。圖3是船用永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)由船用IPMSM、逆變驅(qū)動模塊、位置估算算法、濾波電路等模塊構(gòu)成。圖4是脈振電壓信號注入的電機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖。由于高頻響應(yīng)電流中摻雜了基波電流、PWM開關(guān)頻率諧波電流等摻雜信號，可以通過帶通濾波器（BPF）將其濾除，從而提取出包含轉(zhuǎn)子位置信息有用信號。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證船舶電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)在低速段的控制效果，在前述低速控制模型的基礎(chǔ)上上搭載上螺旋槳負(fù)載，根據(jù)圖4所示的理框圖在Simulink仿真環(huán)境下搭建系統(tǒng)運(yùn)行模型。電機(jī)參數(shù)選取為：額定電壓380V，，，，，，極對數(shù)，給定轉(zhuǎn)速為。電機(jī)系統(tǒng)仿真模型如圖5所示;圖6為電機(jī)轉(zhuǎn)速估算值與實(shí)際值變化曲線，估算曲線與實(shí)際曲線能很好地?cái)M合，能將估計(jì)誤差控制在極小的范圍，電機(jī)啟動瞬間出現(xiàn)短時(shí)波動并迅速過渡到穩(wěn)定值，并且持續(xù)穩(wěn)定在給定值;圖7為轉(zhuǎn)速誤差曲線，估計(jì)誤差穩(wěn)定在0值附近，波動極小;圖8為轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值與實(shí)際值變化曲線，估算曲線與實(shí)際曲線能很好地?cái)M合，位置波形也有規(guī)律地往返;圖9是轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差曲線。

5 結(jié)束語

本文對基于脈振高頻注入的船舶電機(jī)無傳感器低速控制研究得出以下結(jié)論：

（1）采用脈振高頻電壓信號注入法，在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確跟蹤。

（2）基于位置跟蹤觀測器的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法能使轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值很好地收斂到實(shí)際值，實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子的位置估計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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