宋義超

基于高頻注入的船用無(wú)感永磁推進(jìn)電機(jī)振動(dòng)控制

宋義超

(海裝武漢局 武漢 430064）

針對(duì)采用無(wú)位置傳感器的船用永磁推進(jìn)同步電機(jī)，分析了逆變器非線性、相電流采樣偏差和高頻脈振信號(hào)對(duì)電機(jī)電磁振動(dòng)的影響。為削弱位置辨識(shí)偏差中的特征諧波分量，本文引入基于內(nèi)嵌凹口濾波器的位置提取算法，降低了電機(jī)低頻特征振動(dòng)，增強(qiáng)了對(duì)高頻諧波的抑制效果。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。

永磁同步電機(jī) 高頻注入 振動(dòng)控制 凹口濾波器

0 引言

隨著釹鐵硼稀土永磁體綜合性能的提升和電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)以其功率密度大、調(diào)速范圍寬、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)在船用電力推進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的精準(zhǔn)控制，通常需要在電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件上安裝霍爾等機(jī)械式位置傳感器獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度信息，這些機(jī)械式位置傳感器一般需要額外供電。在海洋高濕度、高腐蝕和高鹽霧的自然條件下，采用這些機(jī)械部件增加了施工的復(fù)雜性和難度，并且降低了系統(tǒng)可靠性；因此，適用于船用推進(jìn)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[1-3]。

船用推進(jìn)永磁同步電機(jī)靜止或低速工況運(yùn)行時(shí)，無(wú)法從電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)、磁鏈等狀態(tài)量中提取出位置信息。此時(shí)，利用電機(jī)交直軸電感凸極效應(yīng)的高頻注入算法成為低速位置辨識(shí)的理想選擇。文獻(xiàn)[4]給出了永磁同步電機(jī)高頻數(shù)學(xué)模型，通過(guò)分析電機(jī)交直軸電感與高頻脈振信號(hào)之間的關(guān)系，利用帶通濾波器提取出了交軸電流中的高頻成分，得到了位置辨識(shí)偏差信息，進(jìn)而通過(guò)“bang-bang”積分控制器得到轉(zhuǎn)子位置信息。文獻(xiàn)[5]分析了高頻脈振電壓與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，通過(guò)采用PI控制器，削弱了位置辨識(shí)中的紋波分量，進(jìn)而降低了輸出轉(zhuǎn)矩的特征分量。文獻(xiàn)[6]對(duì)比了不同高頻電壓注入方式和電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)位置辨識(shí)結(jié)果的影響，分析發(fā)現(xiàn)，相比無(wú)位置傳感器控制技術(shù)，轉(zhuǎn)子永磁體幾何結(jié)構(gòu)對(duì)位置辨識(shí)的影響更大。文獻(xiàn)[7]建立了一種新型永磁同步電機(jī)高頻交直軸模型，該模型考慮了凸極效應(yīng)對(duì)電感和電阻的影響，可以得到電機(jī)位置辨識(shí)算法的理想結(jié)果。文獻(xiàn)[8-9]采用高頻方波電壓作為注入信號(hào)，相比正弦電壓信號(hào)，提高了位置辨識(shí)的動(dòng)態(tài)特性，缺點(diǎn)是PWM載波頻率需要設(shè)置為高頻注入信號(hào)頻率的整數(shù)倍。文獻(xiàn)[10]研究了基于載波信號(hào)注入的永磁無(wú)刷交流電機(jī)位置辨識(shí)算法，在考慮模數(shù)采樣量化誤差的基礎(chǔ)上，引入了算法安全操作區(qū)（SSOA）的概念，通過(guò)定義電流平面內(nèi)的工作區(qū)域，為高頻注入載波信號(hào)的選擇提供了依據(jù)。目前針對(duì)高頻信號(hào)注入位置辨識(shí)算法的研究主要集中在電機(jī)凸極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和如何利用高頻注入信號(hào)獲得轉(zhuǎn)子位置信息上，對(duì)注入所引起負(fù)面振動(dòng)噪聲問(wèn)題的研究很少。

針對(duì)船用推進(jìn)永磁同步電機(jī)，本文給出了一種基于高頻脈振交流電壓信號(hào)注入的位置辨識(shí)算法，分析了逆變器非線性、相電流采樣偏差和高頻脈振電流對(duì)電機(jī)電磁振動(dòng)的影響。采用基于內(nèi)嵌凹口濾波器的位置提取算法減小了位置辨識(shí)偏差中的特征頻率交流分量，降低了電機(jī)特征頻次的振動(dòng)，增強(qiáng)了對(duì)高頻諧波的抑制效果。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 基于高頻脈振電壓信號(hào)注入的轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)算法

忽略電機(jī)定子電阻、反電動(dòng)勢(shì)和交直軸交叉耦合項(xiàng)的影響，由于高頻注入信號(hào)的頻率遠(yuǎn)高于電機(jī)旋轉(zhuǎn)電頻率，可得PMSM在高頻激勵(lì)下的理想模型為：

根據(jù)圖1，可得辨識(shí)坐標(biāo)系下高頻脈振電流的表達(dá)式：

2 位置辨識(shí)算法振動(dòng)影響分析

2.1 電流非理想采樣振動(dòng)影響分析

推導(dǎo)可得：

經(jīng)過(guò)低通濾波可得：

圖2 基于高頻注入的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)方框圖

2.2 逆變器非理想開(kāi)關(guān)振動(dòng)影響分析

高頻脈振電壓需要通過(guò)變頻器注入到電機(jī)繞組兩端，但是由于功率管非理想開(kāi)斷和導(dǎo)通壓降等因素，電機(jī)繞組兩端真實(shí)電壓與給定值存在偏差。忽略零電流鉗位效應(yīng)的影響，根據(jù)沖量守恒定律，功率管平均誤差電壓可以表示為：

3 基于凹口濾波器的特征頻次振動(dòng)控制

本文提出的凹口濾波器傳遞函數(shù)為

式中：為電機(jī)基頻電頻率，1為二階微分環(huán)節(jié)阻尼系數(shù)，2為二階振蕩環(huán)節(jié)阻尼系數(shù)，為需要抑制的特征頻次諧波。

4 仿真和分析

對(duì)辨識(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行頻譜分析，受死區(qū)等因素的影響，電機(jī)轉(zhuǎn)速6倍頻波動(dòng)最大，設(shè)置凹口濾波器特征頻次諧波=6，1=0.1

圖4為給定電角速度啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速辨識(shí)值和實(shí)際值的波形圖，從中可知，基于高頻注入的位置辨識(shí)算法性能良好。

圖5到圖6為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度辨識(shí)波形圖。圖5為電機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)子角速度的辨識(shí)值和實(shí)際值；圖6為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度辨識(shí)偏差值，轉(zhuǎn)速辨識(shí)偏差最大值由控制前的5 rad/s降至1 rad/s，降低了90%，驗(yàn)證了本文凹口濾波器的有效性。

圖7為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)值和實(shí)際值。從中可知，使能凹口濾波器不會(huì)增加位置辨識(shí)偏差。

5 結(jié)論

圖3 所示為不同參數(shù)變化時(shí)凹口濾波器的伯德圖

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度辨識(shí)波形圖

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度辨識(shí)偏差波形圖

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)偏差波形圖

本文在傳統(tǒng)基于高頻脈振交流電壓信號(hào)注入的位置辨識(shí)算法的基礎(chǔ)上，分析了逆變器非線性、電流采樣偏差和高頻注入信號(hào)對(duì)電機(jī)振動(dòng)的影響，進(jìn)而根據(jù)凹口濾波器和Markov鏈隨機(jī)算法提出了針對(duì)電機(jī)不同頻次振動(dòng)進(jìn)行抑制的算法，最后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本文結(jié)果表明：

a）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，電機(jī)表現(xiàn)出6k次振動(dòng)分量；

b）電流采樣調(diào)理偏差使得位置辨識(shí)偏差出現(xiàn)直流和交流分量，降低系統(tǒng)功率因素，增加了電機(jī)二次特征電頻率振動(dòng)；

c）基于內(nèi)嵌凹口濾波器的位置提取算法可以削弱位置辨識(shí)算法對(duì)電機(jī)特征頻次振動(dòng)的影響。

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Study on Vibration Reduction of Marine Permanent Magnet Propulsion Motor without Position Sensor

Song Yichao

(Wuhan Military Representatives Bureau of Navy Equipment Department, Wuhan 430064, China)

TM351

A

1003-4862（2019）12-0001-05

2019-09-12

宋義超（1973-），男，高級(jí)工程師。研究方向：電力電子。E-mail: songyao100@163.com