溫志威，石懿晨，楊澤賢，陳瑜涵，朱雨菲

( 南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019 ）

0 引言

永磁同步電機(jī)因具有體積小、效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大、功耗低等諸多特點(diǎn)，在交通運(yùn)輸以及工業(yè)傳動(dòng)上應(yīng)用廣泛[1-2]。傳統(tǒng)的閉環(huán)控制方式利用安裝在轉(zhuǎn)軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器獲取轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速，但編碼器的安裝降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性且增加了系統(tǒng)的維護(hù)成本[3]。因此近年來(lái)永磁同步電機(jī)的無(wú)位置控制成為研究的熱點(diǎn)[4]。無(wú)位置控制主要基于滑膜觀測(cè)器、模型參考自適應(yīng)、拓展卡爾曼濾波等方法來(lái)獲取轉(zhuǎn)子位置信息。文獻(xiàn)[5-6]采用滑膜觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)子位置信息，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但誤差較大，存在抖振問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]采用卡爾曼濾波估算轉(zhuǎn)子位置信息，該方法計(jì)算復(fù)雜，難以得到普及，存在著低速狀態(tài)下跟蹤效果相對(duì)較差，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[8-9]中采用模型參考自適應(yīng)估算轉(zhuǎn)子位置信息，該方法具有魯棒性強(qiáng)，控制精度高，但在低速時(shí)抖振較大，控制效果不明顯。由此可知，上述方法在無(wú)位置傳感器低速控制中效果不理想。文獻(xiàn)[10-13]采用高頻信號(hào)注入法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)無(wú)位置傳感器低速控制，具有良好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能，能夠有效估計(jì)轉(zhuǎn)子位置以及轉(zhuǎn)速。

本文基于RTU 半實(shí)物仿真平臺(tái)，搭建基于脈振高頻信號(hào)注入法的無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該控制策略在低速范圍內(nèi)的可靠性和有效性以及RTU 平臺(tái)的可行性。

1 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

將PMSM 在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型經(jīng)Clarke 變換及Park 變換后可得到PMSM 在dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定子電壓的數(shù)學(xué)模型方程為：

式中：ud,uq分別為dq 軸的定子電壓；id,iq分別為dq 軸的定子電流；Rs為電機(jī)繞組；Ld,Lq分別是dq 軸的定子電感；φf(shuō)為永磁體磁鏈。

電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：ωm為電機(jī)機(jī)械角速度；J 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； B 為阻尼系數(shù)；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

式中：pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

2 脈振高頻信號(hào)注入法

2.1 脈振高頻電壓激勵(lì)下三相PMSM的電流響應(yīng)

定義定子的轉(zhuǎn)子誤差角為：

永磁同步電機(jī)在高頻信號(hào)激勵(lì)下的數(shù)學(xué)模型可簡(jiǎn)化為阻抗模型：

此時(shí)高頻響應(yīng)電流可簡(jiǎn)化為：

2.2 轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法

轉(zhuǎn)子位置原理見(jiàn)圖2。

如轉(zhuǎn)子位置估算誤差足夠小，可將該信號(hào)線(xiàn)性化，即

2.3 基于PLL的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法

為了獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角，采樣PI 調(diào)節(jié)器構(gòu)成的PLL 系統(tǒng)，其控制框圖如圖3 所示。

3 半實(shí)物仿真平臺(tái)

3.1 基于Rtuint平臺(tái)介紹

實(shí)時(shí)數(shù)字控制系統(tǒng)RTU-BOX 由硬件控制器、底層驅(qū)動(dòng)軟件包RTU-BOX.Lib、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Rtunit Studio、Simulink?模型庫(kù)RtunitToolbox 和實(shí)時(shí)代碼生成組件RTU-Coder組成，如圖4 所示。

RTU-BOX 的硬件控制器采用多核異構(gòu)技術(shù)，處理器由DSP、ARM 和多個(gè)FPGA 組成，性能穩(wěn)定、功能豐富。主處理器采用了TI 公司Delfino 平臺(tái)的32 位浮點(diǎn)型數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C28346，主頻為300MHz。

3.2 實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)

永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器低速控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)由實(shí)時(shí)數(shù)字控制系統(tǒng)RTU-BOX、基于拓?fù)涞哪K化逆變器RTCON-103P、PMSM組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖5 所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)

采用RTU 強(qiáng)大的軟硬件系統(tǒng)研究新的控制算法時(shí)，通常需要四步驟：

1）確定控制算法；

2）使用Matlab/Simulink 建立系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證算法的正確性與可行性；

3）將模型轉(zhuǎn)換為基于RTU 的仿真模型并生成代碼；

4）將代碼下載入系統(tǒng)，在線(xiàn)調(diào)試參數(shù)，完成算法的驗(yàn)證。如圖6 所示。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所提出的基于RTU 的PMSM 無(wú)位置傳感器低速控制算法的研究，本文結(jié)合如圖7 所示的無(wú)位置傳感器控制框圖，在RTU 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖7 所示，控制系統(tǒng)由坐標(biāo)變換模塊、PI 模塊、SVPWM 模塊、永磁同步電機(jī)模塊、逆變器模塊等組成。根據(jù)文獻(xiàn)[17]高頻信號(hào)注入觀測(cè)器中Kp 和Ki 取值分別為120 和0.5。

仿真與實(shí)驗(yàn)中永磁同步電機(jī)參數(shù)如表1 所示：

表1 永磁同步電機(jī)參數(shù)

為了驗(yàn)證脈振高頻信號(hào)注入法在實(shí)際系統(tǒng)中的的有效性，搭建了基于RTU 的PMSM 無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。如圖8 所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括直流電源、示波器、驅(qū)動(dòng)器、轉(zhuǎn)接板、上位機(jī)等。

如圖9 在空載情況下，給定速度為20 r/min 時(shí)，估計(jì)轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速誤差較小，數(shù)值在零附近波動(dòng)。轉(zhuǎn)子估算位置誤差約為2.1 rad，整體來(lái)看，速度和位置誤差都在可接受的范圍內(nèi)。

為了驗(yàn)證脈振高頻信號(hào)注入法對(duì)速度突變的響應(yīng)能力，實(shí)驗(yàn)從20 r/min 切換至70 r/min，其速度波形如圖10 所示。切換過(guò)程中，轉(zhuǎn)速在很短時(shí)間（小于0.2 s）內(nèi)收斂至70 r/min，誤差基本為零；在70 r/min 時(shí)轉(zhuǎn)子的位置誤差約為1.85 rad，表明該方法在較寬的速度范圍內(nèi)有良好的估算效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于RTU 的PMSM 無(wú)位置傳感器低速控制算法的研究，進(jìn)行了PMSM 的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明脈振高頻信號(hào)注入法在無(wú)位置傳感器低速控制具有良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制精度，且魯棒性強(qiáng)。