牛高產(chǎn)，張小波，李 立，黃奇卉

(1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070；2.廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070；3.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070)

0 引 言

當(dāng)前，在風(fēng)機(jī)、水泵和通用機(jī)械等領(lǐng)域仍主要以低能效的異步電機(jī)為主，部分高能效場(chǎng)合采用永磁同步電機(jī)，但高性能的永磁體通常含有稀土成分，難以節(jié)省能源、降低成本。無(wú)永磁體、工藝簡(jiǎn)單的同步磁阻電機(jī)遵循磁阻最小原則，以d軸和q軸的磁阻差異產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。同時(shí)，同步磁阻電機(jī)有用料成本低、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、效率高、不存在退磁問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用空間廣闊。

位置傳感器受本身性能、安裝成本和安裝環(huán)境的限制，應(yīng)用有限；無(wú)傳感器控制技術(shù)作為一種檢測(cè)電機(jī)位置和速度的方法，其降低了電機(jī)系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性[2]。在設(shè)計(jì)無(wú)位置傳感器控制模型時(shí)，需要格外注意電機(jī)磁鏈觀測(cè)器的穩(wěn)定性[3]。通常永磁同步電機(jī)采用反電動(dòng)勢(shì)法獲取轉(zhuǎn)子位置信息，而同步磁阻電機(jī)無(wú)永磁體，在低速運(yùn)行時(shí)傳統(tǒng)的反電動(dòng)勢(shì)法無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步磁阻電機(jī)的高精度控制。文獻(xiàn)[4]采用省略低通濾波器的擴(kuò)展滑模觀測(cè)器估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子速度和位置，但同步磁阻電機(jī)本身轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，滑模觀測(cè)器本身具有抖振特點(diǎn)，勢(shì)必影響觀測(cè)效果。文獻(xiàn)[5]通過(guò)構(gòu)造鎖相環(huán)在低速區(qū)能獲得更好的觀測(cè)結(jié)果，但是利用高頻小信號(hào)的注入，可能引入高頻噪聲，易對(duì)其它工作區(qū)域產(chǎn)生干擾。文獻(xiàn)[6]提出利用同步磁阻電機(jī)的電流模型和電壓模型兩種模型觀測(cè)到的誤差，通過(guò)修正環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)電壓模型觀測(cè)的磁鏈值，使磁鏈誤差趨近于零，該方法雖然能觀測(cè)到準(zhǔn)確的定子磁鏈，但針對(duì)電機(jī)電感參數(shù)的變化，需要建立查表得到不同工況下的實(shí)時(shí)電感，工作量繁瑣。

本文基于同步磁阻電機(jī)的電壓模型方程，提出了一種自適應(yīng)磁鏈觀測(cè)器，當(dāng)電機(jī)電感參數(shù)隨著電流變化時(shí)，能夠穩(wěn)定觀測(cè)磁鏈值，從而提高同步磁阻電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速的估測(cè)精度，提高系統(tǒng)的魯棒性。

1 同步磁阻電機(jī)在d,q坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型

在d,q坐標(biāo)系上，規(guī)定同步磁阻電機(jī)d軸正方向位于電機(jī)沒(méi)有磁障的方向，q軸與d軸正交，位于磁障上，而且d軸磁阻小，q軸磁阻大。同步磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型和永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型相似，同步磁阻電機(jī)的d軸磁鏈不存在永磁體磁鏈，則同步磁阻電機(jī)的電壓方程：

(1)

(2)

式中：Ld,Lq分別是電機(jī)定子d軸和q軸電感。電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程可表示：

(3)

式中：Te是電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；p是電機(jī)極對(duì)數(shù)。

2 自適應(yīng)磁鏈觀測(cè)器的設(shè)計(jì)

為了獲得無(wú)位置傳感器控制下的電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置角度，本文主要圍繞電機(jī)定子磁鏈的自適應(yīng)觀測(cè)展開(kāi)。電機(jī)需要的轉(zhuǎn)速和角度信息由參考模型和自適應(yīng)模型的觀測(cè)誤差得到。參考模型：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

通過(guò)觀測(cè)到的磁鏈誤差計(jì)算電機(jī)角速度和角度的方法有多種[7]，本文采用PI控制得到：

(9)

kp，ki和自適應(yīng)觀測(cè)器帶寬有關(guān)，通過(guò)電機(jī)角速度積分得到角度值：

(10)

3 仿真驗(yàn)證

本文通過(guò)MATLAB/Simulink仿真模型驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的觀測(cè)器性能，搭建的同步磁阻電機(jī)矢量控制模型如圖1所示。

圖1 同步磁阻電機(jī)矢量控制模型

仿真使用的同步磁阻電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 同步磁阻電機(jī)實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

首先，改變電機(jī)速度。從零開(kāi)始加速至500r/min，以500 r/min為一個(gè)加速階段，加速至1 500 r/min。此時(shí)，電機(jī)運(yùn)行速度變化波形、轉(zhuǎn)子位置變化波形如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)電機(jī)加速時(shí)，觀測(cè)的旋轉(zhuǎn)角度與速度和實(shí)際值基本重合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)磁鏈和位置的精確觀測(cè)。

(a) 電機(jī)轉(zhuǎn)速

(b) 電機(jī)位置角度

接著分析該磁鏈觀測(cè)器的帶載能力。改變電機(jī)負(fù)載從5 N·m，加載到15 N·m，再加至25 N·m，如圖3所示。負(fù)載變化時(shí)，觀測(cè)速度和實(shí)際速度有較小的超調(diào)，但很快達(dá)到穩(wěn)定值。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該觀測(cè)器性能基本不受負(fù)載影響。

(a) 電機(jī)轉(zhuǎn)速

(b) 電機(jī)位置角度

(c) 電機(jī)三相電流

同步磁阻電機(jī)的d軸和q軸電感會(huì)隨著電流的變化而變化，為此，本文進(jìn)一步驗(yàn)證該觀測(cè)器的魯棒性。假設(shè)當(dāng)同步磁阻電機(jī)d軸電感變?yōu)長(zhǎng)d=100 mH，Lq=30 mH，仿真結(jié)果如圖4所示。前3 s對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和角度位置情況，第3 s后對(duì)應(yīng)負(fù)載變化時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和角度位置情況。仿真結(jié)果表明，電機(jī)d軸和q軸電感發(fā)生變化后，除了在電機(jī)轉(zhuǎn)速切換至額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)，發(fā)生輕微振蕩，其他狀態(tài)下電機(jī)均能穩(wěn)定運(yùn)行，這說(shuō)明所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制器具有較強(qiáng)的魯棒性，當(dāng)同步磁阻電機(jī)d軸和q軸的電感發(fā)生較大變化時(shí)，觀測(cè)器仍然能夠及時(shí)準(zhǔn)確跟隨。

(a) 電機(jī)轉(zhuǎn)速

(b) 電機(jī)位置角度

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文策略的可行性，實(shí)驗(yàn)以自主研發(fā)的變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片TMS320F28034實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和模塊化編程，同時(shí)連接380 V變頻電源柜，采用0～50 N·m對(duì)拖加載測(cè)試臺(tái)，具體控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

同步磁阻電機(jī)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

圖6是電機(jī)運(yùn)行400r/min、600r/min、900r/min、1 500 r/min時(shí)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行得到的電機(jī)定子相電流波形圖?？梢钥闯觯娏鞑ㄐ握叶雀?，魯棒性能良好。

(a) n=400 r/min

(b) n=600 r/min

(c) n=900 r/min

(d) n=1 500 r/min

表2分別為900r/min,1200r/min,1500r/min,1 800 r/min在額定轉(zhuǎn)矩下對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和用軟件仿真的數(shù)據(jù)。由表2中數(shù)據(jù)可知，采用本文策略得到的電機(jī)效率明顯優(yōu)于仿真時(shí)的效率。

表2 額定轉(zhuǎn)矩為25.46 N·m下的測(cè)試數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證同步磁阻電機(jī)的帶載能力，在電機(jī)運(yùn)行1 500 r/min時(shí)突加額定負(fù)載25.46 N·m后，立刻卸載，電機(jī)無(wú)異常波動(dòng)，仍能穩(wěn)定運(yùn)行，如圖7所示。由圖7可看出，采用本文所提出的策略,電機(jī)具備良好的抗負(fù)載干擾能力。

圖7 突加突卸電流波形

5 結(jié) 語(yǔ)

本文得到同步磁阻電機(jī)在d，q軸坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)其數(shù)學(xué)模型和自適應(yīng)觀測(cè)器原理，設(shè)計(jì)了一種同步磁阻電機(jī)的自適應(yīng)磁鏈觀測(cè)器，用于觀測(cè)電機(jī)角速度和位置信息。建立電機(jī)矢量控制模型，為驗(yàn)證本文磁鏈觀測(cè)器的性能，改變電機(jī)速度、改變電機(jī)負(fù)載和改變電機(jī)電感的。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該磁鏈觀測(cè)器能夠準(zhǔn)確觀測(cè)電機(jī)位置，并具有較強(qiáng)的魯棒性。