段璐瑤,姚紅兵,王 馳

(鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 鹽城 224005)

0 引言

傳統(tǒng)單相交流驅(qū)動系統(tǒng)由三級電路組成:前級電路為單相不可控整流橋、中間級為脈動直流母線,通過并聯(lián)容值幾百至幾千微法的電解電容進(jìn)行穩(wěn)壓、后級電路采用三相逆變電路將直流電逆變成交流電,該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì),在驅(qū)動電路板正常工作情況下,導(dǎo)致電路板出現(xiàn)故障的原因很多。但是超過6成電路故障都是由于電解電容無法正常工作導(dǎo)致的[4-5]。為了解決這個問題,提高電路板使用壽命及可靠性,采用高性能、高可靠性的薄膜電容即小電容被諸多學(xué)者關(guān)注。由于小電容無法很好抑制逆變器逆變過程中產(chǎn)生的二倍頻低次諧波,導(dǎo)致整個電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行受到一定影響[6]。

圖1 傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)框

小電容驅(qū)動系統(tǒng)中含有的低次諧波導(dǎo)致d-q軸參考電壓產(chǎn)生波動,而滑膜觀測器輸入信號取自于d-q軸參考電壓。因此,小電容驅(qū)動系統(tǒng)中采用無位置傳感器估測反電動勢信息誤差增大。為此,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行深入研究。齊江博[7]在d-q軸上搭建一個轉(zhuǎn)子位置信息觀測器,該觀測器包含反饋矩陣、跟蹤單元以及觀察模塊。該控制系統(tǒng)較為復(fù)雜,在小電容驅(qū)動系統(tǒng)中對二倍頻諧波的抑制能力不足。黃盈亮等[8]構(gòu)建虛擬坐標(biāo)系,并在該虛擬坐標(biāo)系上估算轉(zhuǎn)子位置信息。但是,未考慮虛擬坐標(biāo)系與實(shí)際坐標(biāo)系之間的誤差,觀測精度會因虛擬坐標(biāo)系構(gòu)建精度不足產(chǎn)生誤差。羅輝在傳統(tǒng)滑模觀測器控制策略中,將擴(kuò)展反電動勢與q軸電流進(jìn)行解耦,降低小電容驅(qū)動系統(tǒng)中,低次諧波對觀察精度的影響,取得一定的效果[9]。

本文針對小電容驅(qū)動系統(tǒng)工況對無位置傳感器控制策略的影響,提出一種變換坐標(biāo)系濾波的控制策略。選擇在同步選擇坐標(biāo)系上進(jìn)行諧波抑制,不僅能夠很好地消除諧波影響,同時對于估測的反電動勢信息不產(chǎn)生負(fù)面影響。提取不包含諧波的反電動勢信息,通過鎖相環(huán)精確地估測出轉(zhuǎn)子位置信息。本設(shè)計(jì)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該控制策略的可行性。

1 改進(jìn)滑模觀測器獲取轉(zhuǎn)子位置信息

傳統(tǒng)無位置控制策略流程為:取自于d-q軸參考電壓作為滑膜觀測器輸入信號,經(jīng)滑模觀測器獲得估測反電動勢,低通濾波器用來消除高頻斗振,最后通過鎖相環(huán)獲得轉(zhuǎn)子位置信息。然而,無位置傳感器控制策略無法抑制小電容驅(qū)動系統(tǒng)中存在的二倍頻諧波污染。

為提高在小電容驅(qū)動系統(tǒng)中無位置控制策略的估測精度,本設(shè)計(jì)提出一種變換坐標(biāo)系濾波的控制策略。其工作原理如圖2所示:將α-β軸交流性質(zhì)反電動勢eα、eβ經(jīng)park變換為d-q坐標(biāo)系直流性質(zhì)ed、eq,α-β軸上的諧波被再次變換回二倍頻諧波。該控制策略有效區(qū)分出反電動勢和諧波分量,經(jīng)過諧波抑制環(huán)節(jié),消除二倍頻諧波,有效提高小電容驅(qū)動系統(tǒng)中無位置傳感器控制估測精度。具體工作原理如下:

圖2 改進(jìn)滑模觀測器原理框

首先通過滑模觀測器獲得eα、eβ:

(1)

eα、eβ由park變換得到ed和eq,其中eα、eβ基波分量經(jīng)park變換得到ed0、eq0,如公式(10)所示:

(2)

式中:ed0、eq0分別為d-q軸直流分量。

(3)

(4)

圖3 二倍頻諧波抑制模塊

以上分析可知,通過park變換將eα、eβ變換回d-q坐標(biāo)系下,反電動勢基波分量轉(zhuǎn)換為直流量,反電動勢含有的諧波變換回單頻率的100 Hz分量,且諧波頻率不再隨轉(zhuǎn)速變化而變化,故本文所提出在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中抑制諧波能有效提高小電容驅(qū)動系統(tǒng)中采用無位置傳感器估測精度。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)滑模觀測器控制策略的有效性,本設(shè)計(jì)搭建0.65 kW內(nèi)置式永磁電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺。為方便觀測精度,平臺增加增量式光電編碼器測量轉(zhuǎn)子實(shí)際位置與本文控制策略估測轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行對比。平臺實(shí)驗(yàn)采用各類關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。圖4是矢量控制算法和改進(jìn)滑模觀測器試驗(yàn)平臺,電機(jī)控制是基于矢量控制算法的基礎(chǔ)上研究進(jìn)行的。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物

圖5(a)(b)分別為傳統(tǒng)滑模觀測器與改進(jìn)型滑模觀測器獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息。可以看出,改進(jìn)滑模觀測器獲得轉(zhuǎn)子位置信息更為精確,驗(yàn)證本文理論可行性。

圖5 估測轉(zhuǎn)子位置信息波形

3 結(jié)語

本文提出的改進(jìn)滑模觀測器控制策略,將反電動勢eα、eβ變換至d-q坐標(biāo)系,有效區(qū)分出反電動勢和諧波分量,經(jīng)過諧波抑制環(huán)節(jié),消除二倍頻諧波,改善該系統(tǒng)中無位置傳感器控制估測精度。通過鎖相環(huán)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速,本設(shè)計(jì)消除轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速觀測值諧波脈動誤差,提高了觀測精度。此外,本設(shè)計(jì)加入濾波環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單且未引入新的需要調(diào)節(jié)參數(shù),故調(diào)試難度低。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明,本文所提出的控制策略能夠有效減少小電容工況下轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估算的諧波脈動誤差,提高觀測精度。