高頻信號注入法的永磁同步電機無傳感器控制

1、高頻信號注入法的永磁同步電機無傳感器控制    介紹了一種基于電機空間凸極追蹤的轉(zhuǎn)子位置無傳感器自檢測的方法。該方法采用高頻電壓載波注入法，通過采用外差法的轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測器完成了轉(zhuǎn)子位置信息的提取,實現(xiàn)無機械位置傳感器的電機轉(zhuǎn)子位置的檢測。并通過仿真證明了這種方法的可行性。自20世紀(jì)80年代以來，隨著現(xiàn)代電機技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)及計算機技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，交流伺服控制技術(shù)的發(fā)展得以極大的邁進，使得先前困擾著交流伺服系統(tǒng)的電機控制復(fù)雜、調(diào)速性能差等問題取得了突破性的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)的性能日漸提高，價格趨于合理，使得交流伺服

2、系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)尤其是在高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動領(lǐng)域成了現(xiàn)代電伺服驅(qū)動系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢。滿足高性能系統(tǒng)的技術(shù)要求.以永磁同步電機電力傳動系統(tǒng)為例,為了實現(xiàn)高精度、高動態(tài)性能的速度和位置控制,一般應(yīng)采用磁場定向矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制.但是無論采取哪種控制方案,都需要測量轉(zhuǎn)子的速度和位置,一般是通過機械式傳感器(編碼器、解算器和測速發(fā)電機)來實現(xiàn).但是,這類傳感器有安裝、電纜連接、故障等問題,并影響系統(tǒng)的可靠性和限制系統(tǒng)的使用范圍,不符合集成應(yīng)用系統(tǒng)的要求。為了解決機械傳感器給調(diào)速系統(tǒng)帶來的各種缺陷,許多學(xué)者開展了無機械傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)的研究.無機械傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)是指利用電機繞組中

3、的有關(guān)電信號,通過適當(dāng)?shù)姆椒ü烙嫵鲛D(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置自檢測.曾有很多文章提出了各種轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測方法,其中大多數(shù)都是通過檢測基波反電勢來獲得轉(zhuǎn)子的位置信息.這種基于基波激勵的方法實施雖然簡單,但在零速或低速時因反電勢過小而根本無法檢測,因此只適用于高轉(zhuǎn)速運行.另外,由于這些方法要利用基波電壓和電流信號計算轉(zhuǎn)子位置和速度,它們對電機參數(shù)的變化很敏感,魯棒性差。 為了包括在零速在內(nèi)的任何速度下都能夠獲得精確的轉(zhuǎn)子位置信息,一些文獻提出了一種新的轉(zhuǎn)子位置自檢測方法,即轉(zhuǎn)子凸極追蹤法.這種方法要求電機具有一定程度的凸極性,而且需要有持續(xù)高頻激勵,從而可以實現(xiàn)電機全速度范圍內(nèi)

4、轉(zhuǎn)子位置的檢測.由于這種方法追蹤的是電機轉(zhuǎn)子的空間凸極效應(yīng),因此對電機參數(shù)的變化不敏感,魯棒性好.可以看出,這種轉(zhuǎn)子位置無傳感器自檢測方法學(xué)術(shù)思想新穎,其研究具有重要的理論意義和工程實用價值。本文基于轉(zhuǎn)子凸極追蹤思想,介紹了采用高頻電壓載波注入法對內(nèi)插式永磁IPM同步電機轉(zhuǎn)子凸極位置實現(xiàn)跟蹤的原理,詳細討論了SPWM電壓勵磁條件下轉(zhuǎn)子自檢測方法的實現(xiàn)技術(shù),利用Mat-lab建立了凸極效應(yīng)自檢測過程的仿真模型,給出了高、低速運行下轉(zhuǎn)子位置自檢測結(jié)果。    1 基于電機空間凸極的追蹤轉(zhuǎn)子位置檢測原理    

5、除了面貼式外,一般永磁同步電機均會呈現(xiàn)出一定凸極性,從而為通過注入高頻載波信號來跟蹤轉(zhuǎn)子凸極提供可能.高頻載波信號注入法可分為電流注入法和電壓注入法,其中電壓注入法實現(xiàn)較為簡單.設(shè)注入的三相平衡電壓用一個以載波信號頻率旋轉(zhuǎn)的載波電壓矢量來表示式中： 為靜止d-q坐標(biāo)系中注入的高頻載波電壓，為載波電壓矢量的幅值。在SPWM電壓源型逆變器供電的拖動系統(tǒng)中，可以通過逆變器將高頻載波信號直接加在電機的基波勵磁上，如圖1所示。此時，電機的端電壓為式中：為基波電壓矢量的幅值。圖1 電流型PWM電壓源逆變器高頻信號注入法原理圖    高頻載波信號的

6、頻率一般取1kHZ左右，遠遠高于基波頻率，因此在載波電壓信號勵磁時，電機的阻抗主要取決于電機的自感 ，此時電機的模型可以簡化為如果電機在每一個極距范圍內(nèi)只呈現(xiàn)出一個空間凸極，那么在以基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系中，電機定子電感可以表示為在靜止d-q坐標(biāo)系中，上式可以進一步轉(zhuǎn)化為式中：為定子平均電感，為定子微分電感，為以電角度表示的凸極位置。載波電壓矢量作用在有凸極效應(yīng)的電機中，產(chǎn)生出的載波電流矢量包含有正相序和負相序兩個分量，即式中載波電流正、負相序分量的幅值分別為：其中，正相序分量不包含位置信息，其幅值與平均電感成正比；負相序分量包含位置信息，其幅值與微分電感成正比。為了提取載波

7、電流負相序分量相角中包含的凸極位置信息，必須濾除基波電流和載波電流的正相序分量?；娏髋c載波電流頻率相差較大，可簡單地采用帶通濾波器濾除。載波電流的正相序分量與負相序分量的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此可以先將載波信號電流轉(zhuǎn)換到與載波信號電壓同步旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系中，使載波電流的正相序分量呈現(xiàn)成直流，再利用高通濾波器將其濾除。這種同步高通濾波器的框圖如下圖所示：圖2 同步高通濾波器    在濾除定子電流的基波分量和正相序載波電流分量后，可利用轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測器實現(xiàn)轉(zhuǎn)子空間位置的自檢測。跟蹤觀測器采用外差法，通過單位幅值載波電路負相序分量與實際載波電流負相序

8、分量的矢量叉乘獲得轉(zhuǎn)子位置誤差信號。即圖3 采用外差過程的轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測器    由于負相序載波電流分量的估計值采用了單位幅值表達，估計值對電機參數(shù)的變化不敏感。    2 內(nèi)插式永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置檢測    為了驗證基于空間凸極追蹤的轉(zhuǎn)子位置檢測原理的正確性和可行性，筆者對一臺內(nèi)插式永磁同步電機進行轉(zhuǎn)子位置檢測過程仿真，采用電流矢量控制實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，額定運行頻率為200HZ，注入高頻載波信號頻率為1400HZ，供電用SPWM電壓源型逆變器，開關(guān)頻

9、率為14kHZ。仿真中所用電機參數(shù)如下：額定電壓  220V額定電流  2A額定功率  400W額定轉(zhuǎn)速  6000r/m in額定轉(zhuǎn)矩  0.64N?m定子每相電阻 1.51極對數(shù)     2轉(zhuǎn)動慣量   0.244×10-3kg.m2由于所選的永磁同步電機的基波電壓額定頻率為200HZ，注入電壓信號頻率取為1500HZ,其幅值取為基波幅值的1/10,以避免對電動機運行產(chǎn)生負面影響，P

10、WM逆變器采用SPWM調(diào)制，且載波頻率為20KHZ，圖5所示是電動機在額定轉(zhuǎn)速（6000r/min）下運行時提取的高頻電流矢量的空間軌跡。由于轉(zhuǎn)子的連續(xù)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子位置角成為時間的函數(shù)，此時的空間軌跡并非是一般的封閉橢圓，但同樣表明了依賴于轉(zhuǎn)子位置的凸極存在。圖4 靜止坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子不同位置上載波電流矢量軌跡當(dāng)轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動時，靜止dq坐標(biāo)系中載波電流矢量軌跡如圖5所示。由于轉(zhuǎn)子一直在轉(zhuǎn)動，每個載波電流周期的載波電流矢量不能形成一個閉合橢圓，但每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一圈時，載波電流矢量的軌跡仍將閉合，且橢圓轉(zhuǎn)動的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向一致。圖5 靜止坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動時載波電流矢量軌跡由上

11、面的原理分析中我們可知載波矢量負相序分量是一個長度固定，其角位置包含凸極位置信息。故利用轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測器對載波電流矢量的負相序分量進行適當(dāng)處理，就可以獲得轉(zhuǎn)子的空間位置。為了考核包括接近零轉(zhuǎn)速在內(nèi)的全速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子位置檢測的有效性，選擇轉(zhuǎn)速60和6000r/min進行仿真。當(dāng)轉(zhuǎn)速在60r/min時，估算與實測的轉(zhuǎn)子位置曲線如圖6所示，轉(zhuǎn)子估算值與實測值之差幾乎為零；而在6000r/min時的轉(zhuǎn)子實際位置和估算位置的情況也與60r/min時差不多。由上可以看出，無論運行在低速還是高速，這種自檢測方法都能夠很好地跟蹤電機轉(zhuǎn)子實際位置，獲得很好的跟蹤精度。圖6 轉(zhuǎn)子位置的測量值與估算值（60r/min）圖7 轉(zhuǎn)子位置的測量值與估算值（6000r/min）    3 結(jié)論    本文介紹了一種基于電機空間凸極這一基本現(xiàn)象的轉(zhuǎn)子位置自檢測方法高頻注入法的永磁同步電機無傳感器