基于轉(zhuǎn)子固有高頻信號的同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測

黃 坤，龐晴晴，王 磊

(中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州221008)

0 引 言

在高性能的同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，需要準(zhǔn)確地知道轉(zhuǎn)子位置信息，而轉(zhuǎn)子位置的檢測一般通過光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等機(jī)械位置傳感器來實(shí)現(xiàn)［1］。這些機(jī)械位置傳感器的使用又會給調(diào)速系統(tǒng)帶來不少問題:

(1)采用機(jī)械位置傳感器需要添加額外的裝置，這就大大增加了系統(tǒng)的投入成本;

(2)機(jī)械位置傳感器需要安裝在電機(jī)的軸上，同心度會影響安裝的問題，安裝不當(dāng)將影響測速精度;

(3)機(jī)械位置傳感器的安裝加大了電機(jī)軸向上的體積，使電機(jī)結(jié)構(gòu)變得較為復(fù)雜，降低了控制系統(tǒng)的機(jī)械魯棒性;

(4)由于機(jī)械位置傳感器本身受高溫、高濕等惡劣環(huán)境的影響很大，因而使得系統(tǒng)的工作精度受到環(huán)境條件的影響［2］;

(5)此外，機(jī)械位置傳感器的使用還加大了系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)的難度。

為了彌補(bǔ)位置機(jī)械傳感器的缺陷，自20世紀(jì)70年代起，越來越多的學(xué)者開始研究無機(jī)械位置傳感器的辨識方法［3］。目前絕大部分無機(jī)械位置傳感器研究都是針對永磁同步電動機(jī)或者是感應(yīng)電動機(jī)，電勵磁同步電動機(jī)的無傳感器控制卻很少提及。

本文針對電勵磁同步電動機(jī)提出了一種新穎的無機(jī)械位置傳感器的同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測方法，即轉(zhuǎn)子側(cè)注入高頻信號的位置和速度檢測方法，并且給出了一種轉(zhuǎn)子側(cè)注入高頻信號的實(shí)現(xiàn)方法。該方法一方面簡化同步電動機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，另一方面提高控制系統(tǒng)可靠性和實(shí)用性。

1 基于轉(zhuǎn)子側(cè)高頻信號注入的位置檢測原理

無傳感器的檢測原理即是利用同步電動機(jī)自身結(jié)構(gòu)構(gòu)成傳感器，根據(jù)基本的電壓和電流信號以及電機(jī)的電磁關(guān)系來計(jì)算電機(jī)位置和速度，達(dá)到取代外加的機(jī)械傳感器的目的。

如圖1所示，在電勵磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上有一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組，定子上有三個(gè)對稱分布的定子繞組，因此可以將電勵磁同步電動機(jī)本身作為一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器，轉(zhuǎn)子繞組即為旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入繞組，定子繞組即為旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出繞組［4］，在轉(zhuǎn)子側(cè)輸入高頻信號后，就可以在定子繞組中檢測到相應(yīng)的高頻響應(yīng)信號，進(jìn)而計(jì)算出轉(zhuǎn)子的位置［5］。該方法具體的工作原理分析如下。

圖1 同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置測量原理圖

當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組中疊加角頻率為ωH、有效值為UrH的高頻勵磁信號時(shí)，它會在轉(zhuǎn)子N極軸線(即d軸)方向產(chǎn)生高頻脈振磁場ΦrH=Φmsin(ωHt)，該高頻磁場幅值位置會隨轉(zhuǎn)子位置變化而移動［6］。設(shè)d軸與定子U相繞組相軸(即U軸)的空間夾角的電角度為θ，則該高頻脈振磁場分別穿過定子三相繞組的磁通(如圖1所示):

根據(jù)變壓器原理可知，該高頻脈振磁場分別在轉(zhuǎn)子繞組和定子三相繞組感應(yīng)的電勢(如圖1所示):

由于高頻電流很小，所以對于漏抗壓降相對高頻感應(yīng)電勢來說仍然很小，可以忽略繞組漏阻抗。由式(2)可得出轉(zhuǎn)子和定子繞組的高頻電壓有效值大小:

可見，定子三相高頻電壓的頻率和相位與轉(zhuǎn)子高頻電壓相同，但是有效值按照式(3)變化。

為了計(jì)算方便，將定子三相繞組輸出電壓折算到轉(zhuǎn)子側(cè)(即除以電壓比)，可以得到定子三相繞組輸出電壓折算值:

利用式(4)，可以得出定子U相高頻電壓和VW高頻線電壓:

利用式(4)可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置。

利用上述方法判斷出轉(zhuǎn)子位置角度θ的區(qū)間后，再利用式(5)可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置角度θ的大小，即:

式(6)是利用定子U相高頻電壓和VW高頻線電壓的比值來計(jì)算，因此轉(zhuǎn)子高頻勵磁電壓幅值的大小不影響計(jì)算精度。

由于得到的轉(zhuǎn)子位置角度θ為電角度，在考慮電角度與機(jī)械角度的關(guān)系后，對時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即可得到轉(zhuǎn)子的機(jī)械速度nr:

式中:p為電機(jī)的極對數(shù)。

2 無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)仿真

基于轉(zhuǎn)子高頻注入的同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)中沒有傳統(tǒng)的機(jī)械位置傳感器。同步電動機(jī)的定子繞組與定子功率變換器相連，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組與轉(zhuǎn)子功率變換器相連，在同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組上注入一個(gè)高頻電壓勵磁信號，利用電壓互感器檢測同步電動機(jī)定子繞組中含有高頻成分的電壓信號。將該電壓信號通過信號濾波器進(jìn)行濾波處理，即可得到轉(zhuǎn)子的位置信號與電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號。將其送至系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器接收到從濾波器傳來的轉(zhuǎn)速反饋信號，將其與給定信號進(jìn)行比較，從而發(fā)出控制信號，同時(shí)對定子功率變換器和轉(zhuǎn)子功率變換器進(jìn)行控制。兩個(gè)功率變換器依據(jù)系統(tǒng)控制器所發(fā)出的控制信號改變其輸出，從而實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確地控制同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖2 基于轉(zhuǎn)子高頻的同步電動機(jī)控制系統(tǒng)圖

為了驗(yàn)證本文提出的無傳感器控制方法的正確性。在Matlab環(huán)境下建立了基于轉(zhuǎn)子高頻注入的同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型。仿真中選用的電勵磁同步電動機(jī)參數(shù):pN=16 kW;UN=400 V;Uf=12 V;fN=50 Hz;nN=1 500 r/min;Rs=0.645 Ω;Rf=0.396 8 Ω;Lmd=0.052 97 H;Lmq=0.025 18 H。

2.1 基于轉(zhuǎn)子注入高頻信號的轉(zhuǎn)子位置檢測

基于轉(zhuǎn)子注入高頻信號的轉(zhuǎn)子位置檢測即通過直接對轉(zhuǎn)子注入高頻電壓信號的方法來對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測。仿真過程中，前1 s為電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁階段，1 s時(shí)給定轉(zhuǎn)速，電機(jī)起動，2 s時(shí)加入負(fù)載。注入的高頻正弦電壓的峰值為10 V，頻率為1 kHz。高頻正弦電壓的注入時(shí)間為通入勵磁電壓0.1 s以后。

圖3是轉(zhuǎn)子位置觀測的動態(tài)波形。圖中依次為定子側(cè)三相電流波形、定子側(cè)感應(yīng)的高頻正弦電壓、定子側(cè)感應(yīng)的高頻余弦電壓、解調(diào)得到的轉(zhuǎn)子位置正余弦包絡(luò)線、轉(zhuǎn)子位置的實(shí)際值和觀測值。從轉(zhuǎn)子位置觀測波形可以看出，轉(zhuǎn)子側(cè)高頻注入之后，轉(zhuǎn)子位置觀測值很快跟隨上實(shí)際值。

圖3 基于轉(zhuǎn)子注入高頻信號的轉(zhuǎn)子位置觀測

2.2 基于轉(zhuǎn)子固有高頻信號的轉(zhuǎn)子位置檢測

由于電勵磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組一般由三相可控整流橋供電(如圖4所示)，而三相可控整流橋輸出的電壓波形中含有豐富的高頻諧波成分，因此可以利用這些高頻諧波分量代替高頻注入信號來對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測。在利用轉(zhuǎn)子固有高頻信號進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測時(shí)，這里首先要對轉(zhuǎn)子電壓進(jìn)行諧波分析。

圖4 轉(zhuǎn)子繞組供電的三相可控整流橋

圖5為仿真中所用三相整流橋模塊，即通過磁鏈調(diào)節(jié)器輸出的電壓計(jì)算得到三相可控整流橋的導(dǎo)通角，再輸出相應(yīng)的開關(guān)控制信號使得三相可控整流橋輸出相應(yīng)的電壓。

圖5 三相可控整流橋模塊

圖6為由三相可控整流橋供電的轉(zhuǎn)子電壓波形，在過濾到低頻基波成分后的諧波成分如圖7所示可見，其中的300 Hz高頻諧波信號量在所有諧波成分中是最大的，這是因?yàn)槿嗫煽卣鳂蜉敵鰹橐涣}動的電壓信號，其中6 fs分量的諧波成分最為豐富，因此在fs=50 Hz時(shí)，300 Hz的分量最大。這里就采用轉(zhuǎn)子電壓波形中固有的300 Hz高頻分量來進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測。

圖8為基于轉(zhuǎn)子固有高頻信號的轉(zhuǎn)子位置檢測過程。其中波形從上到下依次為定子側(cè)三相電流波形、定子側(cè)感應(yīng)的高頻正弦電壓、定子側(cè)感應(yīng)的高頻余弦電壓、解調(diào)得到的轉(zhuǎn)子位置正余弦包絡(luò)線、轉(zhuǎn)子位置的實(shí)際值和觀測值。從轉(zhuǎn)子位置觀測波形可以看出，轉(zhuǎn)子側(cè)高頻注入之后，轉(zhuǎn)子位置觀測值很快跟隨上實(shí)際值。

圖8 基于轉(zhuǎn)子固有高頻信號的轉(zhuǎn)子位置觀測

3 結(jié) 語

同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)中的機(jī)械位置傳感器存在安裝困難、維護(hù)不方便和容易損壞等問題，無傳感器控制技術(shù)是解決問題的根本途徑。本文針對電勵磁同步電動機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)和電磁特點(diǎn)，在提出了基于轉(zhuǎn)子側(cè)高頻信號注入的轉(zhuǎn)子位置角觀測的無機(jī)械位置傳感器方法的基礎(chǔ)上，給出了一種轉(zhuǎn)子側(cè)注入高頻信號的實(shí)現(xiàn)方法，即利用電勵磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子三相可控整流橋輸出電壓中的固有高頻信號來進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測。本方法利用電勵磁同步電動機(jī)的自身結(jié)構(gòu)來檢測轉(zhuǎn)子位置信號，并通過自身繞組輸出該信號，即在轉(zhuǎn)子繞組中加高頻勵磁，定子繞組中就會感應(yīng)與轉(zhuǎn)子角度相關(guān)的高頻信號，通過定子輸出的該高頻信號就可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置角度和速度。而且利用轉(zhuǎn)子固有高頻信號來檢測轉(zhuǎn)子位置解決了實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子高頻信號的注入問題，大大加強(qiáng)了本方法的實(shí)用性。最后通過仿真分析驗(yàn)證了本文提出的無機(jī)械位置傳感器檢測方法的正確性和實(shí)用性。

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