基于旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入的對(duì)轉(zhuǎn)PMSM無(wú)傳感器控制

徐海珠，謝順依，王 鼎，王松林

(海軍工程大學(xué)，湖北武漢430033)

0引 言

對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)［1］功率密度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小;徑向拉力小、無(wú)陀螺效應(yīng)，有兩個(gè)機(jī)械輸出端口，可直接驅(qū)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)，在水下電力推進(jìn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［2］。

對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步推進(jìn)電動(dòng)機(jī)由一個(gè)定子和兩個(gè)永磁轉(zhuǎn)子組成，如圖1所示。外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子分別安裝徑向磁化的永磁體，定子兩側(cè)安裝螺線管繞組，繞組端部大大縮短，電機(jī)效率和功率密度大幅提高［3］。

圖1 對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

電樞內(nèi)外兩層繞組相序相反［1］，在繞組兩側(cè)產(chǎn)生等大而反向旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，進(jìn)而在兩個(gè)轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生等大而反向的電磁轉(zhuǎn)矩。

在矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等高性能控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)精確控制，位置、速度信息必不可少［4］，通常需要在轉(zhuǎn)子軸上安裝機(jī)械傳感器。對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)轉(zhuǎn)子，至少需要六套霍爾傳感器和六個(gè)饋電環(huán)，才能得到轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置，這使電機(jī)增加了體積、成本和復(fù)雜度，降低了可靠性和使用范圍。為了克服機(jī)械式傳感器帶來(lái)的缺陷，學(xué)者開(kāi)展了無(wú)機(jī)械式傳感器系統(tǒng)的研究［5］。其中旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)，在全速度域內(nèi)能獲得較高的跟蹤精度，應(yīng)用最廣泛［6］。

文獻(xiàn)［7］探討了內(nèi)轉(zhuǎn)子—外轉(zhuǎn)子式永磁電機(jī)的控制策略，這種電機(jī)只是使傳統(tǒng)永磁電機(jī)的定子旋轉(zhuǎn)起來(lái)，故其控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)永磁電機(jī)沒(méi)有本質(zhì)差別。文獻(xiàn)［8］探討了對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁模型和工作原理。但已有文獻(xiàn)中關(guān)于對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)控制策略的研究很少，特別是當(dāng)推進(jìn)器受到擾動(dòng)時(shí)，兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生差異，航行器易發(fā)生陀螺效應(yīng)，限制了其在精密航行器上的應(yīng)用。因此研究對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制策略，維持其等速對(duì)轉(zhuǎn)特性，消除陀螺效應(yīng)，對(duì)水下電力推進(jìn)有重要意義。

本文針對(duì)凸極對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步推進(jìn)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相等的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于高頻旋轉(zhuǎn)電壓信號(hào)注入的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法，可在全速域內(nèi)完成對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)傳感器控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速跟隨。

1無(wú)傳感器控制原理

式中:Ud、Uq、id、iq為電機(jī) dq 軸電壓和電流;p 表示對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù);Ld1、Lq1為內(nèi)轉(zhuǎn)子的 dq軸電感;Ld2、Lq2為外轉(zhuǎn)子的 dq軸電感;Ψf1、Ψf2、ω1、ω2分別為內(nèi)外轉(zhuǎn)子的永磁磁鏈和機(jī)械角速度;Rs為內(nèi)外電機(jī)的電阻。

設(shè)基波電壓和高頻電壓幅值分別為Vf、Vh，頻率分別為ωf、ωh，則對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸入總電壓由兩者合成。因?yàn)楦哳l旋轉(zhuǎn)下ωf?ωh，電機(jī)反電勢(shì)主要由電感提供，即:

電機(jī)在每一個(gè)極距范圍內(nèi)只呈現(xiàn)出一個(gè)空間凸極，由式(1)可得在基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中，高頻電壓激勵(lì)下，對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的電流響應(yīng)為［1，6］:

分母中也包含和位置有關(guān)的信息sin 2(θ1-θ2)，但其幅值太小，可忽略?？傻檬?4):

式中:θh=ωht，θh為高頻注入電壓旋轉(zhuǎn)角。高頻注入電壓被內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子凸極分別調(diào)制，因此可將電流分解為內(nèi)轉(zhuǎn)子調(diào)制電流和外轉(zhuǎn)子調(diào)制電流。

式中:

Ip1為內(nèi)轉(zhuǎn)子調(diào)制電流的正序部分，與高頻注入電壓同方向旋轉(zhuǎn);In1為內(nèi)轉(zhuǎn)子調(diào)制電流負(fù)序部分，與高頻注入電壓反方向旋轉(zhuǎn)。同理，Ip2為外轉(zhuǎn)子調(diào)制電流正序部分;In1為外轉(zhuǎn)子調(diào)制電流負(fù)序部分。

由式(5)可知，只有高頻電流負(fù)序分量的相位中包含轉(zhuǎn)子位置θ1和θ2信息。

根據(jù)《山西省太谷縣城市飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)報(bào)告》保護(hù)區(qū)劃分結(jié)果，龐莊水庫(kù)一級(jí)水域?yàn)槿∷诎霃?00 m范圍內(nèi)區(qū)域，保護(hù)面積0.079 5 km2，保護(hù)區(qū)周長(zhǎng)1 298 m；二級(jí)水域?yàn)橐患?jí)保護(hù)區(qū)以外的水域，保護(hù)區(qū)面積0.74 km2，保護(hù)區(qū)周長(zhǎng)7 255 m；一級(jí)陸域?yàn)檎Ｋ痪€942 m以上200 m范圍的陸域，保護(hù)區(qū)面積2.4 km2，保護(hù)區(qū)周長(zhǎng)24 225 m；二級(jí)陸域?yàn)樗畮?kù)上游周邊山脊線以?xún)?nèi)及入庫(kù)河流上溯3 000 m的匯水區(qū)域，保護(hù)區(qū)面積56.25 km2，保護(hù)區(qū)周長(zhǎng)25 286 m。

2轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器

凸極對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸入電壓中包含旋轉(zhuǎn)高頻電壓矢量時(shí)，其電樞響應(yīng)電流主要有基頻電流、高頻響應(yīng)電流、高頻PWM開(kāi)關(guān)諧波電流。經(jīng)過(guò)低通濾波器(LPF)可得到基頻電流進(jìn)入電流控制器。只有高頻響應(yīng)電流中的負(fù)序分量含有凸極位置信息，鎖定即可得到轉(zhuǎn)子位置信息。從定子電流信號(hào)中提取轉(zhuǎn)子位置信息包括五個(gè)步驟:

(1)采用帶通濾波器(BPF)得到高頻響應(yīng)電流。

(2)采用同步軸系高通濾波器(SFF)去除響應(yīng)電流中的正序分量。SFF將高頻響應(yīng)電流轉(zhuǎn)換到一個(gè)與高頻電壓信號(hào)同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中，正序電流信號(hào)變成一個(gè)直流信號(hào)，用高通濾波器濾除。

(3)通過(guò)坐標(biāo)變換將載波電流的負(fù)序分量變換 到負(fù)序載波信號(hào)同步參考坐標(biāo)系中，從而去除負(fù)序分量中的高頻分量。

(4)利用鎖相環(huán)(PLL)得到兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置信息。穩(wěn)態(tài)時(shí)兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大小相等，可以通過(guò)鎖相環(huán)濾去電流中幅值較小的高階分量，得到電機(jī)兩個(gè)轉(zhuǎn)子的角頻率ω，積分后可得兩個(gè)轉(zhuǎn)子的位置估計(jì)值，如下:

式中:p、q為負(fù)序電流的基波正弦、余弦分量;r、s為二次諧波正弦、余弦分量;為內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)值;為內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子位置的初始值。

(5)利用外差法得到兩個(gè)轉(zhuǎn)子的位置誤差ε1、ε2，跟蹤即可得到轉(zhuǎn)子位置的實(shí)際值。轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)過(guò)程如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)過(guò)程

3無(wú)傳感器控制系統(tǒng)

對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步推進(jìn)電動(dòng)機(jī)中，內(nèi)外電機(jī)的電樞串聯(lián)，僅控制電樞電流就可控制雙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。矢量控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)電流采用id=0控制，外環(huán)為轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)電機(jī)受到瞬時(shí)擾動(dòng)時(shí)，兩轉(zhuǎn)子負(fù)載不等，因而轉(zhuǎn)速產(chǎn)生差異，電機(jī)發(fā)生陀螺效應(yīng)。系統(tǒng)對(duì)兩轉(zhuǎn)子采用相同的參考轉(zhuǎn)速，分別進(jìn)行PI調(diào)節(jié);采用外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角進(jìn)行矢量變換，讓內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟隨外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，保證電機(jī)擾動(dòng)后兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速迅速恢復(fù)相等。控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)無(wú)傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4仿真結(jié)果及分析

對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)及無(wú)傳感器控制系統(tǒng)仿真模型的參數(shù)如下:磁通 0．185 Wb，電阻 0．4 Ω，交、直軸同步電感 8．5 mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0．015 kg·m2，極對(duì)數(shù)為6，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min，逆變器輸入直流電壓310 V，頻率為20 kHz。基頻電壓為100 Hz，高頻注入電壓頻率為750 Hz，幅度為基波幅度的1/10。其帶通濾波器的通帶設(shè)置在600 Hz和900 Hz之間。

(1)位置估計(jì)?？蛰d下電機(jī)分別以高速(1 000 r/min)、低速(300 r/min)旋轉(zhuǎn)。高速時(shí)具有較好的辨識(shí)速度和精度，低速時(shí)位置估計(jì)及誤差如圖4和圖5，可見(jiàn)轉(zhuǎn)子位置估算比較準(zhǔn)確。

(2)轉(zhuǎn)速響應(yīng)。仿真持續(xù)0．6 s，模擬電機(jī)擾動(dòng)。0．1 s設(shè)置兩轉(zhuǎn)子的負(fù)載為［8，14］N·m，在0．2 s時(shí)負(fù)載突降為［3，5］N·m，0．4 s時(shí)負(fù)載驟增為［25，15］N·m，得到如圖6所示的電機(jī)給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線?？梢?jiàn)瞬態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速估計(jì)有一定誤差，穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速估計(jì)較為精確。

剛起動(dòng)時(shí)，由于兩轉(zhuǎn)子負(fù)載差異，且控制策略還沒(méi)有發(fā)揮作用，兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差異較大，但在相同的參考轉(zhuǎn)速和內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟隨的條件下，0．25 s后，兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差異減至8 r/min，負(fù)載驟增時(shí)最大轉(zhuǎn)速差為15 r/min，僅為額定轉(zhuǎn)速的1．5%，如圖7所示。

5結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法，可在全速域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的無(wú)傳感器控制，設(shè)計(jì)了雙轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速跟隨測(cè)量，可以使對(duì)轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)在擾動(dòng)下抑制陀螺效應(yīng)。結(jié)果表明，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速;實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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