永磁同步電機(jī)變頻控制器位置預(yù)估及實(shí)現(xiàn)方法

劉學(xué)鵬，郝曉紅，張東升

(1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，廣東中山528404;2.華南理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東廣州510641;3.成都電子科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，四川成都610054;4.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710049)

永磁同步電機(jī)的變頻控制是電機(jī)行業(yè)的一個(gè)難點(diǎn)，盡管國內(nèi)外已有一定的研究基礎(chǔ)和產(chǎn)品，但是從行業(yè)角度和實(shí)踐來看，這一技術(shù)本身的發(fā)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，尚未形成一個(gè)比較系統(tǒng)而實(shí)用的體系。因此，開展永磁同步電機(jī)變頻控制研究和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)仍是當(dāng)前變頻行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要研究內(nèi)容。

變頻控制的核心在于保障高低頻下反饋信號(hào)推導(dǎo)出精確的轉(zhuǎn)子位置關(guān)聯(lián)因素。低頻下，同步電機(jī)電流和電壓變化量小，國內(nèi)外的很多學(xué)者和工程師針對基于微小信號(hào)的電機(jī)位置預(yù)估進(jìn)行了研究，提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析等現(xiàn)代手段，取得了一定的成果［1－6］，但是這些技術(shù)具有計(jì)算量龐大、計(jì)算手段復(fù)雜、難以產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用的缺點(diǎn)?，F(xiàn)有的變頻器在快速變頻的過程中，具有負(fù)荷不穩(wěn)定、噪聲大、耗能大的缺點(diǎn)。

作者提出了一種能夠迅速穩(wěn)定工況、負(fù)荷穩(wěn)定、耗能低、噪聲小的基于電信號(hào)的永磁電機(jī)變頻控制器位置預(yù)估及實(shí)現(xiàn)方法。

1 永磁同步電機(jī)模型

對于由PMSM組成的變頻調(diào)速系統(tǒng)來說，采用定向磁場調(diào)節(jié)技術(shù) (用固定于轉(zhuǎn)子的參考坐標(biāo)即旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系來描述和分析它們的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能)是十分方便的。取永磁體磁場的方向?yàn)閐軸，順著旋轉(zhuǎn)方向超前d軸電角度90°的為q軸，轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)速度即為轉(zhuǎn)軸速度［1－2］，dq軸系隨同轉(zhuǎn)子以角頻率ω一道旋轉(zhuǎn)，可得到永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq下的數(shù)學(xué)模型為:

式中:id，iq分別為d軸和q軸的定子電流;Vd，Vq分別為d軸和q軸的端電壓;φa為磁通量;R為定子電阻;Ld，Lq分別為d軸和q軸的自感;p為微分因子;Pn為電機(jī)極對數(shù)。

2 位置預(yù)估

根據(jù)低通濾波模塊輸出的兩相電流信號(hào)和同步電機(jī)模型，得出電流預(yù)估方程:

其中:iγ(n)為預(yù)估坐標(biāo)系γ－δ下γ軸的預(yù)估電流值;iδ(n)為預(yù)估坐標(biāo)系γ－δ下δ軸的預(yù)估電流值;iγ(n-1)為預(yù)估坐標(biāo)系γ－δ下γ軸的當(dāng)前電流值;iδ(n-1)為預(yù)估坐標(biāo)系γ－δ下δ軸的當(dāng)前電流值;R為電機(jī)電阻;T為采樣周期;˙θM為當(dāng)前轉(zhuǎn)子角速度;eM為當(dāng)前旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢;Ld為隨動(dòng)坐標(biāo)系d－q下d軸電感值;Lq為隨動(dòng)坐標(biāo)系d－q下q軸電感值。

轉(zhuǎn)子位置預(yù)估示意圖見圖1。根據(jù)電流預(yù)估模塊中的電流預(yù)估方程推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子位置角預(yù)估方程:

其中:eM(n)為預(yù)估旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢;eM(n-1)為當(dāng)前旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢;Δiγ(n)為預(yù)估坐標(biāo)系γ－δ下γ軸的預(yù)估電流變化值;Δiδ(n)為預(yù)估坐標(biāo)系γ－δ下δ軸的預(yù)估電流變化值;θM(n)為γ－δ坐標(biāo)軸下的預(yù)估轉(zhuǎn)子位置角為預(yù)估坐標(biāo)系γ－δ下的當(dāng)前轉(zhuǎn)子角速度;Ke、Km為可調(diào)參數(shù)。

圖1 位置預(yù)估

得到上述預(yù)估轉(zhuǎn)子位置角，從而實(shí)現(xiàn)下一時(shí)間段永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的預(yù)估。

3 控制器功能模塊

圖2是功能模塊控制圖。轉(zhuǎn)子位置預(yù)估模塊將電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的全頻段分為多個(gè)頻率段，在每個(gè)頻段內(nèi)，可調(diào)參數(shù)Ke、Km都有對應(yīng)的一組值，實(shí)現(xiàn)全頻段參數(shù)調(diào)節(jié)。

圖2 功能模塊圖

上位機(jī)或系統(tǒng)要求頻率值設(shè)定模塊可以根據(jù)負(fù)荷大小要求設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。

最大轉(zhuǎn)矩和功率模塊內(nèi)設(shè)定有頻率閾值，它連接在轉(zhuǎn)子位置判定模塊的轉(zhuǎn)子位置預(yù)估模塊與二相到三相變換模塊之間，同時(shí)與上位機(jī)或系統(tǒng)要求頻率值設(shè)定模塊連接。

最大轉(zhuǎn)矩和功率模塊根據(jù)上位機(jī)或系統(tǒng)要求頻率值設(shè)定模塊輸入的頻率來進(jìn)行選擇輸出，當(dāng)上位機(jī)或系統(tǒng)要求頻率值設(shè)定模塊設(shè)定的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率小于該頻率閾值時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩和功率模塊輸出最大轉(zhuǎn)矩來控制永磁電機(jī);當(dāng)上位機(jī)或系統(tǒng)要求頻率值設(shè)定模塊設(shè)定的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率大于該頻率閾值時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩和功率模塊輸出最大頻率來控制永磁電機(jī)。

為了保護(hù)永磁電機(jī)，在故障排除和軟件過濾模塊和智能功率模塊的功率模塊火線之間還設(shè)有過濾電路，過濾電路將從智能功率模塊的火線腳采集的母線電壓進(jìn)行監(jiān)控，避免出現(xiàn)過壓和欠壓情況，過濾電路采用數(shù)字低通濾波。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)機(jī)具體參數(shù)為:d軸感抗為5.6 mH，q軸感抗為9.1 mH，電阻為0.7 Ω，磁通量為0.862 Wb，慣性量為 6.85×10－4kg·m2。實(shí)驗(yàn)的條件為:環(huán)境溫度為10℃，電壓采用市電220 V交流電源，負(fù)荷為1.2 N·m。工況穩(wěn)定后連續(xù)運(yùn)行1 h。圖3是運(yùn)行圖，可以看出運(yùn)行平穩(wěn)。

圖3 運(yùn)行圖

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