無傳感器技術(shù)在PMSM矢量控制中的發(fā)展與應(yīng)用

趙偉 黃文娟

摘 要：永磁同步電動機（PMSM）由于其高轉(zhuǎn)矩性能，在要求良好動態(tài)響應(yīng)的拖動系統(tǒng)應(yīng)用中通常是首選。本文以PMSM無傳感器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用為研究對象，首先對PMSM矢量控制技術(shù)和無傳感器進(jìn)行簡要的概述，然后再分析無傳感器控制技術(shù)在PMSM矢量控制系統(tǒng)當(dāng)中的發(fā)展與應(yīng)用，給出了當(dāng)前已獲得應(yīng)用的一些控制方法及建議。

關(guān)鍵詞：無傳感器控制；永磁同步電動機；矢量控制

0 引言

永磁同步電動機由于其體積小，高功率密度、高氣隙磁通密度、高扭矩/慣性比，高轉(zhuǎn)矩能力、效率高和免費維護(hù)，廣泛應(yīng)用于機床、航天等要求高性能以及良好動態(tài)響應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用[1]。在外部干擾和系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化時，電機所安裝的傳感器獲得的速度和/或位置信號不僅取決于系統(tǒng)響應(yīng)的速度和精度，而且還受所選擇的控制策略的魯棒性的影響。因此，人們轉(zhuǎn)而開始關(guān)注無傳感器控制技術(shù)，期望能夠克服現(xiàn)有硬件傳感器所帶來的不便，實現(xiàn)控制系統(tǒng)性能的提升。文章對無傳感器技術(shù)在PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制中的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行簡要的概述。

1 矢量控制（VR）系統(tǒng)

永磁同步電動機的矢量控制理論是將交流電機模型經(jīng)過坐標(biāo)變換（ park變換、Clark變換）得到直流電機模型。同時將交流電流轉(zhuǎn)換成直流電機模型的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，這樣就實現(xiàn)了使用直流電機的控制方式來控制交流電機的目的。根據(jù)用途不同，則PMSM所選用的控制策略也不盡相同，例如直接轉(zhuǎn)矩控制（Id = 0控制）；最大轉(zhuǎn)矩電流比控制；最大輸出功率控制等。采用高速電動機控制專用DSP、嵌入式實時軟件操作系統(tǒng)，使變頻器獲得高起動轉(zhuǎn)矩、高過載能力，這是現(xiàn)代永磁同步電機矢量控制的發(fā)展趨勢。

2 無傳感器技術(shù)的概述

無傳感器控制技術(shù)[2]指拋開傳統(tǒng)的在電機中安裝傳感器的做法，利用電機的數(shù)學(xué)模型，通過檢測易于測量的電機的電信號來實現(xiàn)對于PMSM的矢量控制。近年來該技術(shù)取得了長足的發(fā)展，涌現(xiàn)出了許多行之有效的控制策略，不但提高了可靠性、穩(wěn)定性，并應(yīng)用到了實際生產(chǎn)中去。

3 無位置傳感器技術(shù)的發(fā)展

隨著高速DSP芯片技術(shù)的的發(fā)展，使得PMSM的無傳感器控制技術(shù)已經(jīng)從理論研究進(jìn)入到實際應(yīng)用階段成為了可能。目前無傳感器技術(shù)的難點在于轉(zhuǎn)子初始位置的檢測，通過對電機電氣參數(shù)的檢測無法計算出轉(zhuǎn)子的實際初始位置，只有在電機開始旋轉(zhuǎn)后，估計值才能跟上實際值，這是它相比于實際傳感器的一個必須要解決的問題。此外，應(yīng)用無傳感技術(shù)的電機系統(tǒng)，啟動和低速運轉(zhuǎn)時還存在有一些亟待解決的問題。

4 無位置傳感器技術(shù)的控制策略

上文已經(jīng)對PMSM矢量控制理論、無傳感器技術(shù)及其發(fā)展進(jìn)行了介紹與分析。永磁同步電動機無傳感器控制策略主要有以下幾種[3-5]：

（1）直接計算法

利用PMSM的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)電機的實際參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)，就求得轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速與位置。該算法易于受到電機參數(shù)變化的影響，應(yīng)用較少。

（2）自適應(yīng)觀測器

自適應(yīng)觀測器主要是采用電機的數(shù)學(xué)模型來估計電機的狀態(tài)，并且該估計狀態(tài)要不斷連續(xù)的通過反饋校正方式進(jìn)行校正，最終實現(xiàn)對非線性動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)和參數(shù)進(jìn)行實時觀測。

（3）高頻注入方法

這種方法只能用于凸極式永磁同步電動機（IPMSM），它是利用了該電機的凸極效應(yīng)與轉(zhuǎn)子位置的對應(yīng)關(guān)系，來取得轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速。具體有脈動高頻電壓信號注入法和旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號注入法兩類。

（4）卡爾曼濾波器

卡爾曼濾波是針對線性系統(tǒng)而提出來的，PMSM的數(shù)學(xué)模型具有較強的非線性，不能直接應(yīng)用該方法。常用的方法是將該模型線性化，使用擴展卡爾曼濾波算法，通過測量電機的電信號進(jìn)行電機轉(zhuǎn)子速度與轉(zhuǎn)子位置的估計。該算法在電機額定速度運行時可能出現(xiàn)較大誤差，而且在低速負(fù)載轉(zhuǎn)矩時不能有效估計，計算量大也是其主要缺點。

（5）基于人工智能的無傳感器控制方法

將人工智能應(yīng)該到無傳感器控制中最常用的技術(shù)就是模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，它們不需要系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，并且可被應(yīng)用于非線性系統(tǒng)。

（6）滑模變結(jié)構(gòu)觀測器

滑模變結(jié)構(gòu)觀測器主要是用于定子磁通估計，觀測器在低速使用電壓-電流組合模型，而在高速時切換成電壓模型。旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入方案用于獲得低速運行時的轉(zhuǎn)子位置。此外，轉(zhuǎn)子速度是通過動態(tài)調(diào)整算法利用所估計定子磁通速度來進(jìn)行估計。該方法對于電機參數(shù)變化具有很好的魯棒性，而抖動現(xiàn)象則是其主要缺點。

5 結(jié)語

當(dāng)前，各種無傳感器控制技術(shù)在應(yīng)對永磁同步電動機中高速運行時都具有較好的控制效果，而對于低速運行則不盡如人意，存在著各種問題，尤其是啟動問題，這都待進(jìn)一步的研究和開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王萍，李斌，黃瑞祥，李桂丹.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2003（02）：5-8，4.

[3]Xu Wang， Yan Xing，Zhipeng He， Yan Liu. Research and Simulation of DTC Based on SVPWM of PMSM[C].2012 International Workshop on Information and Electronics Engineering （IWIEE）， Procedia Engineering，2012（29）：1685-1689

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基金項目：唐山市應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目（13110207b）