基于高性能磁鏈算法的永磁同步電動機(jī)無位置傳感器控制

李　彪　李黎川

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院　西安　710049)

基于高性能磁鏈算法的永磁同步電動機(jī)無位置傳感器控制

李彪李黎川

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院西安710049)

摘要準(zhǔn)確的磁鏈辨識是基于磁鏈觀測法永磁同步電動機(jī)無位置傳感器控制的關(guān)鍵，傳統(tǒng)電壓型磁鏈辨識算法消除了純積分存在漂移問題，對圓形磁場的磁鏈可以準(zhǔn)確辨識，但對實(shí)際中電機(jī)內(nèi)普遍存在的橢圓形磁場的磁鏈辨識時存在穩(wěn)態(tài)幅值和相位誤差。分析了橢圓形磁場時磁鏈?zhǔn)噶颗c反電動勢矢量的空間關(guān)系。對傳統(tǒng)算法辨識橢圓形磁鏈的誤差進(jìn)行了分析，提出一種改進(jìn)的新型磁鏈算法。改進(jìn)后的新算法運(yùn)算量與傳統(tǒng)算法相當(dāng)，但對圓形與橢圓形磁場的磁鏈均能準(zhǔn)確辨識。將新算法應(yīng)用于一臺表貼式永磁同步電動機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置估算，仿真證明，在穩(wěn)態(tài)及轉(zhuǎn)速突變時新算法均具有良好的位置和轉(zhuǎn)速跟蹤效果。利用數(shù)字信號處理器TMS320F2812DSP對其進(jìn)行了數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在中高速范圍內(nèi)，調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)與電機(jī)轉(zhuǎn)速突變時具有良好的動靜態(tài)特性，但在低速區(qū)會出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定。仿真與實(shí)驗(yàn)證明了新算法的有效性和實(shí)際可應(yīng)用性。

關(guān)鍵詞：磁鏈辨識橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場永磁同步電動機(jī)無位置傳感器控制

0引言

永磁同步電動機(jī)因具有效率高、功率因數(shù)高以及控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。對永磁同步電動機(jī)進(jìn)行精確控制需要轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速信息。但傳統(tǒng)機(jī)械式傳感器的使用會增加系統(tǒng)的成本和尺寸，使系統(tǒng)易受干擾，且不適于惡劣的工作環(huán)境。因此無位置傳感器控制技術(shù)得到了廣泛研究。基于永磁同步電動機(jī)凸極效應(yīng)的高頻注入法可應(yīng)用于較寬的速度范圍，特別是在低速時可取得相對較好的效果，但該方法需要電機(jī)具有凸極效應(yīng)。磁鏈觀測法根據(jù)永磁同步電動機(jī)的電磁關(guān)系，通過電機(jī)的定子繞組反電動勢來實(shí)時辨識定子磁鏈進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)子位置信息，不需要凸極效應(yīng)，且簡單、高效、易實(shí)現(xiàn)，從而在工業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。但電壓型磁鏈算法中存在的純積分環(huán)節(jié)會在辨識的磁鏈中引入初始相位誤差和直流偏置誤差，從而產(chǎn)生積分漂移，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動，影響系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

為了解決電壓型磁鏈算法中純積分環(huán)節(jié)存在的問題，常用一階低通濾波器(LPF)來代替純積分環(huán)節(jié)，由于移除了純積分在原點(diǎn)處的極點(diǎn)，從而可解決漂移問題，但又引入穩(wěn)態(tài)誤差，尤其當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在低通濾波器截止頻率以下時，電機(jī)控制準(zhǔn)確度很低。文獻(xiàn)[1-6]采用一階低通濾波器代替純積分，用一個補(bǔ)償環(huán)節(jié)來補(bǔ)償穩(wěn)態(tài)幅值和相位誤差。文獻(xiàn)[4，7]指出交換低通濾波環(huán)節(jié)與補(bǔ)償環(huán)節(jié)的相對位置，可增強(qiáng)動態(tài)過程中磁鏈辨識準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)[8]采用一階高通濾波器(HPF)代替純積分有效解決了輸出中直流偏置問題，用一個坐標(biāo)變換環(huán)節(jié)來補(bǔ)償穩(wěn)態(tài)幅值和相位誤差，但高通濾波器對系統(tǒng)中高頻干擾抑制力較弱，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。文獻(xiàn)[9-12]采用一階低通濾波器與一階高通濾波器串聯(lián)代替純積分用于消除初始相位誤差與直流偏置誤差，再用串聯(lián)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)補(bǔ)償穩(wěn)態(tài)幅值和相位誤差。文獻(xiàn)[13]采用帶通濾波器(BPF)代替純積分環(huán)節(jié)，并對辨識結(jié)果穩(wěn)態(tài)時的幅值和相位誤差進(jìn)行了補(bǔ)償。文獻(xiàn)[14]采用五階低通濾波器串聯(lián)一階高通濾波器和一個邏輯轉(zhuǎn)換模塊的算法，有效消除了積分漂移，同時抑制了系統(tǒng)中的高頻干擾。

上述算法中關(guān)于濾波器截止頻率選取，相對于截止頻率取某一固定值，文獻(xiàn)[3-5，8-11，14]中采用截止頻率是同步角頻率某一倍數(shù)的可編程濾波器，從而使算法在低速時兼顧了對磁鏈中直流偏置抑制的能力與動態(tài)過程中磁鏈辨識的準(zhǔn)確度。關(guān)于穩(wěn)態(tài)時幅值和相位誤差的補(bǔ)償，文獻(xiàn)[2-6，11，13]中的補(bǔ)償環(huán)節(jié)采用旋轉(zhuǎn)空間矢量的方法；文獻(xiàn)[1，7，9，10，12，14]中補(bǔ)償環(huán)節(jié)基于相關(guān)時間相量間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)[8]中補(bǔ)償環(huán)節(jié)通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)。通過分析時間相量移相、空間矢量旋轉(zhuǎn)及坐標(biāo)變換之間的關(guān)系可知，上述補(bǔ)償方法本質(zhì)相通。文獻(xiàn)[6]中還引入定子磁鏈的電流模型和電壓模型之間的誤差對定子感應(yīng)電動勢進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[15]用低通濾波器代替純積分，并用另一個低通濾波器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)幅值相位的補(bǔ)償，兩個低通濾波器截止頻率要求嚴(yán)格，需滿足一定關(guān)系。同時低速時無法使兩個濾波器時間常數(shù)同時較低，大的時間常數(shù)導(dǎo)致輸入變化時又出現(xiàn)漂移問題。

傳統(tǒng)的濾波器串聯(lián)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的這類算法[1-14，16]，實(shí)現(xiàn)簡單，可以在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)磁鏈準(zhǔn)確辨識。但對這類算法分析發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)時算法辨識磁鏈準(zhǔn)確性必須基于以下條件之一：①在時域α、β兩相對稱；②在空間磁鏈?zhǔn)噶繙笥诜措妱觿菔噶喀?2(電機(jī)反轉(zhuǎn)時則超前π/2)。分析可知這兩個條件只在圓形磁場時成立。

通常電機(jī)本體設(shè)計(jì)和實(shí)時控制都期望電機(jī)中的磁場呈圓形。而實(shí)際中，由于電機(jī)電阻和電感參數(shù)的不對稱、逆變器電壓-電流的非線性特性、逆變器開關(guān)量所加死區(qū)的影響、各相電流檢測電路及調(diào)理電路的不對稱、AD采樣轉(zhuǎn)換電路的不對稱、負(fù)載不對稱等各種因素的影響以及調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整過程中，電機(jī)磁場都會呈橢圓形。此時前述算法就不再有效，圖1為α、β兩相反電動勢存在5%幅值誤差和10%相位誤差時(具體參數(shù)見本文仿真部分)傳統(tǒng)典型算法穩(wěn)態(tài)辨識結(jié)果，存在明顯穩(wěn)態(tài)誤差。

圖1　橢圓形磁鏈時傳統(tǒng)磁鏈算法辨識結(jié)果Fig.1　Estimation results of traditional flux algorithms when elliptical flux

基于濾波器加補(bǔ)償環(huán)節(jié)的這類傳統(tǒng)電壓型磁鏈算法，結(jié)構(gòu)簡單，有利于工業(yè)實(shí)際應(yīng)用，但算法基于圓形磁場，從而對普遍存在的橢圓形磁場磁鏈辨識存在穩(wěn)態(tài)誤差。本文首先分析了橢圓形磁場時，磁鏈?zhǔn)噶颗c反電動勢矢量的空間關(guān)系，然后對傳統(tǒng)算法辨識橢圓形磁鏈時的誤差進(jìn)行了分析，并對傳統(tǒng)算法進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的新算法對圓形、橢圓形磁鏈均能準(zhǔn)確辨識，同時給出了橢圓形磁鏈的逆時針圓形旋轉(zhuǎn)分量與順時針圓形旋轉(zhuǎn)分量的辨識算法。將改進(jìn)的新型磁鏈算法應(yīng)用于永磁同步電動機(jī)無位置傳感器調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置估算。通過仿真與實(shí)驗(yàn)證明了新算法的有效性和實(shí)用性。

1新算法原理

在靜止兩相αβ坐標(biāo)系下，交流電機(jī)電壓模型磁鏈表達(dá)式為

(1)

式中，ψα,β、eα,β、vα,β、iα,β分別為磁鏈、反電動勢、端電壓與電流的α、β軸分量；Rs為繞組電阻。

為方便理解，本文采用空間矢量作為數(shù)學(xué)工具對新算法進(jìn)行推導(dǎo)描述。

1.1磁鏈?zhǔn)噶颗c反電動勢矢量空間關(guān)系

圓形磁場是橢圓形磁場的特例，本文將橢圓形磁場作為一般情況推導(dǎo)空間磁鏈?zhǔn)噶颗c反電動勢矢量的關(guān)系。三相不對稱時磁場將呈橢圓形，根據(jù)對稱分量法可將一組不對稱的三相某物理量分解成正序、負(fù)序、零序三組對稱分量。零序分量對空間矢量貢獻(xiàn)為零，因此只考慮各相正序與負(fù)序分量[17]。從三相自然坐標(biāo)系變換到兩相靜止αβ坐標(biāo)后，設(shè)有兩相量

(2)

(3)

(4)

=X++X-

(5)

由式(5)可知，橢圓形矢量由兩個轉(zhuǎn)速相等、轉(zhuǎn)向相反的圓形矢量分量合成，其中逆時針旋轉(zhuǎn)分量X+的實(shí)部與虛部對應(yīng)于時域相量正序分量的α、β相分量；順時針旋轉(zhuǎn)分量X-的實(shí)部與虛部對應(yīng)于時域相量負(fù)序分量的α、β相分量。

若在時域，對各相量滯后相移φ，如式(6)所示。

(6)

將式(6)代入式(5)可得

=X+e-jφ+X-ejφ

(7)

由式(7)可知，當(dāng)時域各相量相位滯后相移φ，對應(yīng)空間矢量的逆時針旋轉(zhuǎn)分量將在空間順時針旋轉(zhuǎn)φ角度，順時針旋轉(zhuǎn)分量將在空間逆時針旋轉(zhuǎn)φ角度。

(8)

1.2改進(jìn)的新型磁鏈算法

對于圓形磁場，根據(jù)文獻(xiàn)[5]中總結(jié)的傳統(tǒng)磁鏈辨識思想，用低通濾波器代替純積分，調(diào)整增益補(bǔ)償穩(wěn)態(tài)幅值誤差，再通過旋轉(zhuǎn)矢量補(bǔ)償穩(wěn)態(tài)相位誤差。圖2a為文獻(xiàn)[5]中算法框圖，由圖所示經(jīng)過補(bǔ)償環(huán)節(jié)的矢量旋轉(zhuǎn)后，無論電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g均滯后反電動勢矢量π/2。經(jīng)本文分析可知，電機(jī)正轉(zhuǎn)時，磁鏈?zhǔn)噶繙蠓措妱觿菔噶喀?2；電機(jī)反轉(zhuǎn)時，磁鏈?zhǔn)噶砍胺措妱觿菔噶喀?2。因此，對于圓形磁場正確的矢量旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償環(huán)節(jié)框圖應(yīng)為圖2b所示。圖2b所示傳統(tǒng)磁鏈算法推導(dǎo)均基于圓形磁鏈，對橢圓形磁鏈辨識則存在穩(wěn)態(tài)誤差。

圖2　傳統(tǒng)磁鏈算法原理框圖Fig.2　Block diagram of traditional flux algorithm

(9)

將式(9)展開整理可得到

(10)

相對于式(8)所示磁鏈實(shí)際值Ψ，Ψ ′存在的誤差為

(11)

為了準(zhǔn)確辨識橢圓形磁鏈，對圖2b所示傳統(tǒng)算法進(jìn)行改進(jìn)。

(12)

首先推導(dǎo)ωe≥0，即電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)時的情況。

(13)

再根據(jù)矢量關(guān)系Ψ=2Ψ+-(Ψ+-Ψ-)，可得到ωe≥0時橢圓形磁鏈算法

(14)

(15)

(16)

再根據(jù)矢量關(guān)系Ψ=2Ψ-+(Ψ+-Ψ-)，可得到ωe<0時橢圓形磁鏈算法

(17)

(18)

式(15)所示電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)(ωe≥0)的磁鏈算法與式(18)所示電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)(ωe<0)的磁鏈算法可統(tǒng)一表達(dá)形式仍如式(18)所示，所以改進(jìn)后新磁鏈算法不需要判斷電機(jī)轉(zhuǎn)向。新算法兩相獨(dú)立辨識磁鏈，不存在耦合，運(yùn)算量與原算法相當(dāng)。

由式(12)和式(18)可得橢圓形磁鏈的逆時針旋轉(zhuǎn)分量與順時針旋轉(zhuǎn)分量辨識算法

(19)

(20)

改進(jìn)后的新磁鏈算法原理框圖如圖3a所示，橢圓形磁鏈的兩個圓形分量的辨識算法原理框圖如圖3b、圖3c所示。

圖3　新磁鏈算法原理框圖Fig.3　Block diagram of the new flux algorithms

2仿真與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證改進(jìn)后新磁鏈算法的有效性，在Matlab/Simulink中進(jìn)行了離散系統(tǒng)仿真，采樣頻率為12 kHz，低通濾波器截止頻率系數(shù)k=1.5。

圖4a為仿真所加反電動勢波形。從0～0.2 s，反電動勢幅值從0 V線性增加到7.97 V，頻率為20 Hz。從0.2～0.3 s，反電動勢幅值和頻率保持不變。在0.3 s反電動勢幅值躍變?yōu)?5.94 V，頻率躍變?yōu)?0 Hz。從0～0.5 s，反電動勢均疊加了大小為幅值1%的直流偏置。新算法辨識結(jié)果如圖4b所示。從仿真結(jié)果可知，新算法有效解決了積分漂移問題，同時不引入穩(wěn)態(tài)誤差，具有良好的動靜態(tài)性能。

圖4　新磁鏈算法辨識結(jié)果Fig.4　Result of the new flux algorithm

圖5為兩相反電動勢不對稱、磁鏈?zhǔn)噶寇壽E為橢圓形時，不同算法辨識的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果。反電動勢頻率為20 Hz，α相幅值為7.97 V，β相幅值為α相的0.95倍，β相反電動勢相位滯后于α相9π/20，同時兩相反電動勢均疊加了大小為各自幅值1%的直流偏置。圖5a為純積分法辨識結(jié)果，存在明顯的漂移。圖5b為原算法與改進(jìn)后新算法磁鏈辨識結(jié)果，原算法與新算法均消除了積分漂移，但原算法相對參考值存在明顯的穩(wěn)態(tài)誤差，而改進(jìn)后新算法不存在穩(wěn)態(tài)誤差。文獻(xiàn)[13，14]中算法辨識結(jié)果如圖1所示，消除了漂移，但存在穩(wěn)態(tài)誤差。圖5c、圖5d為橢圓形磁鏈的逆時針旋轉(zhuǎn)分量與順時針旋轉(zhuǎn)分量穩(wěn)態(tài)辨識結(jié)果。

圖5　橢圓形磁鏈時不同磁鏈算法辨識結(jié)果比較Fig.5　Comparison of different flux estimation algorithms when elliptical flux

圖6　永磁同步電動機(jī)無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)框圖Fig.6　Position sensorless vector control of PMSM schematic diagram

將本文磁鏈算法應(yīng)用于一臺表貼式永磁同步電動機(jī)無位置傳感器調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置估算。矢量系統(tǒng)控制框圖如圖6所示。系統(tǒng)采用速度-電流雙閉環(huán)矢量控制，電流環(huán)采用id=0控制策略。電機(jī)電流采用霍爾傳感器實(shí)時檢測。系統(tǒng)控制周期，電流采樣及調(diào)節(jié)周期，磁鏈、位置與速度的估算周期均為Ts=83.3 μs，速度環(huán)調(diào)節(jié)周期為10Ts。電流環(huán)與速度環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)器[18]。實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物圖如圖7所示，逆變器主電路由MOSFET構(gòu)成，主控芯片采用TI公司的TMS320F2812 DSP，片內(nèi)集成有A-D轉(zhuǎn)換模塊。電機(jī)參數(shù)見附錄。

圖7　實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物圖Fig.7　Experimental platform

(21)

(22)

(23)

為了驗(yàn)證基于新磁鏈算法的轉(zhuǎn)子位置估算算法的效果，圖8為永磁電機(jī)處于無位置傳感器控制運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)參考轉(zhuǎn)速在35 s從450 r/min躍變到1 000 r/min及在37.5 s從1 000 r/min躍變到450 r/min時，轉(zhuǎn)子位置估算值與實(shí)際值對比仿真結(jié)果。圖中轉(zhuǎn)子位置空間角度為電角度。由圖可看到，穩(wěn)態(tài)時，位置估算算法可以很好地估算轉(zhuǎn)子位置，誤差在2.4°(電角度)以內(nèi)；在轉(zhuǎn)速突變時，轉(zhuǎn)子位置估算會出現(xiàn)較大誤差，但會在一個電周期內(nèi)收斂到實(shí)際值。

圖8　參考轉(zhuǎn)速在450 r/min與1 000 r/min之間躍變時，轉(zhuǎn)子位置估算結(jié)果Fig.8　Rotor position estimated when the reference speed is step changed between 450-1 000 r/min

為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)速估算算法對轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速的追蹤性能，圖9為永磁電機(jī)處于無位置傳感器控制運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)參考轉(zhuǎn)速在35 s從450 r/min躍變到1 000 r/min及在37.5 s從1 000 r/min躍變到450 r/min時，轉(zhuǎn)速估算值與實(shí)際值對比仿真結(jié)果。由圖可看到，穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速估算算法可以很好地追蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速；在轉(zhuǎn)速突變時，由于對用于估算轉(zhuǎn)速的反電動勢進(jìn)行了低通濾波，從而使轉(zhuǎn)速動態(tài)追蹤存在較小的滯后與誤差。

圖9　參考轉(zhuǎn)速在450 r/min與1 000 r/min之間躍變時，轉(zhuǎn)速估算結(jié)果Fig.9　Speed estimated when the reference speed is step changed between 450-1 000 r/min

實(shí)驗(yàn)時，為了用示波器觀察相關(guān)變量，將要輸出的數(shù)據(jù)作為調(diào)制波，通過DSP的PWM算法模塊以一系列脈沖輸出，經(jīng)過RC低通濾波器后，供示波器觀察。

圖10　轉(zhuǎn)速為450 r/min時，反電動勢與新算法辨識的磁鏈波形Fig.10　EMF and flux estimated by the new algorithms at n=450 r/min

圖11為當(dāng)電機(jī)參考轉(zhuǎn)速在450 r/min與1 000 r/min之間躍變時，電機(jī)轉(zhuǎn)速估算值與新算法辨識的定子磁鏈實(shí)驗(yàn)波形。由圖可見，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速突變時，新算法具有良好的磁鏈辨識效果，從而使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。

圖11　轉(zhuǎn)速在450r/min與1 000 r/min躍變時，新磁鏈算法辨識結(jié)果波形Fig.11　Flux estimated by the new algorithm when the speed is step changed between 450-1 000 r/min

圖12為當(dāng)電機(jī)參考轉(zhuǎn)速在450 r/min與1 000 r/min之間躍變時，電機(jī)轉(zhuǎn)速估算值與基于新磁鏈算法估算的轉(zhuǎn)子位置角度實(shí)驗(yàn)波形。

圖12　轉(zhuǎn)速在450 r/min與1 000 r/min之間躍變時，基于新磁鏈算法的轉(zhuǎn)子位置角度波形Fig.12　Rotor position estimated based on the new flux algorithmwhen the speed is step changed between 450-1 000 r/min

3結(jié)論

1)基于磁鏈觀測法的永磁同步電動機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)，簡單高效，易于實(shí)現(xiàn)，不需要電機(jī)具有凸極性，但電壓模型磁鏈算法中純積分存在漂移問題。傳統(tǒng)的濾波器串聯(lián)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的磁鏈算法，基于α、β兩相對稱或空間磁鏈?zhǔn)噶颗c反電動勢矢量正交，所以只適合圓形磁場，而對實(shí)際中普遍存在的橢圓形磁場磁鏈辨識則存在穩(wěn)態(tài)誤差。

2)分析了磁鏈?zhǔn)噶颗c反電動勢矢量的空間關(guān)系后，在傳統(tǒng)磁鏈算法基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的新型磁鏈算法。新算法運(yùn)算量與傳統(tǒng)算法相當(dāng)，但對圓形和橢圓形磁場磁鏈均能準(zhǔn)確辨識。同時得到了橢圓形磁場磁鏈的逆時針旋轉(zhuǎn)分量與順時針旋轉(zhuǎn)分量的辨識算法。新磁鏈算法編程實(shí)現(xiàn)簡單，運(yùn)算量小，適合于工業(yè)實(shí)時控制系統(tǒng)。

3)將新磁鏈算法應(yīng)用于一臺表貼式永磁同步電機(jī)無位置傳感器調(diào)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子位置估算。由于本文磁鏈與轉(zhuǎn)速的估算均基于感應(yīng)的反電動勢信號，在低速區(qū)，因?yàn)闊o法獲取足夠大的反電動勢信號而會出現(xiàn)磁鏈、位置及轉(zhuǎn)速估算不準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在低速區(qū)(額定轉(zhuǎn)速10%以下)轉(zhuǎn)子位置估算會出現(xiàn)較大的誤差波動，系統(tǒng)會出現(xiàn)不穩(wěn)定甚至失步；而在中高速區(qū)運(yùn)行時，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)與電機(jī)轉(zhuǎn)速突變時具有良好的動、靜態(tài)特性。

附錄

仿真與實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù)：

額定功率PN=0.4 kW；額定電流IN=2.5 A；額定轉(zhuǎn)速nN=3 000 r/min；直、交軸電感Ld=Lq=5.55 mH；定子電阻Rs=1.4 Ω；極對數(shù)p=4；永磁體磁鏈ψf=0.063 417 9 Wb。

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Position Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on High Performance Flux Estimation Algorithm

Li BiaoLi Lichuan

(School of Electrical EngineeringXi’an Jiaotong UniversityXi’an710049China)

AbstractAccurate flux estimation is the key to position sensorless control of permanent magnet synchronous motor based on flux observation.Traditional flux estimation algorithms,based on the voltage model,can effectively solve the problems associated with a pure integrator,and can estimate the flux exactly in the round rotating magnetic field situation.But in real motors,the elliptical rotating magnetic field will introduce magnitude and phase errors in the steady state.The relationship between the back electromotive force(EMF)vector and the flux vector in the elliptical rotating magnetic field is analyzed.After an error analysis of the traditional flux estimation algorithms in the elliptical rotating magnetic field,an improved flux estimation algorithm is proposed.The new algorithm can estimate the flux exactly either in the round rotating magnetic field or in the elliptical rotating magnetic field with similar computational complexity to traditional algorithms.The new algorithm has been used for rotor position estimation in position sensorless vector control of a surfacermounted permanent magnet synchronous motor.Simulation results show that,the new algorithm has good speed and position tracking effect either in the steady state or when the motor speed has step changes.The experiment is implemented using the digital signal processor TMS320F2812DSP.Experimental results show that,in the medium and high speed region,the speed control system has good steady state performance as well as dynamic performance when the motor speed has step changes.But it will be unstable in the lowrspeed region.Both simulation and experiment results show the validity and applicability of the new algorithm.

Keywords：Flux estimation，elliptical rotating magnetic field，permanent magnet synchronous motor，position sensorless control

收稿日期2015-02-13改稿日期2015-06-12

作者簡介E-mail：biao.li@stu.xjtu.edu.cn(通信作者) E-mail：lcli@mail.xjtu.edu.cn

中圖分類號：TM359

李彪男，1983年生，博士研究生，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)無位置傳感器控制。

李黎川男，1963年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇艖腋≥S承與精密運(yùn)動控制等。