永磁同步電機(jī)無傳感器矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張?jiān)屏?張兆旭 曹永軍 趙玫

Zhang Yunliang1 Zhang Zhaoxu2 Cao Yongjun3,4 Zhao Mei2

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永磁同步電機(jī)無傳感器矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張?jiān)屏?張兆旭2曹永軍3,4趙玫2

（1.威海廣泰空港設(shè)備股份有限公司 2.魯東大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 3.廣東省自動化研究所 廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 4.華南智能機(jī)器人創(chuàng)新研究院）

永磁同步電機(jī)是一個強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。設(shè)計(jì)一個永磁同步電機(jī)無傳感器矢量控制系統(tǒng)，首先，通過坐標(biāo)變換將定子電流解耦，構(gòu)建電流PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行電流閉環(huán)控制，并采用矢量脈寬調(diào)制技術(shù)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速；其次，采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制策略，利用滑模觀測器對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行估算，并計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器，進(jìn)而形成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)；最后，通過實(shí)驗(yàn)分析，該系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定，且具有良好的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)了矢量控制策略。

永磁同步電機(jī)；矢量控制；滑模觀測器；轉(zhuǎn)子磁場定向控制；空間矢量脈寬調(diào)制

0 緒論

隨著永磁材料、電力電子技術(shù)以及數(shù)字信號處理器的發(fā)展，永磁同步電機(jī)逐漸廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域[1]。交流電機(jī)與直流電機(jī)控制方式不同，交流電機(jī)勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量存在耦合，矢量控制[2]（也稱為磁場定向控制）的目標(biāo)就是對交流電機(jī)進(jìn)行解耦控制，其基本思想是，通過矢量變換使交流電機(jī)控制方式類似于直流電機(jī)的控制方式[3]，并擁有與直流電機(jī)控制系統(tǒng)相同的優(yōu)點(diǎn)。

隨著無傳感技術(shù)的發(fā)展，其在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。結(jié)合滑模變結(jié)構(gòu)控制，本文利用反電勢對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行估算，不僅可以降低控制系統(tǒng)的開發(fā)成本，還提高了電機(jī)控制系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性。

1 坐標(biāo)變換與空間矢量

本文通過Clarke變換將三相定子電流軸系轉(zhuǎn)化為兩相正交靜止坐標(biāo)系（軸系）；通過Park變換將軸系轉(zhuǎn)化為兩相正交旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（軸系），使三相定子電流分解為轉(zhuǎn)子勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，實(shí)現(xiàn)解耦。進(jìn)而采取控制策略分別對兩電流分量進(jìn)行控制，達(dá)到了矢量控制策略的目標(biāo)。

永磁同步電機(jī)（permanent magnet synchronous motor，PMSM）的三相定子軸系在空間上相差120°，定義3個定子電流空間矢量：

按照空間矢量合成不變的原則[3]，經(jīng)過Clarke變換可得

經(jīng)過Park變換，可得

本文矢量控制采用轉(zhuǎn)子磁場定向的控制策略，將直軸（軸）建立在轉(zhuǎn)子磁通位置處，交軸（軸）就落在了與轉(zhuǎn)子磁通夾角為90°的位置處。將實(shí)際電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶孔鳛檩S系坐標(biāo)的軸，則在軸上的分量就是勵磁分量，在軸上的分量就是轉(zhuǎn)矩分量。通過上述分析，只要能夠?qū)崟r(shí)檢測轉(zhuǎn)子磁通的位置即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向控制[4]。

當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較快時(shí)，感應(yīng)電勢相對于定子電阻壓降較大，因此可以忽略定子電阻壓降，由此可得電壓近似方程

將式(5)進(jìn)行歐拉變換可得到

將式(6)代入式(5)可得

通過分析可以得出，6個基本空間矢量如圖1所示。這6個基本矢量可以合成圓周內(nèi)的任何一個矢量。

圖1 基本空間電壓矢量

2 基于滑模變結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子位置估算

滑動模態(tài)運(yùn)動簡圖如圖2所示，S()=0為切換面，S()稱為切換函數(shù)[5]。切換面將空間分為S()>0和S()<0兩部分。通過設(shè)置切換函數(shù)，可將狀態(tài)軌線穩(wěn)定在切換線上，并向原點(diǎn)滑動。

由于受到控制系統(tǒng)時(shí)間滯后和系統(tǒng)延遲等因素的影響，系統(tǒng)會在滑模面上出現(xiàn)抖動現(xiàn)象[6]。為削弱這種現(xiàn)象，引入飽和函數(shù)控制，在滑?？刂频幕A(chǔ)上引入一個邊界層，如圖2所示。當(dāng)運(yùn)動軌跡在該鄰域之外時(shí)，采用的是滑模切換控制，否則采用連續(xù)控制，這樣在一定程度上能夠削弱抖動現(xiàn)象。

圖2 滑動模態(tài)運(yùn)動簡圖

利用采樣電路對交流電機(jī)定子側(cè)的相電壓進(jìn)行采集時(shí)，受硬件電路的影響較大，而且當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速比較低時(shí)定子相電壓比較低，測量誤差比較大[7]。本文采用相電壓重構(gòu)方法，利用直流母線電壓和逆變器電子器件的通斷作為條件，對定子相電壓進(jìn)行估計(jì)[8]。

三相定子電壓計(jì)算公式可以表示為

(8)

將式(8)中的3個式子相加可以得到

(10) (11)

(12)

將式(12)代入式(11)可得

轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)檢測是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向控制技術(shù)的必要條件。本文利用無傳感器進(jìn)行測速。PMSM在3種坐標(biāo)系下各空間矢量如圖3所示。反電勢包含著轉(zhuǎn)子的位置及轉(zhuǎn)速信息，當(dāng)采用直軸分量置零控制技術(shù)之后，反電勢與軸重合，利用圖3中各矢量的角度關(guān)系可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子的位置。

圖3 PMSM三坐標(biāo)系及各變量矢量圖

本文利用滑模觀測器對反電勢進(jìn)行估算，然后計(jì)算出轉(zhuǎn)子的位置。由PMSM每相繞組上的電壓平衡方程式(8)可得狀態(tài)空間表達(dá)式

利用矩陣表達(dá)式可以表示為

其中，為電壓平衡方程系數(shù)；為滑模觀測器的開關(guān)函數(shù)，其意義為當(dāng)電氣常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)械常數(shù)時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)速的變換較大，由于反電勢與轉(zhuǎn)速成正比，因此可以將反電勢視為擾動量[9]。擾動量的存在使滑模函數(shù)不斷在滑模面上切換，切換函數(shù)包含了反電勢的信息。當(dāng)時(shí)可保證滑模觀測器的穩(wěn)定性[10]。

式(16)減去式(14)，可得到電流誤差動態(tài)方程

由于在滑模變結(jié)構(gòu)控制中，摻雜許多開關(guān)信號，因此需要設(shè)計(jì)濾波器對其進(jìn)行濾波，本文采用一階低通數(shù)字濾波器[11]

對式(18)進(jìn)行拉氏變換可以得到

3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果與分析

系統(tǒng)構(gòu)建方框圖如圖4所示。由于本系統(tǒng)采用無位置傳感器，當(dāng)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速波動較大，影響電機(jī)的啟動，本系統(tǒng)采用單電流環(huán)啟動。同時(shí)由于永磁同步電機(jī)無法自啟動，本系統(tǒng)采用斜坡升速控制策略，使電機(jī)在低速給定下啟動。如圖4所示，電機(jī)啟動時(shí)，開關(guān)cse1和cse2打在上側(cè)，軸電流給定一個參考值，轉(zhuǎn)子位置給定由斜坡控制模塊提供。當(dāng)電機(jī)接近轉(zhuǎn)速給定值時(shí)，開關(guān)打在下側(cè)。

圖4 電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

本節(jié)主要驗(yàn)證Clarke和Park變換模塊能否正常工作，并驗(yàn)證滑模觀測器模塊和斜坡控制模塊的波形，再整定電流PI調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

利用示波器觀察Clarke變換后輸出的波形，如圖5(a)所示。Clarke變換將三相永磁電機(jī)的定子三相電流變換為空間正交的軸系的電流矢量。

Park變換后電流的輸出波形如圖5(b)所示。軸電流接近于0，實(shí)現(xiàn)了直軸分量置零的控制策略。

經(jīng)過滑模觀測器參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)，當(dāng)參數(shù)設(shè)置為表1時(shí)，估算得到的反電勢波形如圖6所示。由圖6可以看出，估算得到的反電勢仍然有抖動存在，不過已經(jīng)非常接近正弦波，可以認(rèn)為估算正確。

圖5(a) Clarke變換后的電流波形

(b) Park變換后的電流波形

表1 滑模觀測器參數(shù)

圖6 相電壓及反電勢估算波形

利用雙蹤示波器觀察滑模觀測器模塊和斜坡控制模塊的轉(zhuǎn)子位置輸出波形，如圖7(a)所示。

在滑模觀測模塊中利用了低通濾波器，因此估算角度與實(shí)際角度存在時(shí)間延遲，需對估算角進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)[12]中提出一種矯正方法，利用式(21)對系統(tǒng)進(jìn)行校正。矯正后的波形如圖7(b)所示，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置無差估計(jì)。

通過實(shí)驗(yàn)，當(dāng)比例系數(shù)等于1時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)比較好，轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖8所示。

(a) 校正前波形

(b) 校正后波形

圖8 轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為1時(shí)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

將K設(shè)置為1，然后將K由小到大進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。K分別設(shè)置為0.003、0.005、0.01。經(jīng)過試驗(yàn)，當(dāng)K為0.01時(shí)電機(jī)震動，系統(tǒng)不穩(wěn)定；K分別為0.003和0.005時(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖9(a)所示。由圖9可知當(dāng)K設(shè)置為0.005時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)比較優(yōu)越，因此可將K設(shè)置為0.005。

經(jīng)過對調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，最后對PMSM控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速實(shí)驗(yàn)。如圖9(b)所示，在t1至t5時(shí)刻分別將系統(tǒng)的給定設(shè)置為1500 r/min、3000 r/min、4200 r/min、2400 r/min和600 r/min，實(shí)現(xiàn)了矢量控制系統(tǒng)的平滑調(diào)速目的。

(a) PI參數(shù)整定轉(zhuǎn)速響應(yīng)

(b) 電機(jī)調(diào)速響應(yīng)

4 結(jié)論

本文對永磁電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究：

1) PMSM的物理變量比較復(fù)雜，耦合度強(qiáng)。相對于直流電機(jī)來說，其控制方式比較復(fù)雜。本文通過建立矢量控制系統(tǒng)，電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)越，且控制系統(tǒng)穩(wěn)定；

2) 通過坐標(biāo)變換，利用Clarke和Park變換可以將三相交流電機(jī)等效為直流電機(jī)進(jìn)行控制；

3) 利用經(jīng)驗(yàn)法對PI調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行整定，建立電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)，使PMSM達(dá)到直流電機(jī)一樣的調(diào)速優(yōu)點(diǎn)；

4) 利用滑模觀測器對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行估計(jì)，省去了編碼器，降低成本，并且測量位置誤差較小。

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Design of Sensorless Vector Control System for Permanent Magnet Synchronous Motor

Zhang Yunliang1Zhang Zhaoxu2Cao Yongjun3,4Zhao Mei2

(1. Weihai Guangtai Airport Equipment, Inc. 2. School of Information and Electrical Engineering, Ludong University 3. Guangdong Automation Research Institute, Guangdong Modern Control Technology Key Laboratory 4. South China Robotics Innovation Research Institute)

Permanent magnet synchronous motor (PMSM) is a multivariable system, which is nonlinear and strong coupling. This paper designed a field-oriented control system (FOC). Firstly, the stator current vector is separated into the rotor flux vector and the torque current vector by coordinate transformation, which is controlled by PI control algorithm of current loop, and the technology of space vector pulse modulation (SVPWM) is used to realize motor variable frequency speed regulating. Secondly, at the stage of designing PI control algorithm of speed loop, the speed of rotor is calculated by the position of rotor which is estimated by sliding mode observer (SMO). Finally, By experimental Analysis, the system has a high adjusting precision and runs stably. Thus, it succeeds to carry out the vector control algorithm.

PMSM; FOC; SMO; Rotor Field Oriented Control; SVPWM

張?jiān)屏?，男?980年生，碩士，工程師，主要研究方向：電力電子及其控制。E-mail: hit-zyl@sohu.com

張兆旭，男，1993年生，研究生，主要研究方向：永磁電機(jī)一體化設(shè)計(jì)及控制。

曹永軍，男，1981年生，碩士，高級工程師，主要研究方向：智能控制與系統(tǒng)。

趙玫，女，1983年生，博士，副教授，主要研究方向：永磁電機(jī)一體化設(shè)計(jì)及控制。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51407088）；中國博士后科學(xué)基金（2016M592242）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015B010917001)、（2016B090912005）、（2015B090922008）；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201607010313）。