應(yīng)用特征諧波消除改進(jìn)脈振高頻電壓注入法

于帥， 章瑋

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

應(yīng)用特征諧波消除改進(jìn)脈振高頻電壓注入法

于帥， 章瑋

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

針對(duì)永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器矢量控制中傳統(tǒng)脈振高頻電壓注入法存在的估算角度滯后、與中高速無(wú)位置傳感器控制技術(shù)切換困難等問(wèn)題提出改進(jìn)方法。引入特征諧波消除的方式取代低通濾波器，同時(shí)充分考慮定子電阻對(duì)位置估算的影響，修改誤差矯正項(xiàng)以減小估算誤差，并給出了改進(jìn)后的脈振高頻電壓注入法的完整實(shí)現(xiàn)方式。應(yīng)用特征諧波消除的方式得到誤差校正項(xiàng)，估算的轉(zhuǎn)子位置更加精確，用特征諧波消除的方式去除高頻電流信號(hào)，不會(huì)引起電流畸變和相位滯后。用改進(jìn)算法得到的轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速作為反饋對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，可以改善電機(jī)低速下的動(dòng)態(tài)特性。仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性。

永磁同步電機(jī)；無(wú)位置傳感器；脈振高頻電壓注入；重構(gòu)；特征諧波消除

0 引 言

在永磁同步電機(jī)的矢量控制中，轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速信息較為重要，無(wú)位置傳感器控制是用估算轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的方式取代機(jī)械的轉(zhuǎn)子位置傳感器，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于零速或低速時(shí)，依賴反電動(dòng)勢(shì)的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)[1]，而高頻電壓注入法可以根據(jù)轉(zhuǎn)子的凸極性估算轉(zhuǎn)子的位置[2]，較多的應(yīng)用于電機(jī)零速或低速區(qū)無(wú)位置傳感器控制。高頻電壓注入法主要分為旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法和脈振高頻電壓注入法。旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法主要用于凸極率較大的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)，脈振高頻電壓注入法不僅可以應(yīng)用于內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)，通過(guò)利用電機(jī)的飽和凸極效應(yīng)，還可以應(yīng)用于表貼式永磁同步電機(jī)[3]。由于高頻信號(hào)注入的方式不同，和旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法相比，脈振高頻電壓注入法產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小。

傳統(tǒng)的脈振高頻電壓注入法使用低通濾波器對(duì)高頻響應(yīng)電流進(jìn)行解算和去除[4]，這種方式會(huì)帶來(lái)電流相移等問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中很難達(dá)到較好的控制效果，加大了脈振高頻電壓注入法的實(shí)現(xiàn)難度。而且中、高速區(qū)轉(zhuǎn)子位置的估算需要用到不含高頻響應(yīng)電流的α-β相電流，傳統(tǒng)方法由于相移等問(wèn)題，在從低速向中、高速無(wú)位置傳感器控制切換時(shí)會(huì)遇到?jīng)_擊。因此本文在對(duì)傳統(tǒng)脈振高頻電壓注入法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了特征諧波消除[5]的方法取代低通濾波器，通過(guò)增加諧波補(bǔ)償前饋環(huán)節(jié)的方式去除高頻電流，同時(shí)考慮定子電阻對(duì)轉(zhuǎn)子位置估算的影響，修改矯正誤差項(xiàng)，最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出方法的有效性。

1 高頻響應(yīng)電流信號(hào)處理

在轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系即d-q坐標(biāo)系下，永磁同步電機(jī)的電壓方程如式(1)所示[7]。

(1)

式中：ud、uq分別為d、q軸電壓分量；Rs為定子電阻；id、iq分別為d、q軸電流分量；ωe為轉(zhuǎn)子電角速度；ψd、ψq分別為d、q軸磁鏈；其中磁鏈如式(2)所示：

(2)

式中：Ld、Lq分別為d、q軸定子電感；ψf為永磁體磁鏈。在推導(dǎo)高頻響應(yīng)電流時(shí)，由于高頻信號(hào)的角速度ωh遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子的電角速度ωe，因而永磁體磁鏈ψf隨時(shí)間的變化及旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)ωeψd、ωeψq可以忽略不計(jì)。

(3)

傳統(tǒng)的脈振高頻電壓注入法控制框圖如圖1所示[8]。一般忽略定子電阻Rs，將q軸電流經(jīng)過(guò)低通濾波等處理，估算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。

圖1 傳統(tǒng)的脈振高頻電壓注入法控制框圖Fig.1 Block diagram of traditional pulsating high-frequency voltage injection method

正如前面提到，在國(guó)際單位制下，如果Rs比Ld、Lq大兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，在忽略定子電阻的前提下求取高頻響應(yīng)電流會(huì)引起較大偏差。因此計(jì)及定子電阻的影響，d-q坐標(biāo)系下電機(jī)的高頻電壓方程如式(4)所示：

(4)

(5)

2.2.2 不同柱溫對(duì)fs/i的影響 考察了不同柱溫（25、28、30、32、35 ℃）對(duì)各fs/i的影響，結(jié)果（表3）朝藿定B、朝藿定A、朝藿定C、淫羊藿苷、木犀草素、槲皮素、川陳皮素、山柰酚、寶藿苷Ifs/i的RSD依次為0.57%、1.18%、0.98%、1.08%、2.08%、1.90%、0.76%、2.45%和2.81%，表明柱溫的波動(dòng)對(duì)各成分fs/i無(wú)顯著影響。

(6)

(7)

圖2 i幅值提取Fig.2 Extraction ofiamplitude

圖3 i幅值提取及誤差矯正項(xiàng)構(gòu)成Fig.3 Extraction ofiamplitude and construction of the error correction term

2 脈振高頻電壓注入法的實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用特征諧波消除的脈振高頻電壓注入法的控制框圖如圖5所示。

圖4 高頻響應(yīng)電流i、i的重構(gòu)Fig.4 Construction of high-frequency currentiandi

圖5中的位置跟蹤觀測(cè)器可以根據(jù)圖6所示的方式進(jìn)行構(gòu)造，誤差校正項(xiàng)ε的表達(dá)式已在公式(6)中給出。

圖5 應(yīng)用特征諧波消除的脈振高頻電壓注入法控制框圖Fig.5 Block diagram of improved pulsating high-frequency voltage injection with characteristic harmonic elimination

圖6 位置跟蹤觀測(cè)器模型Fig.6 Model of position tracking observer

圖7 初始位置補(bǔ)償角度解算Fig.7 Calculation of the compensation angleof initial position

3 仿真和實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證以上控制策略，在Matlab/SIMULINK平臺(tái)上對(duì)一臺(tái)外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)搭建了仿真模型進(jìn)行仿真并進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體為表貼式，在電磁性能上屬于隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。電機(jī)參數(shù)如表1所述。

表1 電機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of motor

從圖8與圖9的對(duì)比可以看出，應(yīng)用特征諧波消除法去除高頻響應(yīng)電流效果較好，ifα、ifβ中高次諧波含量較少，電流畸變較傳統(tǒng)方法小。同樣條件下，仿真中應(yīng)用傳統(tǒng)方法的位置估算誤差為20°左右，應(yīng)用特征諧波消除的脈振高頻電壓注入法的位置估算誤差不到10°。

圖8 應(yīng)用傳統(tǒng)脈振高頻電壓注入法的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of the traditional pulsating high-frequency voltage injection method

圖9 引入特征諧波消除法的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of the method with the characteristic harmonic elimination

在實(shí)驗(yàn)中對(duì)上述隱極式永磁同步電機(jī)應(yīng)用改進(jìn)的脈振高頻電壓注入法進(jìn)行無(wú)位置傳感器控制，測(cè)量電機(jī)低速時(shí)的運(yùn)行特性，對(duì)該控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還包括直流電源、測(cè)功機(jī)、30 kW的驅(qū)動(dòng)器等，驅(qū)動(dòng)器的控制芯片為TMS320F28234。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)通訊模塊傳輸?shù)诫娔X中，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖10所示。將脈振高頻電壓注入法應(yīng)用到該電機(jī)的啟動(dòng)上，速度達(dá)到一定值后可切換到其他適用于中、高速的無(wú)位置傳感器控制策略。

圖10 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.10 Block diagram of experimental system

圖11 高頻響應(yīng)電流的去除Fig.11 Elimination of the high-frequency current

圖12 轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估算結(jié)果Fig.12 Estimation results of the rotor position and speed

為了測(cè)試無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為90 r/min時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由零突變到額定轉(zhuǎn)矩以及由額定轉(zhuǎn)矩突變到零，這兩種情況下的電機(jī)動(dòng)態(tài)特性如圖13、圖14所示。由圖中可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速在1.5 s內(nèi)被調(diào)節(jié)到參考轉(zhuǎn)速，位置估算誤差在15°以下，系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定。

在仿真和實(shí)驗(yàn)中對(duì)改進(jìn)的脈振高頻電壓注入法的控制效果進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果包括電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，應(yīng)用特征諧波消除的方式取代低通濾波器，高頻響應(yīng)電流去除效果較好，不引起相電流相位的滯后，轉(zhuǎn)子位置估算較精確，穩(wěn)態(tài)時(shí)位置估算誤差在10°以下，動(dòng)態(tài)時(shí)位置估算誤差在15°以下。

圖13 突加16 N·m轉(zhuǎn)矩時(shí)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性Fig.13 Stepping up of 16 N·m load torque

圖14 突減16 N·m轉(zhuǎn)矩時(shí)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性Fig.14 Stepping down of 16 N·m load torque

圖16 參考轉(zhuǎn)速突降時(shí)電機(jī)的響應(yīng)Fig.16 Stepping down of the reference speed

4 結(jié) 論

脈振高頻電壓注入法適用于永磁同步電機(jī)零速或低速區(qū)無(wú)位置傳感器控制。對(duì)傳統(tǒng)的脈振高頻電壓注入法進(jìn)行改進(jìn)，將特征諧波消除的方法應(yīng)用到脈振高頻電壓注入法中，取代低通濾波器，可避免產(chǎn)生電流波形畸變和相移，能更有利于平滑地切換到中、高速的無(wú)位置傳感器控制。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的脈振高頻電壓注入法估算的轉(zhuǎn)子位置更加精確，同時(shí)能滿足低速運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)性能的要求。

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(編輯：劉素菊)

Improved pulsating high-frequency voltage injection with characteristic harmonic elimination

YU Shuai， ZHANG Wei

(College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

The traditional pulsating high-frequency voltage injection (PHFVI) method has problems such as estimated rotor position lag and difficulty in switching to higher speed region.To solve these problems,the characteristic harmonic elimination (CHE) method is applied to replace the traditional low pass filter.Besides,taking the stator resistance into consideration,a modified estimation error correction term was proposed to reduce the elimination error.It resulted in more accurate estimated position,less current distortion and less phase lag.Using the estimated position and speed as feedbacks in speed regulation loop can improve low speed dynamic performance of the motor.The complete scheme of the proposed method was given.Simulation and experimental results are demonstrated in detail to verify the feasibility and advantages of the proposed scheme.

permanent magnet synchronous motor; position sensorless; pulsating high-frequency voltage injection; reconstruction; characteristic harmonic elimination

2016-01-25

浙江省自然科學(xué)基金(LY12E07002)

于 帥(1990—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的無(wú)位置傳感器控制； 章 瑋(1967—)，女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榻涣麟姍C(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制策略。

章 瑋

10.15938/j.emc.2016.12.003

TM 351

:A

:1007-449X(2016)12-0017-08