基于高頻方波注入的船舶電機(jī)無(wú)傳感器控制研究

高 翔，劉維亭

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

基于高頻方波注入的船舶電機(jī)無(wú)傳感器控制研究

高 翔，劉維亭

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

隨著大功率交流調(diào)速技術(shù)的不斷進(jìn)步，船舶電力推進(jìn)如今成為船舶行業(yè)的主要發(fā)展目標(biāo)。為研究運(yùn)行可靠穩(wěn)定、靈活、高性能的船舶電機(jī)無(wú)位置傳感器控制，系統(tǒng)采用高頻注入法估算電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，根據(jù)基于高頻注入永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的研究，該系統(tǒng)中高頻采用的是高頻方波注入，減少濾波器的使用從而緩解了轉(zhuǎn)子位置延遲現(xiàn)象，同時(shí)采用鎖相環(huán)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的相位和頻率跟蹤來(lái)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)子的估計(jì)轉(zhuǎn)速，克服了估算轉(zhuǎn)速脈動(dòng)大的困難。利用Matlab對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證電機(jī)控制系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速平滑穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子位置波形在0–2π有規(guī)律往返。最終實(shí)現(xiàn)高精度、靈活的無(wú)傳感器船舶電機(jī)控制。

PMSM；高頻方波注入；鎖相環(huán)；無(wú)傳感器控制

0 引 言

影響船舶動(dòng)力的主要因素為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)性能好壞和靈活程度等。船舶推進(jìn)系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)船體螺旋槳推進(jìn)船舶行駛。傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)裝置帶有位置傳感器，位置傳感器的使用無(wú)疑增加經(jīng)濟(jì)成本，且噪聲大，不易維護(hù)，運(yùn)行條件苛刻等均影響船舶的穩(wěn)定行駛和安全操作。為提高船舶的穩(wěn)定性、可靠性等安全因素，采用無(wú)位置傳感器永磁同步電機(jī)來(lái)帶動(dòng)螺旋槳以達(dá)到平穩(wěn)推進(jìn)船舶行駛。永磁同步電機(jī)（PMSM）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、運(yùn)行穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，在高性能調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)外對(duì)永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制技術(shù)的研究相對(duì)來(lái)說(shuō)起步較早， M.L.Corley 和 R. D. Lorenz 等[2]率先從事無(wú)傳感器控制研究，澳大利亞的 M. F. Rahman 教授、丹麥的 F. Blaabjerg等相繼在無(wú)傳感器控制技術(shù)上做出相關(guān)研究成果。郭慶鼎等[3]在無(wú)傳感器控制領(lǐng)域深入研究，并取得相應(yīng)研究成果。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了高頻方波注入下的船舶電機(jī)控制系統(tǒng)。闡述高頻方波注入船舶電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析系統(tǒng)的控制策略和控制原理，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。

1 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

建模時(shí)為計(jì)算簡(jiǎn)便，忽略鐵芯的磁飽和，不計(jì)渦流損耗和磁滯損耗和無(wú)阻尼繞組[4]。

1）d-q坐標(biāo)系定子電壓方程

2）定子磁鏈方程

式中：ud、uq，id、iq，Ld、Lq分別為d-q坐標(biāo)系中的電壓分量、電流分量和電感分量；Rs為定子電樞繞組的電阻；ωe為轉(zhuǎn)子的電角速度；Ψd，Ψq為定子磁鏈；Ψf為永磁體磁鏈。

3）轉(zhuǎn)矩方程

4）運(yùn)動(dòng)方程

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；np為電機(jī)極對(duì)數(shù)；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

5）高頻注入電壓電流方程

其中：

經(jīng) park 逆變換[5]，高頻勵(lì)磁電壓方程變換為：

因電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)為正值，所以需對(duì)高頻響應(yīng)電流進(jìn)行符號(hào)一致化處理（即符號(hào)取正），再進(jìn)行歸一化[6]得到如下高頻響應(yīng)電流：

利用鎖相環(huán)[7]對(duì)式（7）跟蹤處理，估算出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，進(jìn)而估算出速度信號(hào)。

2 高頻方波注入的船舶電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 永磁同步電機(jī)系統(tǒng)組成

圖 2 為永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由 PMSM、功率驅(qū)動(dòng)、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、位置觀(guān)測(cè)器組成。電流內(nèi)環(huán)、速度環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)[8]控制系統(tǒng)。位置觀(guān)測(cè)器是基于高頻方波信號(hào)注入估算轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)[9]。

圖 3為高頻方波信號(hào)注入的系統(tǒng)原理框圖。

2.2 船舶電機(jī)控制整體設(shè)計(jì)

基于高頻方波注入的船舶電機(jī)控制系統(tǒng)主要有主控模塊，槳葉驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)螺旋槳，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制電機(jī)，電源等。船舶電機(jī)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖 4所示。

本文采用永磁同步電機(jī)與諧波減速器配合的方法，結(jié)合矢量控制[10]方法和id= 0 的控制策略[11]，電流、速度閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)高頻方波注入下的船舶電機(jī)無(wú)位置傳感器控制。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證高頻方波注入的船舶電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)的可靠性和有效性，在 Simulink 仿真環(huán)境[12]下建立基于高頻方波注入的永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)，采用id= 0 矢量控制，電機(jī)參數(shù)選取為：R= 0.8 Ω，Ld= 0.008 H，Lq= 0.021 H，Ψf= 0.175 Wb，J= 0.000 46 kg·m2，極對(duì)數(shù)Pn= 2，額定功率PN= 1.4 kW，額定轉(zhuǎn)速n= 300 r/min。PI 控制器系數(shù)分別為kp= 285，ki= 100。電機(jī)仿真模型如圖 5所示；圖 6為電機(jī)實(shí)際速度曲線(xiàn)，曲線(xiàn)較為平滑，電機(jī)由靜止平滑運(yùn)行至額定轉(zhuǎn)速并穩(wěn)定運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速 300 r/min 處；圖 7為電機(jī)估計(jì)速度曲線(xiàn), 估計(jì)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)較為平滑，并與實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)相似接近，誤差小，且運(yùn)行穩(wěn)定；圖 8為定子電流波形，電機(jī)能順利平穩(wěn)啟動(dòng)，并快速啟動(dòng)至穩(wěn)定狀態(tài)；圖 9為轉(zhuǎn)子位置曲線(xiàn)；圖 10為轉(zhuǎn)子位置誤差曲線(xiàn)。由圖可以看出轉(zhuǎn)子位置誤差很小。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)船舶電機(jī)無(wú)位置傳感器控制的研究得出以下結(jié)論：

1）采用高頻方波注入法實(shí)現(xiàn)，緩解了位置延遲現(xiàn)象；

2）高頻方波注入結(jié)合矢量控制id= 0，電機(jī)控制系統(tǒng)啟動(dòng)平緩穩(wěn)定；

3）與鎖相環(huán)結(jié)合控制，提高系統(tǒng)估計(jì)精度。

以上證明了此方案的可行性。

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Research marine motor sensor-less control based on high frequency square injection

GAO Xiang, LIU Wei-ting
(School of Electrical and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Along with the advance of high power ac speed regulating technique, ship electric propulsion now become the main development goal of shipping industry. In order to research a reliable, stable, flexible and high-powered marine motor sensor-less control, system adopts high frequency signal injection observing motor rotor position signal, and according to the mathematical model research based on high frequency injection permanent magnet synchronous motor, high frequency used in the system is high frequency square wave injection, reduces the use of filter, so reduces the delay phenomenon of the rotor position, uses phase-locked loop to track the phase and frequency of the motor rotor to calculate the estimated motor rotor speed, this overcomes the difficulties of estimate speed ripple. At last, marine motor system with the Matlab simulation, verify the motor speed smooth stability of motor control system, the rotor position waveform in 0~2π regularly commute. Finally realized the high precision and agility of marine motor sensor-less control system.

PMSM；high frequency square signal injection；phase-locked loop；sensor-less control

TM351

A

1672 – 7649(2017)07 – 0098 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.04.020

2016 – 07 – 21；

2016 – 09 – 29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61503161)；船舶預(yù)研支撐技術(shù)基金資助項(xiàng)目(13J2.5.2)

高翔(1989 – )，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。