航空起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)電動(dòng)運(yùn)行無傳感器控制研究

李 巖，吳 迪，李 運(yùn)

（1.海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺264001；2.海軍航空工程學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，山東 煙臺264001；3.海軍駐貴陽地區(qū)軍事代表辦事處 貴州 安順561000）

航空起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)電動(dòng)運(yùn)行無傳感器控制研究

李 巖1，吳 迪2，李 運(yùn)3

（1.海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺264001；2.海軍航空工程學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，山東 煙臺264001；3.海軍駐貴陽地區(qū)軍事代表辦事處 貴州 安順561000）

針對航空起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，永磁同步電機(jī)在起動(dòng)過程中必須要準(zhǔn)確知道轉(zhuǎn)子的速度和位置，提出了一種基于高頻信號注入法的無傳感器控制策略。向電機(jī)的凸極注入高頻電壓信號，通過濾波器提取出所需要的轉(zhuǎn)子位置信號，并且不受參數(shù)影響，有效的解決了傳統(tǒng)機(jī)械傳感器帶來的各種弊端，尤其是在零速和低速有很好的控制效果。搭建了高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法的Simulink仿真模型，仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。

六相永磁同步電機(jī)；無傳感器控制；高頻信號注入法；位置觀測

Abstract:For the state of the electric operation of the air starting power generation system，the permanent magnet synchronous motor must exactly know the speed and position of the rotor during the starting process，a sensorless control strategy based on high frequency signal injection method is proposed.The salient pole of the motor is injected into the high frequency voltage signal，and the desired rotor position signal is extracted by the filter， and are not subject to the parameters that affect，effectively solve the disadvantages of traditional mechanical sensor，especially in the zero speed and low speed has a good control effect.The Simulink simulation model of high frequency rotating voltage injection method is set up，and the simulation results show that the method is effective.

Key words:six phase permanent magnet synchronous motor； sensorless control； high frequency voltage injection method；position observation

實(shí)現(xiàn)起動(dòng)/發(fā)電雙功能是現(xiàn)代航空電源系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向，其核心思想是使電源系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)一機(jī)兩用，先當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，再當(dāng)發(fā)電機(jī)供電，從而革除了發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)系統(tǒng)，有效地簡化了發(fā)動(dòng)機(jī)的附件，減輕了重量，提高了飛機(jī)的可靠性和總體性能，成為未來飛機(jī)電源系統(tǒng)研究的一個(gè)熱點(diǎn)[1-4]。而永磁同步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單可靠，控制性能優(yōu)良，常被應(yīng)用于航空起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)中。

當(dāng)發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須要準(zhǔn)確知道轉(zhuǎn)子的速度和位置，采用傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，使得整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性降低，并且存在高成本和安裝復(fù)雜等弊端。為了解決機(jī)械傳感器帶來的的各種缺陷，無傳感器控制技術(shù)成為了現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)方向[5-9]。

高頻信號注入法作為一種無傳感器控制方法，是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的凸極，在靜止坐標(biāo)系上注入旋轉(zhuǎn)高頻電壓載波信號[10]，然后通過檢測其對應(yīng)高頻電流的響應(yīng)來確定轉(zhuǎn)子凸極的速度和位置。這種方法追蹤的是轉(zhuǎn)子的空間凸極效應(yīng)，對電機(jī)的參數(shù)變化不敏感，魯棒性好，能較好解決在零速和低速下轉(zhuǎn)子速度和位置的估計(jì)。

1 六相永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

六相永磁同步電機(jī)在靜止坐標(biāo)系下的電壓方程為：

磁鏈方程為：

其中，p為微分算子，Rs為定子電阻，ψf為永磁體磁鏈，θr為轉(zhuǎn)子位置角，L=（Ld+Lq）/2 為平均電感，ΔL=（Lq-Ld）/2為半差電感。 Ld和Lq分別為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的直軸同步電感和交軸同步電感[7]。

在靜止坐標(biāo)系α-β軸上分別注入高頻旋轉(zhuǎn)電壓信號：

其中，Vh為高頻旋轉(zhuǎn)電壓幅值，ωh為高頻旋轉(zhuǎn)電壓頻率。當(dāng)電壓頻率很高時(shí)，電機(jī)的阻抗主要為電感，在定子電阻上的壓降忽略不計(jì)，因此高頻信號在靜止坐標(biāo)系下產(chǎn)生的定子磁鏈為

求解上式，可得高頻電壓產(chǎn)生的高頻電流響應(yīng)為：

2 轉(zhuǎn)子的位置估計(jì)

2.1 負(fù)相序分量提取

由上節(jié)可知，高頻電流中含有正相序和負(fù)相序電流，只有負(fù)相序分量中含有轉(zhuǎn)子位置信息，因此為了獲得轉(zhuǎn)子位置信息必須對載波電流信號進(jìn)行解調(diào)濾波處理，濾除基波電流，低次諧波電流，PWM開關(guān)諧波電流以及正相序分量，進(jìn)而得到高頻電流負(fù)相序分量[8-10]。同時(shí)用低通濾波器濾除載波電流中的高頻信號，得到基波電流信號，形成電流閉環(huán)控制。

2.1.1 純延時(shí)濾波

因?yàn)榛ê偷痛沃C波的頻率遠(yuǎn)低于高頻信號的頻率，而PWM開關(guān)諧波的頻率遠(yuǎn)高于高頻信號的頻率，一般采用一個(gè)合適的帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)這兩種頻率信號的濾除。但經(jīng)過帶通濾波的高頻電流，其幅值會(huì)有衰減，相位發(fā)生滯后，將影響之后濾波和轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的準(zhǔn)確性，文中設(shè)計(jì)一種純延時(shí)濾波[11-13]。

這種方法的原理是將檢測得到的電流信號延遲高頻電流信號的半個(gè)周期即然后原電流信號再與延時(shí)后的電流信號做差即可得到高頻電流。以α軸電流為例，檢測到的電流為基波電流和高頻電流之和，即：

當(dāng)電流延時(shí)半個(gè)周期后作差，可得:

由式（8）可以看出，經(jīng)過純延時(shí)濾波后的基波電流減小到原來的倍，由于 ωh＞＞ωr，所以趨近于零，基波電流的衰減很大，幾乎都被濾除了。而高頻電流經(jīng)過濾波后變?yōu)樵瓉淼?倍，這樣可以用較小的高頻電壓信號得到較大的高頻電流信號，從而避免了注入較大高頻電壓信號帶來的系統(tǒng)噪聲和功率損耗。并且這種濾波方法不會(huì)使高頻電流相位滯后，從而保證了估測轉(zhuǎn)子位置的精度。

2.1.2 同步軸高通濾波

通過純延時(shí)濾波環(huán)節(jié)提取到了高頻電流響應(yīng)信號，其中包含了正相序和負(fù)相序電流分量，為了得到包含有轉(zhuǎn)子位置信息的負(fù)相序電流分量，這里采用同步軸高通濾波器來進(jìn)行濾波。同步軸高通濾波器通過坐標(biāo)變換把高頻電流矢量變換到一個(gè)與注入的高頻電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系中[14]。

在式（6）兩邊同乘 e-jωht，可得：

式（9）中，高頻正相序電流為一直流分量，只需用一個(gè)高通濾波器就可以完全濾除，得到再將Iαβ_h2變換到靜止坐標(biāo)系下就可以提取到負(fù)相序電流分量：

2.2 鎖相環(huán)估計(jì)位置信息

通過同步軸高通濾波器可以得到負(fù)相序電流分量，下面要將位置信息從負(fù)相序分量中提取出來。這里采用基于鎖相環(huán)理論的方法來估計(jì)轉(zhuǎn)子位置信息[15]。鎖相環(huán)一般由鑒相器、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器組成，其原理圖如圖1所示。

圖1 鎖相環(huán)原理圖

2.2.1 鑒相器

鑒相器又叫做相位比較器，它的主要作用是得到輸入和輸出信號的相位差，并將其以電壓信號的形式作為輸出，這里利用相位比較器將估計(jì)轉(zhuǎn)子位置角和實(shí)際轉(zhuǎn)子位置角進(jìn)行比較，從而得到轉(zhuǎn)子誤差角。

經(jīng)過同步軸高通濾波器的到的負(fù)相序電流式（10）從極坐標(biāo)變換到α-β坐標(biāo)系下得：

若轉(zhuǎn)子的估計(jì)位置角十分接近實(shí)際位置，則：

2.2.2 環(huán)路濾波器

環(huán)路濾波器的主要作用是對轉(zhuǎn)子位置的誤差角進(jìn)行環(huán)路濾波，濾除噪聲以及干擾信號，確保鎖相環(huán)的穩(wěn)定性。這里增加一個(gè)PI調(diào)節(jié)器來替代環(huán)路濾波器實(shí)現(xiàn)環(huán)路濾波功能，轉(zhuǎn)子位置誤差角通過PI調(diào)節(jié)器可以得到轉(zhuǎn)子角速度的估計(jì)值。

2.2.3 壓控振蕩器

壓控振蕩器是一種電壓-頻率變換裝置，它在鎖相環(huán)中起到了一次積分的作用，因此設(shè)置一個(gè)積分器，通過一次積分就能達(dá)到壓控振蕩器的效果，即對轉(zhuǎn)子角速度的估計(jì)值進(jìn)行積分，就可以得到轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值

3 仿真模型及結(jié)果

圖2 高頻信號注入法原理圖

上節(jié)分析了基于高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法的六相永磁同步電機(jī)無傳感器控制系統(tǒng)的原理和各濾波環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法，為了驗(yàn)證所采用方法的有效性，在Matlab/Simulink平臺上搭建系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。系統(tǒng)的原理圖如圖2所示，整個(gè)無傳感器控制系統(tǒng)由PMSM模塊、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、逆變器模塊、高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入模塊、速度調(diào)節(jié)模塊、電流調(diào)節(jié)模塊以及濾波器和鎖相環(huán)模塊構(gòu)成。

下面對一臺六相永磁同步電機(jī)進(jìn)行Simulink仿真驗(yàn)證， 其中電機(jī)的參數(shù)為：J=0.008kg*m2，p=2，Rs=2.4 Ω，Ld=0.007 H，Lq=0.005 H，ψf=0.167 Wb。取轉(zhuǎn)速給定為50 rad/s，給定轉(zhuǎn)矩為 10 N·m，到 0.9 s時(shí)，轉(zhuǎn)矩變?yōu)? N·m，系統(tǒng)仿真運(yùn)行，得到的轉(zhuǎn)速跟蹤，跟蹤誤差，位置跟蹤和位置跟蹤誤差波形分別如圖3～圖6所示：

圖3 轉(zhuǎn)速跟蹤

圖4 轉(zhuǎn)速跟蹤誤差

圖5 位置跟蹤

圖6 位置跟蹤誤差

從圖3～圖6可以看出，剛開始系統(tǒng)經(jīng)過很短時(shí)間就跟蹤上了給定轉(zhuǎn)速，之后除了轉(zhuǎn)矩突變時(shí)轉(zhuǎn)速有一些波動(dòng)，但馬上又穩(wěn)定下來，其它時(shí)間轉(zhuǎn)速跟蹤良好，轉(zhuǎn)速誤差幾乎為零；同時(shí)位置角也能較好跟蹤，位置跟蹤誤差趨近于零，系統(tǒng)跟蹤性能和穩(wěn)定性能良好。通過上圖可知，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無傳感器的速度和位置跟蹤并且取得較好的效果。

4 結(jié) 論

本文中的高頻信號注入法的無傳感器控制研究，通過跟蹤轉(zhuǎn)子的凸極，采用各種濾波器和濾波方法從高頻載波信號中解調(diào)出實(shí)際的轉(zhuǎn)子速度和位置信息，仿真結(jié)果表明了在低速條件下，高頻信號注入法無傳感器控制的有效性。無傳感器控制的研究目前正處于發(fā)展和完善階段，較適合工程實(shí)際應(yīng)用。航空飛機(jī)在惡劣條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)可能突然變速變載，這種方法對電機(jī)參數(shù)變換不敏感，有較強(qiáng)的魯棒性，在航空飛機(jī)的起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)中有重要應(yīng)用價(jià)值。

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Research on sensorless control of the electric operation of the air starting and powering generation system

LI Yan1， WU Di2，LI Yun3
（1.Department of Control Engineer， Naval Aeronautical Engineering Institute， Yantai264001，China；2.Graduate Management Group， Naval Aeronautical Engineering Institute， Yantai264001，China；3.The Navy's Military Representation Office in Guiyang， Anshun561000，China）

TN081

A

1674－6236（2017）19-0118-04

2016-07-27稿件編號201607192

李 巖（1967—），女，山東淄博人，碩士，教授。研究方向：航空電源系統(tǒng)與電氣控制技術(shù)。