基于永磁同步電機的雙模矢量控制器設(shè)計

謝 樂，丁學(xué)明，鄭照平

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院,上海200093;2.上海雄博精密儀器股份有限公司,上海200444)

基于永磁同步電機的雙模矢量控制器設(shè)計

謝 樂1，丁學(xué)明1，鄭照平2

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院,上海200093;2.上海雄博精密儀器股份有限公司,上海200444)

在永磁同步電機矢量控制應(yīng)用中，位置傳感器損壞或信號傳輸異常時，易導(dǎo)致嚴重事故或給用戶帶來不便。針對此問題，文中設(shè)計了一種有、無位置傳感器雙模式矢量控制器，通過調(diào)節(jié)觀測器增益K和鎖相環(huán)PI參數(shù)，使得帶鎖相環(huán)的Luenberger觀測器能夠跟蹤實際轉(zhuǎn)子位置，當(dāng)位置信號異常時，控制器可以自動從有位置傳感器模式平滑切換到無位置傳感器模式運行。

永磁同步電機；矢量控制；Luenberger觀測器；平滑切換

永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)的勵磁由永磁體提供，磁動勢、電壓和電流均為正弦波形，其具有控制性能好、調(diào)速范圍寬、運行平穩(wěn)、效率高等優(yōu)點[1-2]，且與永磁無刷直流電機相比，轉(zhuǎn)矩脈動和鐵芯損耗更小，近年來已得到廣泛應(yīng)用。

永磁同步電機的高性能控制一般采用矢量控制算法，這需要精確的轉(zhuǎn)子位置信息。獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方式有兩種：一種是通過位置傳感器來獲取；另一種方法是通過控制算法來估算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，比如磁鏈觀測器法[3]、擴展卡爾曼濾波法[4]等。目前，永磁同步電機的位置檢測以霍爾傳感器為主，采用機械式位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置可靠性最高，其在全速度范圍內(nèi)都能獲得高精確度的位置與速度信號[5-6]。但在實際應(yīng)用中，內(nèi)置式位置傳感器往往容易發(fā)生損壞，市場調(diào)查得知電動自行車用電機產(chǎn)生的故障80%源自霍爾元件的故障[7-8]。在某些情況下，位置傳感器一旦發(fā)生損壞，極易造成嚴重的安全事故或給用戶帶來不便。

針對上述問題，文中設(shè)計了一種雙模式矢量控制器，使得電機在有霍爾傳感器運行過程中，能夠通過Luenberger觀測器和鎖相環(huán)相結(jié)合的方法，估算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，并能夠?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)子實際位置和轉(zhuǎn)速的跟蹤，以使當(dāng)霍爾傳感器故障時，能夠迅速且平滑的切換到無位置傳感器控制模式，使得電機繼續(xù)保持正常運行，大幅增強了電機運轉(zhuǎn)時的安全性和可靠性。

1 轉(zhuǎn)子位置信息獲取

1.1 有霍爾傳感器位置信息的獲取

對于永磁同步電機，電機轉(zhuǎn)動時3個霍爾元件會產(chǎn)生三相霍爾信號[9]。 如圖1所示，隨著三相霍爾的每一次輸出狀態(tài)改變，電角度也隨之改變。在實際應(yīng)用中，需要定義零度角位置，比如定義A相上升沿為零度角位置，則三相霍爾異或后的狀態(tài)改變順序為5-4-6-2-3-1，狀態(tài)改變一次則電角度改變60°。

圖1 永磁同步電機三相霍爾信號

1.2 無位置傳感器時位置信息的獲取

相對于通過位置傳感器獲取角度信息，無位置傳感器控制算法則較為復(fù)雜。在本文中主要討論了Luenberger觀測器算法對于位置信息的估算。通過狀態(tài)重構(gòu)，設(shè)計一個帶輸出反饋的閉環(huán)觀測器系統(tǒng)，實現(xiàn)對于所需狀態(tài)變量的觀測[10-11]。

兩相靜止坐標(biāo)系下的PMSM數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中，iα,iβ,vα，vβ，eα，eβ為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流、電壓和反電勢；ωr為轉(zhuǎn)子電角速度；p為電機極對數(shù)；Ls為α、β軸電感；Rs為電樞電阻。其中狀態(tài)矢量為x=[iα,iβ,eα,eβ]，輸入矢量為u=[vα,vβ]，輸出矢量為y=[iα,iβ]。

基于上述狀態(tài)方程，可以設(shè)計出針對永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置估計的Luenberger觀測器，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 閉環(huán)觀測器結(jié)構(gòu)框圖

永磁同步電機狀態(tài)觀測器數(shù)學(xué)模型下

(2)

可表示為

(3)

由現(xiàn)代控制理論可知，狀態(tài)反饋會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，要使反饋構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)漸進穩(wěn)定，需要確定觀測器增益矩陣K，使A-KC為穩(wěn)定矩陣[10]，即需使(A-KC)的特征值均具有負實部。系統(tǒng)特征矩陣為

(4)

特征值根為

(5)

(6)

上述觀測器方案實際是利用已知量vα，vβ，iα，iβ估算出反電動勢eα，eβ，反電勢中含有角度信息，但是由于觀測器觀測到的反電勢耦合有很多干擾信號，為了獲取精確的角度信息，所以采用鎖相環(huán)(Phase-locked Loop,PLL)的方法來提取轉(zhuǎn)子的位置信息[12-13]，鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

其中通過PI控制器調(diào)節(jié)速度輸出值來使得輸入值保持為0，即相當(dāng)于估計的角度不停的跟蹤實際的角度。

2 雙模矢量控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

由霍爾傳感器的原理可知，當(dāng)電機轉(zhuǎn)子(永磁體)磁極轉(zhuǎn)過霍爾傳感器附近時，會發(fā)出一個高電平或低電平信號[14]。上文已經(jīng)說明，當(dāng)三相霍爾信號正常時，隨著電機的轉(zhuǎn)動，三相霍爾信號會按照固定的順序(011-010-110-100-101-001)變化，從而獲取當(dāng)前的實時位置信息。所以，若是(1)三相霍爾信號中出現(xiàn)111或000時；(2)霍爾組合信號不是按照上述順序變化時，則表明至少有一相霍爾損壞或信號傳輸電路故障。

電機啟動時，首先會檢測當(dāng)前三相霍爾信號，如果發(fā)現(xiàn)異常，則電機關(guān)停，并以無位置傳感器模式啟動。

電機在有位置傳感器模式運行時，會不斷的檢測三相霍爾信號，并據(jù)此計算當(dāng)前角度值，與此同時，觀測器和鎖相環(huán)也會同步工作，依據(jù)當(dāng)前的iα,iβ,vα，vβ值，得出估算的角度信息和速度值，通過調(diào)整觀測器增益K和鎖相環(huán)PI參數(shù)，使得估算值能夠很好的跟蹤實際值。若在電機運轉(zhuǎn)過程中，檢測到三相霍爾信號發(fā)生異常，由于電機控制器軟件運行時間通常都為微秒級，當(dāng)霍爾信號出現(xiàn)異常后，可以保證電機在失控前即平滑的切換為無傳感器運行模式，如圖4所示。

圖4 工作模式切換框圖

3 仿真分析及驗證

為驗證Luenberger觀測器能夠有效運行，基于Matlab建立仿真模型進行驗證，使用電機參數(shù)為：定子電阻Rs=1.6 Ω，定子電感Ls=1.4 mH，額定電壓為U=24 V，電機極對數(shù)p=4。觀測器增益k1=38 855，k2=-559 950，鎖相環(huán)PI參數(shù)為10和0.003。

圖5為電機實際速度和估計速度波形，在電機啟動和負載突變階段響應(yīng)時間約為0.1 s。

圖5 實際速度和估計速度響應(yīng)

圖6為在運行過程中電機實際速度與估計速度的差值。

圖6 實際速度與估計速度誤差曲線

由圖6和圖7可知，在電機啟動時差值較大，由于觀測器是從電機電流和電壓信號中提取出角度和速度信息，所以較實際速度有一定延遲。且觀測器系統(tǒng)在極短的時間內(nèi)使得二者差值減小到5 rpm以內(nèi)，表明系統(tǒng)具有良好的動態(tài)跟蹤特性和魯棒性。

圖7為通過三相霍爾信號得到的實際轉(zhuǎn)子角度和通過觀測器得出的估計角度，由波形可知，二者角度值在運行過程中是一致的，表明觀測器和鎖相環(huán)結(jié)合的方法得出的估計角度值是準(zhǔn)確的。

圖7 實際角度和估計角度波形

為進一步驗證所設(shè)計雙模矢量控制器切換過程的有效性，以32位ARM處理器stm32f103[15]為主控制器，進行實驗。電機以有霍爾位置傳感器模式啟動并設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 000 rpm，正常運行后，通過人為切斷一相霍爾信號來模擬霍爾元件的損壞，測試控制器是否能平滑的切換到無傳感器控制模式。由圖8電機轉(zhuǎn)速波形可知，電機在正常運行時，觀測器的轉(zhuǎn)速估計響應(yīng)是比較好的。在t=5 s時切斷一相霍爾信號，由于控制器對于霍爾信號的檢測是微秒級的，一旦檢測到霍爾信號的異常，立即軟件切換為無位置傳感器模式，電機的轉(zhuǎn)動波形有較小波動，但能夠迅速重新恢復(fù)穩(wěn)定。

圖8 有、無位置傳感器模式切換時速度波形

4 結(jié)束語

本文針對PMSM研究了有、無位置傳感器雙模矢量控制器的應(yīng)用。分析了無位置傳感器模式下Luenberger觀測器對角度和速度的估算，并通過仿真和測試加以驗證，使得估計值能夠跟蹤實際值，解決了單一位置傳感器模式時存在的不足之處，具有更好的可靠性和安全性。

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Design of Dual Mode Vector Controller Based on Permanent Magnet Synchronous Motor

XIE Le1,DING Xueming1,ZHENG Zhaoping3

(1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2. Shanghai Supore Instruments Co.，Ltd.，Shanghai 200444,China)

In the application of PMSM vector control,it is easy to cause serious accidents or inconvenience for the users when the position sensor is damaged or the signal transmission is abnormal. In order to solve this problem,this paper designs a dual mode vector controller either with position sensor or sensorless. By adjusting the gain of the observer-K and PI parameters of PLL,the Luenberger observer with phase-locked loop can track the actual rotor position. When the position signal is abnormal,the controller can switch automatically from the position sensor mode to the sensorless mode.

PMSM; vector control; Luenberger observer; switch smoothly

TM301.2

A

1007-7820(2017)11-103-04

2017- 01- 04

寶山區(qū)科技創(chuàng)新專項資金(bkw201408)

謝樂(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：電機控制。丁學(xué)明(1971-)，男，副教授。研究方向：嵌入式系統(tǒng)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.11.028