電勵(lì)磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制方法研究

梁鳳強(qiáng)，孫順新，趙軍，趙同健，朱軍

（ 1.國(guó)網(wǎng)臨沂供電公司，山東 臨沂 276000;2.天元建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 臨沂 276000；3.臨沂市恒源熱電集團(tuán)有限公司，山東 臨沂 276000 ）

電勵(lì)磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制方法研究

梁鳳強(qiáng)1，孫順新2，趙軍3，趙同健2，朱軍3

（ 1.國(guó)網(wǎng)臨沂供電公司，山東 臨沂 276000;2.天元建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 臨沂 276000；3.臨沂市恒源熱電集團(tuán)有限公司，山東 臨沂 276000 ）

針對(duì)同步電機(jī)傳統(tǒng)的機(jī)械位置傳感器存在的缺陷，提出一種基于高頻信號(hào)注入的無(wú)速度傳感器同步電機(jī)速度和位置檢測(cè)方法。在電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)的數(shù)學(xué)模型，在q軸注入高頻電壓信號(hào)，選用帶阻濾波器對(duì)轉(zhuǎn)子高頻電流信號(hào)進(jìn)行有效提取，設(shè)計(jì)位置鎖相環(huán)對(duì)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速和位置進(jìn)行在線辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速和位置準(zhǔn)確地估計(jì)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該檢測(cè)方法具有較好的檢測(cè)和跟蹤效果。

同步電機(jī)；高頻注入；無(wú)傳感器；轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)

0 引言

電勵(lì)磁同步電機(jī)相對(duì)其他電機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小、控制精度高、功率因數(shù)高和過(guò)載能力強(qiáng)等多方面優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于水泵、機(jī)車、船舶等諸多工業(yè)領(lǐng)域。針對(duì)優(yōu)化永磁同步電機(jī)的自身運(yùn)行性能的研究，已成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)的速度與位置檢測(cè)通常采用機(jī)械式編碼器，其在運(yùn)行過(guò)程中必然降低系統(tǒng)的可靠性，帶來(lái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)成本增加等問(wèn)題，研究無(wú)速度傳感器轉(zhuǎn)子位置和速度的估計(jì)方法有：高頻信號(hào)注入法、模型參考自適應(yīng)法、卡爾曼濾波估計(jì)法、反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)法，本文針對(duì)永磁同步電機(jī)速度與位置檢測(cè)進(jìn)行研究。

1 概述

模型預(yù)測(cè)控制(model predictive control，MPC)出現(xiàn)于二十世紀(jì)70年代工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，其在處理非線性系統(tǒng)復(fù)雜約束型優(yōu)化問(wèn)題時(shí)展現(xiàn)出強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，在建筑物節(jié)能控制、機(jī)器人控制、飛行器控制等多個(gè)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。

通常，研究無(wú)速度傳感器轉(zhuǎn)子位置和速度的估計(jì)方法為高頻信號(hào)注入法、模型參考自適應(yīng)法、卡爾曼濾波估計(jì)法、反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)法。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)電勵(lì)磁同步電機(jī)的無(wú)速度傳感器方面的研究，逐步深入和完善。運(yùn)用電流和電壓的氣隙磁鏈觀測(cè)結(jié)果之差作為誤差，通過(guò)自適應(yīng)率進(jìn)行調(diào)節(jié)得到轉(zhuǎn)子的位置和速度。運(yùn)用反電動(dòng)勢(shì)法的控制方法，建立虛擬中性點(diǎn)電壓來(lái)提取反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過(guò)軟件鎖相環(huán)獲得準(zhǔn)確的電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速信息。

本文提出了一種基于高頻信號(hào)注入的無(wú)速度傳感器同步電機(jī)速度和位置檢測(cè)方法。該方法在電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)的數(shù)學(xué)模型，在定子側(cè)q軸注入高頻電壓，通過(guò)帶阻濾波器提取轉(zhuǎn)子高頻電流信號(hào)，采用位置鎖相環(huán)對(duì)電機(jī)運(yùn)行位置和轉(zhuǎn)速進(jìn)行跟蹤辨識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確估計(jì)。

2 數(shù)學(xué)模型

忽略磁路飽和與鐵心損耗以及忽略溫度對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響情況下，電勵(lì)磁同步電機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)d、q坐標(biāo)系下電壓方程可以描述為：

磁鏈方程為：

3 辨識(shí)算法

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電勵(lì)磁同步電機(jī)速度的觀測(cè)，本文采用高頻信號(hào)注入的同步電機(jī)無(wú)傳感器位置和速度檢測(cè)方法。其原理圖如圖1所示。

圖1 定子高頻信號(hào)的同步電機(jī)位置及速度檢測(cè)電路原理

在高頻電壓信號(hào)注入時(shí)，要求系統(tǒng)能有效提取在定子電壓上的高頻注入信號(hào)。由于同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，由式（4）可以看出，分別從定子繞組dq軸和轉(zhuǎn)子繞組注入高頻電壓信號(hào)。本文采用定子q軸注入定頻為300 Hz高頻電壓的方法，其轉(zhuǎn)子電流頻譜圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子電流頻譜

通過(guò)頻譜圖2分析可以看出，電機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下，當(dāng)轉(zhuǎn)子的位置角定向正確時(shí)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流中不存在高頻電流信號(hào)。即從而可有效辨識(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置信息。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置存在估計(jì)誤差時(shí)，轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流會(huì)出現(xiàn)脈動(dòng)，則

由上述分析可知，轉(zhuǎn)子電流中直流分量和脈振分量所占比重小且諧波分布比較單一，對(duì)高頻信號(hào)提取的影響較小。設(shè)估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)角為，實(shí)際的轉(zhuǎn)子位置角為，則轉(zhuǎn)子誤差角為其數(shù)量關(guān)系如圖3所示。

圖3 同步電機(jī)空間矢量

選取注入定子q軸的電壓信號(hào)幅值為：

式中：

對(duì)轉(zhuǎn)子高頻信號(hào)通過(guò)位置鎖相環(huán)進(jìn)行鎖相處理，可得到轉(zhuǎn)速信息和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置鎖相環(huán)算法結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 轉(zhuǎn)子位置鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)

圖5 同步電機(jī)無(wú)傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 仿真分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文算法的正確性，搭建PWM功率變換器的電勵(lì)磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)在MATLAB的simulink中搭建仿真模型，經(jīng)反復(fù)調(diào)試達(dá)到理想結(jié)果。所使用電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

表1 電勵(lì)磁同步電機(jī)調(diào)試參數(shù)

從圖6中可以得出轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值和實(shí)際值之間誤差較小，跟蹤精度高。

圖6 轉(zhuǎn)子位置實(shí)測(cè)值與估計(jì)值對(duì)比

圖7 為實(shí)測(cè)值與估計(jì)值對(duì)比圖，可見(jiàn)本文方法檢測(cè)到的電機(jī)速度準(zhǔn)確，加減載的過(guò)程中轉(zhuǎn)速跟蹤效果平穩(wěn)。

圖7 轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)值與估計(jì)值對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的一種基于高頻信號(hào)注入的同步電機(jī)無(wú)傳感器位置和速度檢測(cè)方法，該方法運(yùn)用結(jié)合同步電機(jī)自身固有參數(shù)，在定子側(cè)注入高頻電壓，提取轉(zhuǎn)子高頻電流信號(hào)，通過(guò)位置鎖相環(huán)對(duì)電機(jī)運(yùn)行位置和轉(zhuǎn)速進(jìn)行在線辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置和轉(zhuǎn)速地準(zhǔn)確估計(jì)，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。仿真結(jié)果驗(yàn)證該控制方法具有較好的檢測(cè)性能。

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Research on Sensorless Control Method of Electric Excitation Synchronous Motor

Liang Fengqiang1, Sun Shunxin2, Zhao Jun3, Zhao Tongjian2, Zhu Jun3
( 1. State Grid Linyi Power Supply Company, Linyi 276000, Shandong;2. Tianyuan Construction Group Co., Ltd, Linyi 276000, Shandong;3. Linyi City Hengyuan Thermal Power Group Co., Ltd, Linyi 276000, Shandong )

In view of the existing problems of synchronous motor system with conventional mechanical sensor, a rotor position estimation method without mechanical sensor was suggested in this paper based on high frequency signals injecting into the synchronous motor. Based on the principle of the rotating transformer and the magnetic circuit structure of the synchronous motor, the mathematical model of the rotor position observation was established.The high frequency voltage was injected into q axis of the stator, and the high frequency current signalof rotor is extracted. The rotor position and speed information was identified online by using the position phase locked loop which estimated the speed and position information accurately.The proposed results was proved to have high detection accuracy.

Synchronous motor; High frequency injection; Sensorless control; Rotor position detection

TM 341

A

1674-2796（2017）06-0009-04

2017-08-10

梁鳳強(qiáng)（1990—），碩士研究生，助理工程師，主要從事電力電子技術(shù)、電機(jī)控制與優(yōu)化研究。