基于高頻注入的永磁同步電動機直軸正方向判定

薛迎春

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，蘇州 215104)

基于高頻注入的永磁同步電動機直軸正方向判定

薛迎春

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，蘇州 215104)

摘 要：針對永磁同步電動機脈振高頻注入法估計直軸正方向判定存在180°電角度誤差的問題，提出一種基于脈振高頻注入的電機估計直軸正方向判定與補償方法。在初次得出直軸位置估計的基礎(chǔ)上，考慮4個導致位置估計失敗的轉(zhuǎn)子初始位置角，通過改變它的初始位置估計給定，維持系統(tǒng)正常運行。利用不同磁極下(N極和S極)去磁和增磁效應(yīng)導致的定子直軸等效電路時間常數(shù)不同的特點，判定實際直軸正方向，對初始位置估計角進行有效電角度補償。實驗結(jié)果驗證了該估計直軸正方向判定方法的有效性。

關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；脈振高頻注入；估計直軸正方向；位置補償

XUEYing-chun

0 引 言

永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)控制大多采用位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置信息，考慮到減小控制裝置大小、降低成本，以及系統(tǒng)的后期維護和可靠性問題，需摒棄傳統(tǒng)位置傳感器，實現(xiàn)PMSM無位置傳感器控制。目前，PMSM無位置傳感器中高速段基本可以較好地運行，但在起動和低速段由于反電勢過小，無法通過其精確估計轉(zhuǎn)子位置，導致PMSM在起動以及低速段控制性能明顯不如中高速段。如何提高起動以及低速段轉(zhuǎn)子位置估計精度已成為PMSM無位置傳感器控制的共性問題。

近年來研究人員提出多種位置估計方法：R. Akimatsu等人提出一個穩(wěn)定控制系統(tǒng)的逆變器模型和諧波電流模型的PMSM無位置傳感器控制系統(tǒng)，所提出的無傳感器控制系統(tǒng)擴大了高速驅(qū)動區(qū)域[1]；文獻[2-3]基于轉(zhuǎn)子凸極跟蹤，采用高頻脈動載波信號注入法，加快轉(zhuǎn)子初始位置檢測速度；H. Lee給出一種迭代滑模觀測器用于加強PMSM無傳感器控制的變參數(shù)魯棒性，速度和轉(zhuǎn)子位置估計比傳統(tǒng)的自適應(yīng)算法更快[4]；文獻[5]提出一種在整個速度范圍內(nèi)具有2個自由度的電流控制方案，獲得高品質(zhì)的位置誤差信號跟蹤控制；文獻[6]提出一種頻率自適應(yīng)干擾觀測器，以消除定子磁鏈的估計干擾，從而提高轉(zhuǎn)子角估計的準確性；文獻[7-8]將傳統(tǒng)常值切換滑模算法應(yīng)用于反電勢觀測器中，轉(zhuǎn)子位置以及轉(zhuǎn)速估計能夠很好地跟隨實際值，對控制對象的參數(shù)擾動具有較強的自適應(yīng)能力。對于高頻注入法，文獻[9]基于測試矢量勵磁及電流幅值比較實現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置檢測，文獻[10]在此基礎(chǔ)上對其進行了改進，檢測誤差有所減?。晃墨I[11]通過向電機α-β軸注入高頻電壓后，從電流響應(yīng)中提取出轉(zhuǎn)子位置信息。除此之外，高宏偉等人研究一種基于載波頻率成分法的無位置傳感器控制策略用來檢測轉(zhuǎn)子初始位置[12]，于艷君等對其進行了相應(yīng)的誤差分析[13]，提高檢測位置的精確度。

本文針對PMSM起動以及低速段脈振高頻電壓注入法估計直軸正方向判定存在180°電角度誤差的問題，提出一種基于脈振高頻電壓注入的估計直軸正方向判定與補償新方法。利用不同磁極下(N極和S極)的去磁和增磁效應(yīng)影響導致的定子直軸等效電路時間常數(shù)不同的特點，判定實際直軸正方向。實驗結(jié)果驗證了本文方法的有效性和實用性。

1 直軸位置初次估計原理

表貼式PMSM兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓方程：

(1)

式中：Zd,Zq分別為d,q軸的阻抗。

圖1 永磁同步電動機各坐標系關(guān)系圖

根據(jù)圖1可得估計兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的電流響應(yīng)：

(3)

(4)

(5)

(6)

圖2 直軸位置初次估計系統(tǒng)控制框圖

sin(2Δθ)sin(ωht)=

LPF[sin(ωht-φd-φq)sin(ωht)〗=

ksin(2Δθ)

(7)

2 直軸位置初次估計收斂性分析

根據(jù)式(7)，使得f(Δθ)=0成立的條件不僅僅只有Δθ=0，當Δθ=π/2，Δθ=π，Δθ=-π/2時同樣成立。因此需對實際不同直軸位置的初次位置估計值收斂情況進行分析。

綜上所述，直軸位置估計初始值給定為零時的直軸位置初次估計收斂特性表如表1所示。

表1 直軸位置初次估計收斂特性

由表1可知，當實際電機轉(zhuǎn)子位置處于0,π/2,π,-π/2這4個特殊位置角度時，估計系統(tǒng)初次位置估計均為零，系統(tǒng)運行失效。因此，針對此問題對該系統(tǒng)進行如下改進，具體步驟如下：

2) 改變直軸位置估計初始值為a(a為常數(shù)且不等于特殊位置值)，使得sin(2Δθ)≠0，從而f(Δθ)不恒為零；

3 估計直軸正方向判定與補償

為解決上述初次直軸位置估計存在180°電角度差的問題，提出一種直軸正方向判定新方法。利用不同磁極下(N極和S極)的去磁和增磁效應(yīng)影響導致的定子直軸等效電路時間常數(shù)不同的特點，判定實際直軸正方向。

圖3 直軸位置最終估計系統(tǒng)控制框圖

圖4 直軸位置最終估計實施流程圖

4 實驗驗證

在PMSM實驗平臺上，對本文提出的判定方法進行了實驗驗證，實驗電機參數(shù)如表2所示。

表2 實驗電機參數(shù)

(a) θ=1 rad

(b) θ=-1 rad

(c) θ=2 rad

(d) θ=-2 rad

(a) θ=0

(b) θ=π/2

(c) θ=π

(d) θ=-π/2

由圖5、圖6可知，對于不同區(qū)間的4個位置以及4個特殊位置，本文方法均能準確判定出實際直軸正方向，及時對其作出相應(yīng)的角度補償。

5 結(jié) 語

針對基于脈振高頻電壓注入的PMSM直軸位置估計存在180°電角度誤差的問題，提出一種估計直軸正方向判定與補償?shù)姆椒?。利用不同磁極下

(N極和S極)去磁和增磁效應(yīng)影響導致定子直軸等效電路時間常數(shù)不同的特點，判定實際直軸正方向。此方法參數(shù)整定方便，有利于脈振高頻電壓注入法轉(zhuǎn)子位置估計系統(tǒng)的優(yōu)化，提高PMSM轉(zhuǎn)子位置估計的精度。對此方法進行理論研究和相應(yīng)的實驗分析，實驗結(jié)果驗證了本文方法的有效性和實用性，在實際工程中有著廣闊的應(yīng)用前景。

[1] AKIMATSU R,DOKI S.PMSM position sensorless control in the inverter overmodulation range[C]//Power Electronics and Applications (EPE),2013 15th European Conference,2013:1-8.

[2] LUO X,TANG Q,SHEN A,et al.PMSM sensorless control by injecting HF pulsating carrier signal into estimated fixed-frequency rotating reference frame[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2016,63(4):2294-2303.

[3] XU P L,ZHU Z Q.Novel carrier signal injection method using zero-sequence voltage for sensorless control of PMSM drives[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2016,63(4):2053-2016.

[4] LEE H,LEE J.Design of iterative sliding mode observer for sensorless PMSM control[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2013,21(4):1394-1399.

[5] SEILMEIER M,PIEPENBREIER B.Sensorless control of PMSM for the whole speed range using two-degree-of-freedom current control and HF test current injection for low-speed range[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(8):4394-4403.

[6] PARK Y,SUL S K.Sensorless control method for PMSM based on frequency-adaptive disturbance observer[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,2014,2(2):143-151.

[7] 吳春華,陳國呈,孫承波.基于滑模觀測器的無傳感器永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)[J].電工電能新技術(shù),2012,25(2):1-3.

[8] 魏海峰,張懿,楊康,等.電動汽車空調(diào)無位置傳感器控制的實驗研究[J].汽車工程,2016,38(1):116-121.

[9] NAKASHIMA S,INAGAJI Y,MIKI I.Sensorless initial rotor position estimation of surface permanent-magnet synchronous motor[J].IEEE Transaction on Industry Applications,2010,36(6):1598-1603．

[10] 韋鯤,金辛海.表面式永磁同步電機初始轉(zhuǎn)子位置估計技術(shù)[J].中國電機工程學報,2012,26(22):104-109.

[11] 萬山明,吳芳,黃聲華.基于高頻電壓信號注入的永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置估計[J].中國電機工程學報,2008,28(33):82-86.

[12] 賈洪平,賀益康.基于高頻注入法的永磁同步電動機轉(zhuǎn)子初始位置檢測研究[J].中國電機工程學報,2007,27(15):15-20.

[13] 高宏偉,于艷君,柴鳳,等.基于載波頻率成分法的內(nèi)置式永磁同步電機無位置傳感器控制[J].中國電機工程學報,2010,30(18):91-96.

[14] 于艷君,王本振,朱春波,等.載波頻率成分法估算IPMSM轉(zhuǎn)子位置的誤差分析[J].電工技術(shù)學報,2010,25(12):61-66.

DirectAxisPositiveDirectionDeterminationofPermanentMagnetSynchronousMotorBasedonHighFrequencyInjection

(Suzhou Institute of Industrial Technology, Suzhou 215104, China)

Abstract:Since estimated direct axis positive direction of permanent magnet synchronous motor based on fluctuating high frequency injection method exists 180° electric angle error, a method to determine the positive direction and compensate based on fluctuating high frequency injection was proposed. On the basis of getting the first estimated position, four initial position angles that cause the position estimate to fail were considered, and the initial position estimate given were changed to maintain the system to run normally. The equivalent circuit time constant of the stator direct axis were different with demagnetization and magnetization effects of different magnetic poles (N and S poles), then the positive direction of actual direct axis was determined, and the effective electrical angle compensation was made for the initial position estimation. Experimental results verified the validity of the proposed method to determine the positive direction of estimated direct axis.

Key words：permanent magnet synchronous motor; fluctuating high frequency injection; positive direction of estimated direct axis; position compensation

中圖分類號：TM341;TM351

A

1004-7018(2018)05-0062-04

2017-01-16