一種無位置傳感器PMSM快速平滑起動(dòng)方法

殷理杰，張義兵

(湘潭大學(xué)，湘潭 411105)

0 引 言

永磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMSM)因?yàn)槠潴w積小、質(zhì)量輕、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)及家用電器中得到越來越廣泛應(yīng)用。為了能夠充分發(fā)揮PMSM的優(yōu)越性，通常會(huì)采用磁場(chǎng)定向控制算法，該算法中的坐標(biāo)變換需要轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置信息。安裝位置傳感器一方面會(huì)增加PMSM使用成本；另一方面，由于位置傳感器對(duì)工作環(huán)境有嚴(yán)格的要求，安裝后會(huì)降低PMSM對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。因此，對(duì)PMSM的無位置傳感器控制方法的研究一直是電機(jī)控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1，2]。

現(xiàn)階段已有的無速度傳感器矢量控制算法主要分兩種：一種是利用電機(jī)運(yùn)行過程中的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行估計(jì)；另一種是利用轉(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)。兩種方法中，前者主要應(yīng)用于電機(jī)中高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)速低時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)太小，不能用來估計(jì)轉(zhuǎn)子位置；后者則適合于低速甚至是零速時(shí)的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)，但是受電機(jī)結(jié)構(gòu)的限制。

文獻(xiàn)[3]中，電機(jī)起動(dòng)階段使用I-f半閉環(huán)控制，中高速全閉環(huán)的控制方式，使用電流變斜率變化的狀態(tài)切換策略，能夠滿足速度平滑切換的需求。但如何選擇合適的斜率是該策略的難點(diǎn)。

本文研究一種過渡狀態(tài)中電流調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)子角度平滑切換相結(jié)合的方法，能夠縮短切換過程時(shí)間，降低參數(shù)選擇難度，提高對(duì)不同電機(jī)及不同負(fù)載的適應(yīng)能力。

1 基于SMO的PMSM模型

在α，β坐標(biāo)系下，PMSM的數(shù)學(xué)模型可以描述：

eα=-keωrsinθ；eβ=keωrcosθ(2)

式中：eα,eβ表示α，β軸的反電動(dòng)勢(shì);ke為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù);ωr為電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;θ為轉(zhuǎn)子位置角度；iα，iβ，uα，uβ分別表示α，β軸的電流和電壓。

由式(2)可知，反電動(dòng)勢(shì)是與轉(zhuǎn)速成正比且包含轉(zhuǎn)子位置信息的正弦信號(hào)。如果得知定子的反電動(dòng)勢(shì)信息，就能夠從中提取出轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)位置θ和轉(zhuǎn)速ωr。

根據(jù)式(1)和滑模變結(jié)構(gòu)理論，則可以構(gòu)造如下SMO：

式中：k為滑模系數(shù)；sgn(x)為符號(hào)函數(shù)，x>0時(shí)，sgn(x)=1；x<0時(shí)，sgn(x)=-1；x=0時(shí)，sgn(x)=0。

2 雙過渡狀態(tài)起動(dòng)控制策略

2.1 初始狀態(tài)控制過程

電機(jī)起動(dòng)初始階段，先給定子繞組足夠大的電壓矢量，從而確保轉(zhuǎn)子位置已知。初始位置確定后，則可以進(jìn)行I-f控制起動(dòng)。圖1中d*,q*坐標(biāo)系為其起動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸[4]，d,q坐標(biāo)軸為轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸。根據(jù)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式，則有：

圖1 起動(dòng)階段坐標(biāo)軸

2.2 雙過渡狀態(tài)控制過程

2.3 全閉環(huán)控制

圖2為系統(tǒng)框圖，開關(guān)1為I/f半閉環(huán)控制、開關(guān)2為全閉環(huán)控制。全閉環(huán)控制狀態(tài)時(shí)，速度環(huán)節(jié)中以估測(cè)的轉(zhuǎn)速作為負(fù)反饋信號(hào)，與設(shè)定轉(zhuǎn)速的誤差作為PI調(diào)節(jié)的輸入。電流環(huán)節(jié)采用id=0的控制方式，實(shí)現(xiàn)電流向量與磁場(chǎng)向量的完全解耦，簡(jiǎn)化控制過程。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

硬件方案設(shè)計(jì)上，選用TI公司TMS320F28335為處理器；霍爾電流傳感器選用Allegro公司最大量程-5～+5A的ACS712；智能功率模塊(IPM)為FairChild公司最大電流10A的FSBF10CH60B；隔離器件選用ADI公司使iCoupler技術(shù)的ADuM1400系列隔離器件，易用性和穩(wěn)定性都較普通光隔離器件有明顯優(yōu)勢(shì)。圖3為系統(tǒng)硬件框圖。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

3.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要包括主程序、ePWM定時(shí)器中斷服務(wù)程序(以下簡(jiǎn)稱ISR)、ADC轉(zhuǎn)換完成中斷ISR、SMO程序、外部中斷ISR等。主程序主要實(shí)現(xiàn)DSP初始化、外圍器件初始化及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、中斷向量表配置等。由于系統(tǒng)功能的性質(zhì)，需要使用到多個(gè)ePWM功能單元，其中1個(gè)ePWM配置成普通定時(shí)器功能，該模塊的ISR主要處理系統(tǒng)處于過渡狀態(tài)的控制。另外需要3個(gè)ePWM單元配置成10kHzPWM輸出，并且根據(jù)IPM的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，添加5μs的死區(qū)時(shí)間。該組ePWM模塊的事件管理功能還需要輸出片上ADC起動(dòng)觸發(fā)信號(hào)。

SMO程序和矢量控制程序?qū)⒃贏DC轉(zhuǎn)換完成中斷ISR中執(zhí)行。外部中斷ISR用來響應(yīng)IPM的過壓過流等錯(cuò)誤報(bào)警。配置完成后，主函數(shù)即可以進(jìn)入等待中斷狀態(tài)。

ePWM定時(shí)器將在電機(jī)進(jìn)入全閉環(huán)控制之前對(duì)電機(jī)實(shí)施控制，因此，定時(shí)器服務(wù)函數(shù)是整個(gè)軟件系統(tǒng)中，最為關(guān)鍵的部分。圖4為ePWM定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)的流程圖。

進(jìn)入全閉環(huán)控制后，ePWM定時(shí)器中斷關(guān)閉，控制過程由ADC轉(zhuǎn)換完成中斷函數(shù)完成。ADC定時(shí)器開始轉(zhuǎn)換觸發(fā)條件，繼續(xù)由ePWM提供。

(a) I-f起動(dòng)過程流程圖

(b) 過渡狀態(tài)的I-f控制圖4 ePWM定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)電機(jī)為極對(duì)數(shù)為2，額定功率1kW，額定轉(zhuǎn)速3 000r/min的表貼式PMSM，電機(jī)實(shí)際安裝有絕對(duì)值編碼器，編碼器檢測(cè)的實(shí)際位置信息作為對(duì)照參考。對(duì)于不易于直接使用示波器測(cè)量的波形，采取DSP采樣并存儲(chǔ)到片上RAM中，采樣過程結(jié)束后，通過串口發(fā)送至PC，使用MATLAB繪圖的方式。整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

電機(jī)工作過程中，示波器測(cè)量線電壓波形如圖6所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)照片

圖6 線電壓波形

實(shí)驗(yàn)過程中，先使用上述策略起動(dòng)電機(jī)，進(jìn)入全閉環(huán)控制后，在1.8s時(shí)刻將設(shè)定轉(zhuǎn)速提高到 2 000r/min。全過程速度及三相電流波形如圖7所示。

該速度波形為記錄編碼器數(shù)據(jù)用MATLAB繪圖得到。整個(gè)速度曲線可以分為4個(gè)階段，第1階段為I/f起動(dòng)階段，在速度曲線上體現(xiàn)為從電機(jī)停止到1 000r/min的加速階段；第2階段為過渡階段，該階段從0.4s持續(xù)到1.55s，該過程的2個(gè)過渡階段確保了轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定；第3階段為進(jìn)入了全閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速維持在1 000r/min的階段；第4階段為設(shè)定轉(zhuǎn)速提高到2 000r/min后，電機(jī)在全閉環(huán)控制下的加速過程。對(duì)比第1階段和第4階段的加速過程，第4階段由于使用全閉環(huán)控制，有更優(yōu)秀的加速性能。電流波形同樣可以看出類似4個(gè)階段，恒定3A的起動(dòng)階段；過渡階段電流緩慢減??；在切換到全閉環(huán)控制時(shí)電流抖動(dòng),以及設(shè)定轉(zhuǎn)速提高的全閉環(huán)加速階段，到最后維持2 000r/min的恒速工作階段。

圖7 轉(zhuǎn)速和電流波形

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，給定轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)子估計(jì)位置的差值，與q軸電流有密切的關(guān)系，因此將2條曲線一起繪制，以方便分析。如圖8所示。

圖8 iq及坐標(biāo)系差值波形

圖8中，iq對(duì)應(yīng)上方曲線，坐標(biāo)系差值對(duì)應(yīng)下方曲線。I/f起動(dòng)階段，q軸電流一直維持在設(shè)定的3A，該過程中，由于I/f控制有一定的自適應(yīng)性，坐標(biāo)軸誤差顯著降低。在第1過渡階段，由于iq持續(xù)減小，只有當(dāng)給定坐標(biāo)系與真實(shí)兩相坐標(biāo)系間的夾角減小，才能保證電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，因此在該階段內(nèi)，坐標(biāo)誤差持續(xù)減小。在第2過渡階段，由于需要切換控制策略，所以引起了電流抖動(dòng)，在此過程后，2個(gè)坐標(biāo)系重合，誤差為0，系統(tǒng)進(jìn)入全閉環(huán)控制狀態(tài)。之后在1.8s處，設(shè)定轉(zhuǎn)速提高至2 000r/min，有iq直接提高到設(shè)定最大電流3A，以追求最大加速度，約在1.85s時(shí)刻，電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，iq回落到約1A，維持2 000r/min運(yùn)轉(zhuǎn)。

對(duì)于帶負(fù)載情況，如圖9所示。當(dāng)電機(jī)的負(fù)載為1N·m時(shí)，電機(jī)依然可以完成起動(dòng)，并且切換過程完成的時(shí)間明顯縮短。維持2 000r/min的轉(zhuǎn)速，需要使用2.6A的電流，已接近限定的最大電流。

圖9 轉(zhuǎn)速及iq波形，1 N·m負(fù)載

5 結(jié) 語

本文研究的雙過渡狀態(tài)無位置傳感器PMSM快速起動(dòng)策略能夠在拖動(dòng)不同負(fù)載的情況下起動(dòng)，并且能夠在減小過渡狀態(tài)時(shí)間的前提下穩(wěn)定地進(jìn)入全閉環(huán)工作狀態(tài)。該策略適合起動(dòng)負(fù)載不確定的情形，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的快速平滑起動(dòng)。