注入高頻脈振電壓的永磁同步電機(jī)I/F控制方法

邱建琪 周成林 史涔溦

摘?要：針對傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制運(yùn)用在低速區(qū)時(shí)存在的給定電流不可控、電機(jī)運(yùn)行效率低、易失步的問題，提出一種新型的無位置傳感器I/F控制方法。該方法將改進(jìn)算法的高頻脈振電壓注入法運(yùn)用在傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制中，對采樣得到的三相電流進(jìn)行信號(hào)處理以獲取所需的軸系夾角信息，經(jīng)由PI控制器對給定電流的幅值進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，同時(shí)對給定電流的電角速度進(jìn)行閉環(huán)補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在該方法下表貼式永磁同步電機(jī)可根據(jù)負(fù)載變化對給定電流幅值和電角速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使其運(yùn)行在最大轉(zhuǎn)矩電流比狀態(tài)，且具有漸進(jìn)穩(wěn)定性，提高了電流利用率，增強(qiáng)了電機(jī)抗負(fù)載擾動(dòng)能力。

關(guān)鍵詞：表貼式永磁同步電機(jī);無位置傳感器控制;高頻注入法;I/F控制;最大轉(zhuǎn)矩電流比

中圖分類號(hào)：TM 351

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2019）07-0001-08

Abstract：For the disadvantages of the traditional open loop I/F control method in the low speed region， such as uncontrollable current， inefficiency and prone to lose synchronism， a new I/F control method of sensorless surface permanent magnet synchronous motor （SPMSM） was proposed. The improved pulsating high frequency voltage injection method was adopted in the traditional open loop I/F control method. The sampled threephase current was processed to obtain the shaft angle， which was used as feedback for PI controller. And the amplitude of the given current was closedloop regulated by PI controller. At the same time， the electrical angular velocity of the given current was compensated. Experimental results indicate that SPMSM adjusts the amplitude and the electrical angular velocity of the given current dynamically when the load changes， and it operates in the asymptotic stable maximum torque per Ampere （MTPA） condition. The utilization ratio of current and the ability of motor to resist load disturbance are improved by the new I/F control method.

Keywords：surface permanent magnet synchronous motor （SPMSM）; sensorless control; high frequency injection method; I/F control method; maximum torque per ampere（MTPA）

0?引?言

永磁同步電機(jī)（permanent magnet synchronous motor，PMSM）具有功率密度大、功率因數(shù)高、調(diào)速范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車、大容量艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)等高性能交流傳動(dòng)領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用前景[1-2]。為了實(shí)現(xiàn)高性能的PMSM矢量控制，多采用機(jī)械式位置傳感器獲取實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息，這也帶來了成本過高、安裝困難、可靠性低等缺陷[3]。因此研究低成本、高可靠性的PMSM無位置傳感器控制方法具有重要的意義。

PMSM無位置傳感器控制方法按照其適用的轉(zhuǎn)速范圍不同，可分為低速運(yùn)行控制方法和中高速運(yùn)行控制方法。其中中高速運(yùn)行控制方法是通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)反電動(dòng)勢獲取轉(zhuǎn)子位置信息，主要有模型參考自適應(yīng)法[4]、擴(kuò)展卡爾曼濾波器法[5]、滑模觀測器法[6-7]等。

低速運(yùn)行的控制方法大多是利用電機(jī)的凸極特性獲取轉(zhuǎn)子位置信息，有高頻旋轉(zhuǎn)注入法[8]、高頻脈振注入（pulsating high frequency voltage injection，PHFVI）法[9]、高頻方波注入法[10]等。文獻(xiàn)[8]注入的為雙向高頻旋轉(zhuǎn)信號(hào)，減小了定子電阻的影響，提高了位置估計(jì)準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)[9]將高頻脈振信號(hào)注入到兩相靜止坐標(biāo)系中，提高了估計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但也存在依賴電機(jī)參數(shù)的問題。文獻(xiàn)[10]將注入高頻方波信號(hào)的頻率提高到開關(guān)頻率的一半，去除了傳統(tǒng)方波信號(hào)注入法中濾波器的使用，減少了時(shí)間延遲，但為了高信噪比提高的注入電壓幅值限制了基波控制的電壓利用率。

然而，在低速范圍內(nèi)普遍采用的高頻注入法都需要對反饋電流處理得到位置誤差角信息，再通過轉(zhuǎn)子位置觀測器估算出轉(zhuǎn)子位置角，算法較復(fù)雜。因此，有學(xué)者在低速區(qū)采用了開環(huán)的I/F控制方法，該方法不依賴于電機(jī)參數(shù)，算法簡單，電機(jī)啟動(dòng)過程中無過沖電流。通過將低速區(qū)的I/F控制方法和中高速區(qū)的觀測器類無位置傳感器控制方法進(jìn)行復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了全速度范圍內(nèi)的PMSM無位置傳感器控制[11-13]。但是，文獻(xiàn)[11-12]采用的開環(huán)I/F控制方法中給定電流為固定值，電流不可控，電機(jī)運(yùn)行效率低。文獻(xiàn)[13]則根據(jù)特定電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，離線調(diào)試擬合出電流頻率比曲線，不具有普適性。

為解決上述問題，本文提出了一種適用于表貼式永磁同步電機(jī)（surface permanent magnet synchronous motor，SPMSM）的雙閉環(huán)I/F控制方法。該方法將PHFVI法運(yùn)用在傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制中，利用反饋電流得到位置誤差角信息，通過PI控制器對給定電流幅值進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)對給定電流的電角速度進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)補(bǔ)償。無需轉(zhuǎn)子位置觀測器，改進(jìn)了基本的PHFVI法的算法，可根據(jù)實(shí)際負(fù)載變化的情況動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)給定電流幅值和電角速度，提高了電流利用率和電機(jī)抗負(fù)載擾動(dòng)能力，且能使SPMSM運(yùn)行在最大轉(zhuǎn)矩電流比（MTPA）狀態(tài)。

1?傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制方法

I/F控制方法是一種轉(zhuǎn)速開環(huán)、電流閉環(huán)、給定電流為固定值的控制策略，避免了起動(dòng)階段出現(xiàn)過沖電流。圖1為開環(huán)I/F控制方法框圖。

該方法去除了基本的高頻脈振電壓注入法中的轉(zhuǎn)子位置觀測器，簡化了算法，相較于傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制，拓寬了電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)矩角區(qū)域，提高了電機(jī)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力，同時(shí)也使得電機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行在MTPA狀態(tài)，提高了I/F控制效率。

4?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的基于改進(jìn)PHFVI法的雙閉環(huán)I/F控制方法在低速區(qū)的運(yùn)行效果，搭建了如圖6所示的SPMSM驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對電機(jī)的起動(dòng)階段至穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以及突加突減負(fù)載進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。主控芯片采用的是TI公司的TMS320F28035，開關(guān)頻率為10 kHz。所用電機(jī)為額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min的4對極SPMSM。將SPMSM與一臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)同軸連接，通過永磁同步發(fā)電機(jī)的三相輸出至整流器再連接負(fù)載電阻，釋放出SPMSM產(chǎn)生的能量。改變負(fù)載電阻的阻值，可以調(diào)節(jié)SPMSM的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。以下所有雙閉環(huán)I/F控制方法中注入的高頻脈振電壓的幅值均為20 V，頻率均為1 000 Hz。

本實(shí)驗(yàn)采用2種方式采集所需數(shù)據(jù)：通過泰克TPS2024型示波器記錄三相電流數(shù)據(jù)并處理;通過RAM實(shí)時(shí)存儲(chǔ)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子軸系夾角、虛擬軸系給定電流等數(shù)據(jù)，待電機(jī)停機(jī)后再將數(shù)據(jù)導(dǎo)出處理。

圖7給出了帶載電機(jī)分別在開環(huán)I/F控制和雙閉環(huán)I/F控制方法下由起動(dòng)到轉(zhuǎn)速300 r/min的運(yùn)行過程。由圖可見，電機(jī)轉(zhuǎn)速能跟蹤給定的轉(zhuǎn)速曲線，且波形較為平穩(wěn)。

圖10分別為開環(huán)I/F控制和電角速度未補(bǔ)償?shù)膯伍]環(huán)I/F控制下，于1.5 s突加一倍負(fù)載的電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流波形。在開環(huán)以及只有給定電流幅值閉環(huán)的狀態(tài)下，若突加負(fù)載，電機(jī)將進(jìn)入失步狀態(tài)。由此可見在這2種方法下，電機(jī)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力不強(qiáng)。

5?結(jié)?論

本文提出了一種基于改進(jìn)PHFVI法的雙閉環(huán)I/F控制方法，將算法改進(jìn)了的高頻脈振電壓注入在傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制方法中，可根據(jù)負(fù)載的變化動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)δ軸給定電流幅值和電角速度，使得夾角θerr收斂至0°，即轉(zhuǎn)矩角為90°。和傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制方法對比，提高了電流利用率，加強(qiáng)了抗擾動(dòng)能力，電機(jī)運(yùn)行在最大轉(zhuǎn)矩電流比狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于改進(jìn)PHFVI法的雙閉環(huán)I/F控制優(yōu)于傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]?LARA J， XU J， CHANDRA A. Effects of rotor position error in the performance of fieldorientedcontrolled PMSM drives for electric vehicle traction applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2016， 63（8）： 4738.

[2]?馬偉明. 艦船綜合電力系統(tǒng)中的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)[J]. 電氣工程學(xué)報(bào)， 2015， 10（4）： 3.

MA Weiming. Electromechanical power conversion technologies in vessel integrated power system[J]. ?Journal of Electrical Engineering， 2015， 10（4）： 3.

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

[4]?張洪帥， 王平， 韓邦成. 基于模糊PI模型參考自適應(yīng)的高速永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2014， 34（12）： 1889.

ZHANG Hongshuai， WANG Ping， HAN Bangcheng. Rotor position measurement for highspeed permanent magnet synchronous motors based on fuzzy PI MRAS[J]. Proceedings of the CSEE， 2014， 34（12）： 1889.

[5]?張猛， 肖曦， 李永東. 基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁鏈觀測器[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2007， 27（36）： 36.

ZHANG Meng， XIAO Xi， LI Yongdong. Speed and flux linkage observer for permanent magnet synchronous motor based on EKF[J]. Proceedings of ?the CSEE， 2007， 27（36）： 36.

[6]?魯文其， 胡育文， 杜栩楊，等. 永磁同步電機(jī)新型滑模觀測器無傳感器矢量控制調(diào)速系統(tǒng)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2010， 30（33）： 78.

LU Wenqi， HU Yuwen， DU Xuyang， et al. Sensorless vector control using a novel sliding mode observer for PMSM speed control system[J]. Proceedings of the CSEE， 2010， 30（33）： 78.

[7]?李冉. 永磁同步電機(jī)無位置傳感器運(yùn)行控制技術(shù)研究[D]. 浙江. 浙江大學(xué)， 2012.

[8]?TANG Q P， SHEN A， LUO X， et al. IPMSM sensorless control by injecting bidirectional rotating HF ?carrier signals[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2018， PP（99）： 1.

[9]?李孟秋， 王龍. 一種改進(jìn)的永磁同步電機(jī)低速無位置傳感器控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2018， 33（9）： 1967.

LI Mengqiu， WANG Long. An improved low speed sensorless control strategy for permanent magnet synchronous motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2018， 33（9）： 1967.

[10]?張航， 劉衛(wèi)國， 彭紀(jì)昌，等. 基于方波電壓信號(hào)注入的表貼式永磁同步電機(jī)飽和凸極性響應(yīng)分析及轉(zhuǎn)子位置估計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2017， 32（16）： 106.

ZHANG Han， LIU Weiguo， PENG Jichang， et al. Saturation saliency response analysis and rotor position estimation based on squarewave voltage signal injection for surfacemounted permanent magnet synchronous motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2017， 32（16）： 106.

[11]?王子輝， 葉云岳. 反電勢算法的永磁同步電機(jī)無位置傳感器自啟動(dòng)過程[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2011， 15（10）： 36.

WANG Zihui， YE Yunyue. Research on selfstartup states process of backEMF based sensorless vector control of PMSM[J]. Electric Machines and Control， 2011， 15（10）： 36.

[12]?張耀中， 黃進(jìn)， 康敏. 永磁同步電機(jī)無傳感器控制及其啟動(dòng)策略[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2015， 19（10）： 1.

ZHANG Yaozhong， HUANG Jin， KANG Min. Sensorless control and startup strategy of permanent magnet synchronous motor[J]. Electric Machines and Control， 2015， 19（10）： 1.

[13]?劉計(jì)龍， 肖飛， 麥志勤，等. IF控制結(jié)合滑模觀測器的永磁同步電機(jī)無位置傳感器復(fù)合控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2018， 33（4）： 919.

LIU Jilong， XIAO Fei， MAI Zhiqin， et al. Hybrid positionsensorless control scheme for PMSM based on combination of IF control and sliding mode ?observer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2018， 33（4）： 919.

（編輯：姜其鋒）