基于滑模觀測器的船用永磁推進(jìn)電機(jī)位置辨識研究

何忠祥，黎 曙，李成陽，賈志強(qiáng)

基于滑模觀測器的船用永磁推進(jìn)電機(jī)位置辨識研究

何忠祥，黎 曙，李成陽，賈志強(qiáng)

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

針對傳統(tǒng)滑模觀測器永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置辨識存在特征頻次交流擾動的問題，分析了開關(guān)管死區(qū)效應(yīng)、導(dǎo)通壓降和電流采樣調(diào)理精度等非理想逆變對辨識反電動勢和轉(zhuǎn)子位置的影響，提出了一種基于內(nèi)嵌陷波器的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系鎖相環(huán)技術(shù)，抑制了辨識反電動勢中特征頻次擾動信號對轉(zhuǎn)子位置辨識值的影響，并給出了新型鎖相環(huán)參數(shù)選擇確定的原則和依據(jù)。仿真結(jié)果表明該算法可以有效削弱逆變非理想特性對轉(zhuǎn)子位置辨識結(jié)果的影響，驗(yàn)證了本文理論分析的正確性和所提策略的有效性。

永磁同步電機(jī) 無位置傳感器 滑模觀測器 非理想逆變 陷波器

0 引言

隨著稀土永磁材料剩磁性能的提高和自動控制技術(shù)的發(fā)展，永磁推進(jìn)電機(jī)以其功率因數(shù)高、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)在船用電力推進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。為滿足高性能控制的要求，無論采用矢量控制還是直接轉(zhuǎn)矩控制都需要得到轉(zhuǎn)子位置信息。在船舶高濕度、高振動、高鹽霧的惡劣條件下，采用機(jī)械式位置傳感器會降低推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性，增加系統(tǒng)成本；因此，適用于永磁同步電機(jī)的無機(jī)械式位置傳感器控制技術(shù)得到日益廣泛的關(guān)注[1]。

根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和反電動勢、定子磁鏈等電磁狀態(tài)量之間的關(guān)系，眾多學(xué)者提出了一系列的位置辨識策略。電機(jī)中高速工況運(yùn)行時，基于滑模狀態(tài)觀測器的位置辨識策略以其動靜態(tài)特性好、抗參數(shù)攝動能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用廣泛。根據(jù)永磁同步電機(jī)靜止兩相坐標(biāo)系下基頻數(shù)學(xué)模型，文獻(xiàn)[2]-[3]以電流為觀測量，構(gòu)建了二階滑模觀測器模型，文獻(xiàn)[4]-[5]通過引入有效磁鏈和有效反電動勢，以電流和反電動勢為觀測量，建立了四階混合滑模觀測器模型；無論采用哪種滑模觀測器模型，最終都是利用反正切函數(shù)或者鎖相環(huán)從辨識反電動勢中提取出位置信息。雖然滑模觀測器有較好的魯棒特性，但位置辨識效果仍受電機(jī)參數(shù)偏差、死區(qū)效應(yīng)和相電流諧波分量等因素的影響，目前針對滑模變結(jié)構(gòu)位置辨識策略的研究主要集中在滑動模態(tài)高頻抖振信號的抑制和轉(zhuǎn)子位置信息的提取上，鮮有涉及位置辨識偏差的研究分析。

針對本文研究對象船用永磁同步電機(jī)，利用飽和函數(shù)和鎖相環(huán)技術(shù)，本文給出了一種二階滑模觀測器位置辨識算法。詳細(xì)分析了逆變開關(guān)管死區(qū)效應(yīng)、開關(guān)管導(dǎo)通壓降和電機(jī)相電流非理想采樣對辨識反電動勢和位置辨識偏差的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了基于內(nèi)嵌陷波器的新型鎖相環(huán)算法，給出了該算法參數(shù)選擇確定的依據(jù)；該算法消除了位置辨識偏差中的特征諧波分量，并且增強(qiáng)了對滑動模態(tài)高頻抖振信號的抑制。最后通過仿真驗(yàn)證了本文理論分析的正確性和所提策略的有效性。

1 滑模變結(jié)構(gòu)位置辨識模型

靜止兩相坐標(biāo)系下，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈可以用下式所示：

可以建立二階滑模變結(jié)構(gòu)狀態(tài)觀測器：

為抑制滑模觀測中的高頻抖振信號和降低鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)的難度，本文采用基于內(nèi)嵌低通濾波器的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系鎖相環(huán)技術(shù)獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置信息，如圖1所示。

圖1 新型位置提取單元原理框圖

2 非理想特性對位置辨識影響

1) 電壓偏差影響分析

忽略零電流鉗位效應(yīng)影響，根據(jù)沖量守恒定律，逆變開關(guān)管平均誤差電壓表示為：

滑模觀測器輸出穩(wěn)定時，可得：

其中:

2）電流偏差影響分析

3 內(nèi)嵌陷波器的鎖相環(huán)算法

為抑制轉(zhuǎn)速辨識和位置辨識偏差中的諧波分量，本文采用一種新型陷波器替代圖1中的低通濾波器(LPF)，該陷波器在保證對滑動模態(tài)高頻“抖動”信號抑制的前提下，還能消除位置辨識偏差中特征頻次的低頻諧波分量。

本文提出的內(nèi)嵌陷波器傳遞函數(shù)為:

品質(zhì)因數(shù)越大，陷波器窄帶濾波效果越好，性能越佳；但對頻率變化的敏感性也越強(qiáng)，因此，品質(zhì)因數(shù)的確定需要根據(jù)電機(jī)頻率波動范圍和窄帶濾波效果綜合考慮，本文選擇=0.707。

影響位置辨識偏差的通常是低階特征頻率分量，通過對轉(zhuǎn)速辨識值進(jìn)行頻譜分析獲得需要抑制的諧波成分。本文提出的基于內(nèi)嵌陷波器的新型鎖相環(huán)和傳統(tǒng)鎖相環(huán)幅頻響應(yīng)特性如圖2所示。

對比傳統(tǒng)鎖相環(huán)算法，新型鎖相環(huán)算法在對低頻輸入信號保持高增益的前提下，對高頻噪聲信號有更強(qiáng)的抑制作用，并且能夠吸收輸入信號中特定頻率擾動分量；需要強(qiáng)調(diào)的是，內(nèi)嵌陷波器惡化了高頻分量相位滯后的情況，降低了響應(yīng)速度，減小了穩(wěn)態(tài)裕度，設(shè)計(jì)時需要特別注意。

圖2 鎖相環(huán)波特圖對比

4 仿真和分析

為驗(yàn)證本文理論分析的正確性和所提策略的有效性，運(yùn)用Matlab/Simulink建立了船用永磁同步電機(jī)位置辨識模型。該電機(jī)額定電壓為400 V，額定電流為430 A，額定轉(zhuǎn)速為120 r/min，極對數(shù)為20，定子電阻為0.011Ω，交直軸電感為2.3 mH。驗(yàn)證時設(shè)置開關(guān)管死區(qū)為2 μs，導(dǎo)通壓降為2 V；為模擬非理想采樣電路，A相電流采樣比例系數(shù)設(shè)為1.02，B相電流采樣比例系數(shù)為0.98。

圖3 辨識有效反電動勢對比圖

圖4 位置辨識效果示意圖圖

圖5 新型鎖相環(huán)位置辨識偏差對比圖

圖6 新型鎖相環(huán)轉(zhuǎn)速辨識偏差對比圖

5 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)基于二階滑模狀態(tài)觀測器和鎖相環(huán)位置辨識算法的基礎(chǔ)上，分析了開關(guān)管死區(qū)效應(yīng)、導(dǎo)通壓降和電流采樣調(diào)理精度等逆變非理想特性對位置辨識結(jié)果的影響，進(jìn)而根據(jù)陷波器原理，構(gòu)造了一種新型同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系鎖相環(huán)算法，最后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本文結(jié)果表明：

1）開關(guān)管死區(qū)效應(yīng)和導(dǎo)通壓降使得電機(jī)繞組電壓實(shí)際值和給定值之間出現(xiàn)偏差，辨識有效反電動勢中含有6+1 次諧波分量，經(jīng)過鎖相環(huán)外差法運(yùn)算后，位置辨識中存在6次諧波分量；

2）電流采樣調(diào)理偏差使得辨識有效反電動勢中含有低次諧波，位置辨識中一般會出現(xiàn)2倍頻諧波分量；

3）基于陷波器的新型鎖相環(huán)技術(shù)可以削弱辨識反電動勢中諧波分量對位置辨識結(jié)果的影響。

[1] Mohammad S Islam, Iqbal Husain, Robert J Veillette, et al. Design ang performance analysis of sliding mode observers for sensorless operation of switched reluctance motors[J]. IEEE Trans. on Control systems technology, 2003, 11(3): 383-389.

[2] H. Zhongxiang, Z. Lei, et al. Rotor position estimation based on modified sliding mode observer for sensorless permanent magnet synchronous motor, 2017 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), Harbin, 2017: 1-6.

[3] 魯文其, 胡育文, 杜栩楊等. 永磁同步電機(jī)新型滑模觀測器無位置傳感器矢量控制調(diào)速系統(tǒng)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2010, 30(33): 78-83.

[4] Gaolin Wang, Zhuomin Li, et al. Quadrature PLL-Based High-Order Sliding Mode Observer for IPMSM Sensorless Control with Online MTPA Control Strategy, IEEE Transactions on Energy Conversion, 2013, 28(1): 214-224..

[5] 蘇健勇, 李鐵才, 楊貴杰. 基于四階混合滑模觀測器的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2009, 29(24): 98-103.

Rotor Position Estimation Based on Sliding Mode Observer for Marine Permanent Magnet Propulsion Motor

He Zhongxiang, Li Zhengguang, Zhu Lei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM351

A

1003-4862（2019）08-0015-05

2019-2-20

何忠祥（1991-），男，工程師。研究方向：電力電子與電力傳動。E-mail：237632488@qq.com