張周 馬繼先
摘 要:船舶推進(jìn)電機(jī)苛刻的工作環(huán)境凸顯出機(jī)械式位置傳感器不耐腐蝕等諸多弊端,因此,無(wú)位置傳感器控制便成了目前永磁同步電機(jī)的研究趨勢(shì)。傳統(tǒng)的無(wú)傳感器控制技術(shù)依賴基波數(shù)學(xué)模型致使其在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)控制失效,為了實(shí)現(xiàn)船舶電機(jī)低速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速估計(jì),針對(duì)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM)采用高頻脈振信號(hào)注入法,并通過(guò)基于位置跟蹤觀測(cè)器的方法獲取轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。利用Matlab對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,驗(yàn)證控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子位置以及轉(zhuǎn)速估算的準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞:IPMSM;脈振高頻注入;無(wú)傳感器控制;低速位置估計(jì)
中圖分類(lèi)號(hào):TM351? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào):1006—7973(2019)05-0078-03
為了獲得穩(wěn)定且靈活的船舶動(dòng)力,主推電機(jī)選用永磁同步電機(jī)能很好地滿足需求。傳統(tǒng)的船舶電機(jī)推進(jìn)裝置裝有位置傳感器,然而機(jī)械式位置傳感器不耐風(fēng)浪侵蝕,影響船舶推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)船舶推進(jìn)可以解決這一問(wèn)題。目前無(wú)傳感器控制技術(shù)的應(yīng)用獲得了諸多成效[1-3],但是普遍依賴電機(jī)定子基波數(shù)學(xué)模型。這類(lèi)方法在電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)或低速運(yùn)行范圍內(nèi)時(shí),難以從定子側(cè)提取有用信號(hào),最終導(dǎo)致位置判別失效[4-6]。R. D. Lorenz提出的高頻信號(hào)注入法是解決該問(wèn)題的一個(gè)有效方法[7]。
本文設(shè)計(jì)了脈振高頻信號(hào)注入下的船舶電機(jī)無(wú)傳感器低速控制系統(tǒng)。建立高頻脈振信號(hào)激勵(lì)下的IPMSM數(shù)學(xué)模型,闡述基于位置跟蹤觀測(cè)器的轉(zhuǎn)子位置估算方法,分析無(wú)傳感器控制系統(tǒng)原理,并通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證低速運(yùn)行狀態(tài)下無(wú)傳感器系統(tǒng)的有效性。
1 高頻脈振電壓激勵(lì)下的IPMSM電流響應(yīng)
圖1? 實(shí)際轉(zhuǎn)子-坐標(biāo)系與估計(jì)轉(zhuǎn)子-坐標(biāo)系間的關(guān)系[1]
(1)坐標(biāo)系中高頻激勵(lì)下三相IPMSM的電壓方程[2]
因?yàn)楦哳l時(shí)定子電阻相對(duì)于電抗小很多,這里忽略不計(jì)。
(2)坐標(biāo)系中三相IPMSM定子電感
經(jīng)過(guò)反Park變換將式(2)轉(zhuǎn)化到兩相靜止坐標(biāo)系中 :
式中:是平均電感,是半差電感。
(3)實(shí)際轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中高頻電壓電流的關(guān)系無(wú)法估算實(shí)際的轉(zhuǎn)子磁極位置,因此通過(guò)式(1)、式(3)以及圖1中得到估計(jì)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中高頻電壓和響應(yīng)電流的關(guān)系:
式中:、以及、是估計(jì)轉(zhuǎn)子-坐標(biāo)系中電壓、電流高頻分量。
(4)為了盡量減小注入高頻電壓后給電機(jī)轉(zhuǎn)矩帶來(lái)的波動(dòng),只在軸注入的脈振高頻注電壓,軸不注入任何信號(hào)
此時(shí)的高頻響應(yīng)電流可以表示為:
式(6)中:是注入電壓的頻率,若,轉(zhuǎn)子估計(jì)誤差角將同時(shí)取決于軸和軸電流分量。其中,當(dāng)時(shí),,可以對(duì)軸電流作濾波提取,將幅值限定在一定范圍。
2 轉(zhuǎn)子位置估算方法
2.1 基于位置跟蹤觀測(cè)器的轉(zhuǎn)子位置估算方法
船用IPMSM實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器位置觀測(cè)需要對(duì)高頻響應(yīng)電流進(jìn)行一系列處理。先將定子側(cè)軸高頻響應(yīng)電流通過(guò)一個(gè)帶通濾波器BPF,去除基波頻率分量以及高次干擾項(xiàng),只提取其中一定幅值范圍的電流信號(hào)。再通過(guò)直線擬合的方式將該該信號(hào)經(jīng)低通濾波器LPF處理,即可獲得位置觀測(cè)器的入口信號(hào),具體處理過(guò)程如下所示:
式中:若令,轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差角也向零趨近。說(shuō)明這樣的調(diào)制方式可使轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值貼近實(shí)際值,達(dá)到估算目的。由上式可以看出,電機(jī)電感大小雖然影響的幅值,但是最終目的不是觀測(cè)幅值而是觀測(cè)。同時(shí)表達(dá)式中也不含轉(zhuǎn)子角速度,因此這種方法既不受電機(jī)參數(shù)影響也不受轉(zhuǎn)子角速度的影響,完全能滿足低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的電機(jī)控制。
2.2 位置跟蹤觀測(cè)器
圖2是依據(jù)外差法模型建立的觀測(cè)器模塊,主要包括PI調(diào)節(jié)器和電機(jī)機(jī)械特性數(shù)學(xué)模型。、和搭建的調(diào)節(jié)器能使入口信號(hào)調(diào)節(jié)至零,不斷調(diào)節(jié)使估計(jì)值更加精確。圖中,是估計(jì)系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩,引入的目的是提高觀測(cè)器模塊的響應(yīng)速度,當(dāng)然特定系統(tǒng)中也可以直接給定。
3 脈振高頻注入的船用IPMSM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
IPMSM控制系統(tǒng)組成。圖3是船用永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,系統(tǒng)由船用IPMSM、逆變驅(qū)動(dòng)模塊、位置估算算法、濾波電路等模塊構(gòu)成。圖4是脈振電壓信號(hào)注入的電機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖。由于高頻響應(yīng)電流中摻雜了基波電流、PWM開(kāi)關(guān)頻率諧波電流等摻雜信號(hào),可以通過(guò)帶通濾波器(BPF)將其濾除,從而提取出包含轉(zhuǎn)子位置信息有用信號(hào)。
4 仿真驗(yàn)證
為了驗(yàn)證船舶電機(jī)無(wú)傳感器控制系統(tǒng)在低速段的控制效果,在前述低速控制模型的基礎(chǔ)上上搭載上螺旋槳負(fù)載,根據(jù)圖4所示的理框圖在Simulink仿真環(huán)境下搭建系統(tǒng)運(yùn)行模型。電機(jī)參數(shù)選取為:額定電壓380V,,,,,,極對(duì)數(shù),給定轉(zhuǎn)速為。電機(jī)系統(tǒng)仿真模型如圖5所示;圖6為電機(jī)轉(zhuǎn)速估算值與實(shí)際值變化曲線,估算曲線與實(shí)際曲線能很好地?cái)M合,能將估計(jì)誤差控制在極小的范圍,電機(jī)啟動(dòng)瞬間出現(xiàn)短時(shí)波動(dòng)并迅速過(guò)渡到穩(wěn)定值,并且持續(xù)穩(wěn)定在給定值;圖7為轉(zhuǎn)速誤差曲線,估計(jì)誤差穩(wěn)定在0值附近,波動(dòng)極小;圖8為轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值與實(shí)際值變化曲線,估算曲線與實(shí)際曲線能很好地?cái)M合,位置波形也有規(guī)律地往返;圖9是轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差曲線。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)基于脈振高頻注入的船舶電機(jī)無(wú)傳感器低速控制研究得出以下結(jié)論:
(1)采用脈振高頻電壓信號(hào)注入法,在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確跟蹤。
(2)基于位置跟蹤觀測(cè)器的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法能使轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值很好地收斂到實(shí)際值,實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)子的位置估計(jì)。
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