基于高頻注入的船用無感永磁推進電機振動控制

宋義超

基于高頻注入的船用無感永磁推進電機振動控制

宋義超

(海裝武漢局 武漢 430064）

針對采用無位置傳感器的船用永磁推進同步電機，分析了逆變器非線性、相電流采樣偏差和高頻脈振信號對電機電磁振動的影響。為削弱位置辨識偏差中的特征諧波分量，本文引入基于內(nèi)嵌凹口濾波器的位置提取算法，降低了電機低頻特征振動，增強了對高頻諧波的抑制效果。最后通過仿真驗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 高頻注入 振動控制 凹口濾波器

0 引言

隨著釹鐵硼稀土永磁體綜合性能的提升和電機控制技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機以其功率密度大、調(diào)速范圍寬、維護方便等優(yōu)點在船用電力推進領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。為實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和扭矩的精準(zhǔn)控制，通常需要在電機旋轉(zhuǎn)部件上安裝霍爾等機械式位置傳感器獲得電機轉(zhuǎn)子位置和速度信息，這些機械式位置傳感器一般需要額外供電。在海洋高濕度、高腐蝕和高鹽霧的自然條件下，采用這些機械部件增加了施工的復(fù)雜性和難度，并且降低了系統(tǒng)可靠性；因此，適用于船用推進永磁同步電機的無機械式位置傳感器控制技術(shù)得到日益廣泛的關(guān)注[1-3]。

船用推進永磁同步電機靜止或低速工況運行時，無法從電機反電動勢、磁鏈等狀態(tài)量中提取出位置信息。此時，利用電機交直軸電感凸極效應(yīng)的高頻注入算法成為低速位置辨識的理想選擇。文獻[4]給出了永磁同步電機高頻數(shù)學(xué)模型，通過分析電機交直軸電感與高頻脈振信號之間的關(guān)系，利用帶通濾波器提取出了交軸電流中的高頻成分，得到了位置辨識偏差信息，進而通過“bang-bang”積分控制器得到轉(zhuǎn)子位置信息。文獻[5]分析了高頻脈振電壓與電機輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，通過采用PI控制器，削弱了位置辨識中的紋波分量，進而降低了輸出轉(zhuǎn)矩的特征分量。文獻[6]對比了不同高頻電壓注入方式和電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對位置辨識結(jié)果的影響，分析發(fā)現(xiàn)，相比無位置傳感器控制技術(shù)，轉(zhuǎn)子永磁體幾何結(jié)構(gòu)對位置辨識的影響更大。文獻[7]建立了一種新型永磁同步電機高頻交直軸模型，該模型考慮了凸極效應(yīng)對電感和電阻的影響，可以得到電機位置辨識算法的理想結(jié)果。文獻[8-9]采用高頻方波電壓作為注入信號，相比正弦電壓信號，提高了位置辨識的動態(tài)特性，缺點是PWM載波頻率需要設(shè)置為高頻注入信號頻率的整數(shù)倍。文獻[10]研究了基于載波信號注入的永磁無刷交流電機位置辨識算法，在考慮模數(shù)采樣量化誤差的基礎(chǔ)上，引入了算法安全操作區(qū)（SSOA）的概念，通過定義電流平面內(nèi)的工作區(qū)域，為高頻注入載波信號的選擇提供了依據(jù)。目前針對高頻信號注入位置辨識算法的研究主要集中在電機凸極結(jié)構(gòu)設(shè)計和如何利用高頻注入信號獲得轉(zhuǎn)子位置信息上，對注入所引起負(fù)面振動噪聲問題的研究很少。

針對船用推進永磁同步電機，本文給出了一種基于高頻脈振交流電壓信號注入的位置辨識算法，分析了逆變器非線性、相電流采樣偏差和高頻脈振電流對電機電磁振動的影響。采用基于內(nèi)嵌凹口濾波器的位置提取算法減小了位置辨識偏差中的特征頻率交流分量，降低了電機特征頻次的振動，增強了對高頻諧波的抑制效果。最后通過仿真驗證了本文理論分析的正確性和所提策略的有效性。

1 基于高頻脈振電壓信號注入的轉(zhuǎn)子位置辨識算法

忽略電機定子電阻、反電動勢和交直軸交叉耦合項的影響，由于高頻注入信號的頻率遠高于電機旋轉(zhuǎn)電頻率，可得PMSM在高頻激勵下的理想模型為：

根據(jù)圖1，可得辨識坐標(biāo)系下高頻脈振電流的表達式：

2 位置辨識算法振動影響分析

2.1 電流非理想采樣振動影響分析

推導(dǎo)可得：

經(jīng)過低通濾波可得：

圖2 基于高頻注入的電機轉(zhuǎn)子位置辨識方框圖

2.2 逆變器非理想開關(guān)振動影響分析

高頻脈振電壓需要通過變頻器注入到電機繞組兩端，但是由于功率管非理想開斷和導(dǎo)通壓降等因素，電機繞組兩端真實電壓與給定值存在偏差。忽略零電流鉗位效應(yīng)的影響，根據(jù)沖量守恒定律，功率管平均誤差電壓可以表示為：

3 基于凹口濾波器的特征頻次振動控制

本文提出的凹口濾波器傳遞函數(shù)為

式中：為電機基頻電頻率，1為二階微分環(huán)節(jié)阻尼系數(shù)，2為二階振蕩環(huán)節(jié)阻尼系數(shù)，為需要抑制的特征頻次諧波。

4 仿真和分析

對辨識轉(zhuǎn)速進行頻譜分析，受死區(qū)等因素的影響，電機轉(zhuǎn)速6倍頻波動最大，設(shè)置凹口濾波器特征頻次諧波=6，1=0.1

圖4為給定電角速度啟動時，電機轉(zhuǎn)速辨識值和實際值的波形圖，從中可知，基于高頻注入的位置辨識算法性能良好。

圖5到圖6為電機轉(zhuǎn)子位置和速度辨識波形圖。圖5為電機機轉(zhuǎn)子角速度的辨識值和實際值；圖6為電機轉(zhuǎn)子角速度辨識偏差值，轉(zhuǎn)速辨識偏差最大值由控制前的5 rad/s降至1 rad/s，降低了90%，驗證了本文凹口濾波器的有效性。

圖7為電機轉(zhuǎn)子位置辨識值和實際值。從中可知，使能凹口濾波器不會增加位置辨識偏差。

5 結(jié)論

圖3 所示為不同參數(shù)變化時凹口濾波器的伯德圖

圖5 電機轉(zhuǎn)子角速度辨識波形圖

圖6 電機轉(zhuǎn)子角速度辨識偏差波形圖

圖7 電機轉(zhuǎn)子位置辨識偏差波形圖

本文在傳統(tǒng)基于高頻脈振交流電壓信號注入的位置辨識算法的基礎(chǔ)上，分析了逆變器非線性、電流采樣偏差和高頻注入信號對電機振動的影響，進而根據(jù)凹口濾波器和Markov鏈隨機算法提出了針對電機不同頻次振動進行抑制的算法，最后進行了仿真驗證。本文結(jié)果表明：

a）開關(guān)管死區(qū)效應(yīng)和導(dǎo)通壓降使得電機繞組電壓實際值和給定值之間出現(xiàn)偏差，電機表現(xiàn)出6k次振動分量；

b）電流采樣調(diào)理偏差使得位置辨識偏差出現(xiàn)直流和交流分量，降低系統(tǒng)功率因素，增加了電機二次特征電頻率振動；

c）基于內(nèi)嵌凹口濾波器的位置提取算法可以削弱位置辨識算法對電機特征頻次振動的影響。

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Study on Vibration Reduction of Marine Permanent Magnet Propulsion Motor without Position Sensor

Song Yichao

(Wuhan Military Representatives Bureau of Navy Equipment Department, Wuhan 430064, China)

TM351

A

1003-4862（2019）12-0001-05

2019-09-12

宋義超（1973-），男，高級工程師。研究方向：電力電子。E-mail: songyao100@163.com