內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)無(wú)傳感增強(qiáng)型直接磁鏈控制

嚴(yán)偉燦，姜 澤，范會(huì)爽

(1.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027；2臥龍電氣驅(qū)動(dòng)集團(tuán)股份有限公司，浙江 紹興 312300)

0 引 言

提高電機(jī)及系統(tǒng)的效率對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義[1-2]。在各類電機(jī)中，永磁同步電機(jī)擁有諸如體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、輸出轉(zhuǎn)矩大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛。而內(nèi)嵌式永磁電機(jī)較感應(yīng)電機(jī)有較高的效率、更小質(zhì)量，同時(shí)有較小的慣量，且可以得到更高的功率、轉(zhuǎn)矩密度，具有良好的弱磁能力，更是廣受關(guān)注[3-5]。

磁場(chǎng)定向控制(FOC)和直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)是常見(jiàn)的電機(jī)控制方法。FOC技術(shù)雖然具有很好的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制精度，但在抗干擾性、減小穩(wěn)態(tài)誤差和提高控制精度方面仍存在不足[6-8]。而DTC技術(shù)具有系統(tǒng)復(fù)雜度低，電機(jī)參數(shù)不敏感，系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，低速性能不理想[9-11]。因此，文獻(xiàn)[12]結(jié)合FOC和DTC提出了一種直接通量矢量控制(DFVC)，具有磁鏈觀測(cè)器觀測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但是同樣存在著對(duì)電機(jī)參數(shù)敏感的問(wèn)題。

本文提出了一種無(wú)傳感器增強(qiáng)型EDFC控制方法，結(jié)合直接轉(zhuǎn)矩控制和磁場(chǎng)定向控制，采用先補(bǔ)償后低通的定子磁鏈觀測(cè)器，使用交叉解耦計(jì)算有效避免了DFVC控制對(duì)電機(jī)參數(shù)敏感的問(wèn)題?；诟倪M(jìn)方法的增強(qiáng)型定子磁鏈觀測(cè)器從根本上解決了傳統(tǒng)定子磁鏈觀測(cè)器定子磁鏈直流漂移問(wèn)題，具有較好的魯棒性；該增強(qiáng)型的定子磁鏈觀測(cè)器具有電壓和電流混合磁模型，高速性能優(yōu)良，低速出力較大，能夠較好的兼顧高低速性能。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制和磁場(chǎng)定向控制

1.1 直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)

直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)的控制框圖如圖1所示，該控制方法根據(jù)定子磁鏈幅值偏差，電磁轉(zhuǎn)矩偏差，以及當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢?，直接選取合適的電壓空間矢量，以實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制[13]。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)框圖

盡管直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但是它也有許多不足之處。①由于bang-bang控制器輸出的開(kāi)關(guān)頻率的不確定性，帶來(lái)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)和電機(jī)噪音；②由于bang-bang控制器沒(méi)有電流內(nèi)環(huán)，使得系統(tǒng)電流保護(hù)和電流飽和控制難度增加；③帶積分環(huán)節(jié)的磁鏈電壓模型在低速時(shí)準(zhǔn)確度較差，將很難及時(shí)得到定子磁鏈的真值。這些缺點(diǎn)都很大程度上限制了系統(tǒng)的低速性能，必要時(shí)需在低速切換到定子磁鏈電流模型，但這時(shí)系統(tǒng)的魯棒性就受到限制。

1.2 磁場(chǎng)定向控制(FOC)

磁場(chǎng)定向控制(FOC)的控制框圖如圖2所示，該控制方法也稱矢量變頻，以電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦控制為目標(biāo)，將定子電流矢量分解成磁鏈分量(id)和轉(zhuǎn)矩分量(iq)進(jìn)行控制。具有很好的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制精度，但在抗干擾性、減小穩(wěn)態(tài)誤差和提高控制精度方面仍存在不足[14]。

圖2 磁場(chǎng)定向控制結(jié)構(gòu)框圖

2 PMSM模型及EDFC控制技術(shù)

2.1 PMSM數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)是一個(gè)多變量耦合的系統(tǒng)，為了簡(jiǎn)化分析，本文做如下假設(shè)：①忽略電機(jī)鐵心的磁飽和；②忽略電機(jī)鐵心渦流和磁滯損耗；③永磁材料的電導(dǎo)率為零；④電機(jī)中的電流為對(duì)稱的三相正弦波電流[15-16]。

在d-q坐標(biāo)系上，永磁同步電機(jī)(PMSM)理想的定子側(cè)數(shù)學(xué)模型如下：

(1)

(2)

(3)

式中,ud、uq、id、iq分別為電機(jī)定子的d、q軸電壓電流；Ld、Lq為定子d、q軸等效電感；Rs為定子繞組電阻；ψd、ψq為d、q軸磁鏈；Te為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；ωe為電角速度；ψf為永磁體的磁鏈；pn為永磁同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)；p為微分計(jì)算分子。

2.2 傳統(tǒng)無(wú)傳感EDFC控制系統(tǒng)框架

首先定義坐標(biāo)系，如圖3所示。

圖3 定義坐標(biāo)系和向量圖

EDFC的控制框圖如圖4所示，圖中Ks是轉(zhuǎn)矩系數(shù)，DMTPA是動(dòng)態(tài)MTPA環(huán)節(jié)，該控制結(jié)合了DTC和FOC，采用定子磁場(chǎng)定向，并對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的增量進(jìn)行SVPWM調(diào)制，代替原有的bang-bang控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的平滑控制，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。

圖4 EDFC控制框圖

3 無(wú)傳感增強(qiáng)型EDFC控制系統(tǒng)

3.1 傳統(tǒng)定子磁鏈觀測(cè)器

在EDFC控制中，定子磁鏈信息的獲得是系統(tǒng)控制的關(guān)鍵。根據(jù)傳統(tǒng)的定子磁鏈觀測(cè)器，在α-β坐標(biāo)系下，定子磁鏈電壓模型為

(4)

(5)

(6)

式中,Usα、Usβ、isα、isβ分別為電機(jī)定子的α、β軸電壓電流；ψsα、ψsβ為α、β軸磁鏈；θs為定子磁鏈角。從上述公式可知，定子磁鏈?zhǔn)欠措妱?shì)的積分。純積分器計(jì)算簡(jiǎn)單，參數(shù)依賴少，但是存在初始值問(wèn)題和積分飽和問(wèn)題，在使用純積分器計(jì)算磁鏈時(shí)，亦會(huì)引入直流漂移的問(wèn)題[17]。

下面以“籃球雙手胸前傳接球”一課為例，談?wù)劇耙欢と苯虒W(xué)模式的具體實(shí)施。本節(jié)課主要圍繞著動(dòng)作技術(shù)和合作意識(shí)兩條主線展開(kāi)，要求各個(gè)學(xué)生需要通過(guò)感受練習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生的接球、抱球以及傳球等各種判斷產(chǎn)生的一連串問(wèn)題及兩者之間相互體諒、相互理解、相互配合，進(jìn)行深入的探究、合作、思考、匯總，然后基于自身的實(shí)踐去了解前后站、接與抱以及平行站之間存在的差異性，最終掌握教學(xué)要求的技術(shù)內(nèi)容。

3.2 帶前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的新型定子磁鏈觀測(cè)器

為了解決上述問(wèn)題，可在純積分環(huán)節(jié)之前級(jí)聯(lián)一個(gè)高通濾波器，用以濾除輸入信號(hào)中的直流成分。純積分器和高通濾波器的級(jí)聯(lián)，即為低通濾波器，其傳遞函數(shù)：

(7)

但是低通濾波器的引入將引起定子磁鏈的幅頻特性和相頻特性的改變。

(8)

(9)

定子磁鏈幅值衰減量和相位滯后量如式(8)和式(9)所示。因此，需要對(duì)幅值衰減量和相位滯后量進(jìn)行補(bǔ)償。

圖5 帶前饋補(bǔ)償?shù)亩ㄗ哟沛溣^測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

本文提出的無(wú)傳感器增強(qiáng)型EDFC控制系統(tǒng)中，帶前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的定子磁鏈觀測(cè)器如圖5所示，可使得觀測(cè)到的定子磁鏈值不存在直流飄移的現(xiàn)象，又無(wú)幅值和相位的誤差，通過(guò)與純積分器的幅頻特性和相頻特性對(duì)比，可獲得幅值和相位具體的補(bǔ)償量，并將此前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)定義為G，表達(dá)式如下：

(10)

圖6和圖7分別為級(jí)聯(lián)前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)前后的波特圖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在級(jí)聯(lián)前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)后，根據(jù)觀測(cè)器的幅頻特性與相頻特性，有足夠的相位裕度，系統(tǒng)穩(wěn)定，與純積分的保持一致。

圖6 無(wú)前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)波特圖

圖7 級(jí)聯(lián)前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)波特圖

從而可獲得觀測(cè)器整體的函數(shù)表達(dá)式：

(11)

濾波器截止頻率ωe根據(jù)電機(jī)電角頻率ωc調(diào)整，設(shè)定調(diào)節(jié)系數(shù)為k，則截止頻率設(shè)置為ωc=kωe，最佳截止頻率的選擇范圍應(yīng)在20% ～30%同步速電角頻率，則設(shè)定k=0.4～0.6時(shí)，觀測(cè)器有較好的調(diào)節(jié)效果。

4 仿真與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證無(wú)傳感器增強(qiáng)型EDFC控制理論正確性和控制效果的優(yōu)良性，使用Matlab進(jìn)行仿真模型搭建和測(cè)試。仿真的電機(jī)參數(shù)如表1所示

表1 仿真電機(jī)參數(shù)

增強(qiáng)型EDFC控制的定子磁鏈觀測(cè)器觀測(cè)磁鏈情況如圖8所示。從圖8可以看出，新型定子磁鏈觀測(cè)器具有很好的性能，可以很好地對(duì)定子的磁鏈進(jìn)行觀測(cè)，且無(wú)幅值和相位的誤差。

圖8 無(wú)傳感增強(qiáng)型EDFC控制定子磁鏈圖

如圖9和圖10所示是增強(qiáng)型EDFC控制的起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速波形和穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的三相電流波形，可以看出，在啟動(dòng)過(guò)程中，無(wú)傳感增強(qiáng)型EDFC控制下的轉(zhuǎn)速性能平穩(wěn)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，EDFC控制的效果也十分良好。

圖9 無(wú)傳感增強(qiáng)型EDFC轉(zhuǎn)速波形圖

圖10 無(wú)傳感增強(qiáng)型EDFC電流波形圖

通過(guò)對(duì)ECM電機(jī)的Matlab仿真，采用無(wú)傳感器增強(qiáng)型EDFC控制，與DFVC控制和FOC控制效率對(duì)比如圖11所示。

圖11 無(wú)傳感增強(qiáng)型EDFC控制效率對(duì)比圖

從圖11可以看出增強(qiáng)型EDFC控制具有很好的高速性能，額定轉(zhuǎn)矩1.3N·m工況下，無(wú)傳感增強(qiáng)型EDFC效率為76.63%，F(xiàn)OC效率為75.73%，EDFC輸出轉(zhuǎn)矩可以到額定的1.2倍。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了對(duì)所提出的無(wú)傳感器增強(qiáng)型EDFC控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圖12為無(wú)傳感器增強(qiáng)型EDFC控制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。

圖12 無(wú)傳感增強(qiáng)型EDFC控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)重要參數(shù)如表2所示。

表2 ECM電機(jī)測(cè)試參數(shù)

搭建了ECM電機(jī)調(diào)試平臺(tái)圖，如圖13所示。ECM電機(jī)的實(shí)物如圖14所示。左邊為ECM電機(jī)整機(jī)圖，右邊為ECM控制器PCBA版圖。首先對(duì)電機(jī)的高速性能進(jìn)行測(cè)試。

圖13 ECM電機(jī)調(diào)試平臺(tái)圖

圖14 ECM電機(jī)和控制器實(shí)物圖

在1800r/min高轉(zhuǎn)速條件下，在測(cè)功機(jī)上測(cè)試電機(jī)的輸出情況實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖15所示。

圖15 ECM電機(jī)實(shí)測(cè)

可以看出，在1800 r/min高轉(zhuǎn)速條件下，具有較好的運(yùn)行性能。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了一種內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的無(wú)傳感器增強(qiáng)型EDFC控制技術(shù)，采用定子磁場(chǎng)定向方法，該控制方法結(jié)合了DTC和FOC，控制策略具有轉(zhuǎn)矩控制平滑，系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)，控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。

本文研究的新型增強(qiáng)型EDFC控制架構(gòu)，控制對(duì)象為磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用基于“前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)”和“電壓和電流混合磁鏈模型”的改進(jìn)型增強(qiáng)磁鏈觀測(cè)器，與傳統(tǒng)磁鏈觀測(cè)器相比，帶反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的改進(jìn)型增強(qiáng)磁鏈觀測(cè)器能夠解決定子磁鏈值的直流飄移現(xiàn)象，又無(wú)幅值和相位的誤差，且具有較好的魯棒性；帶電壓和電流混合磁鏈模型的改進(jìn)型增強(qiáng)磁鏈觀測(cè)器，能夠兼顧低速和高速，高速性能優(yōu)良，低速出力較大。同時(shí)，作為本系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)化或者推廣，兩種磁鏈觀測(cè)方法可以任意組合使用，或簡(jiǎn)化運(yùn)算。

最后，通過(guò)實(shí)物制作和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的增強(qiáng)型EDFC控制架構(gòu)以及相對(duì)應(yīng)的改進(jìn)型磁鏈觀測(cè)器，能夠穩(wěn)定運(yùn)行、控制精度高。