一種低成本高可靠性IPMSM啟動(dòng)方法

范立榮，黃景鵬

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與工程機(jī)械學(xué)院，廣東 廣州 510650）

0 引 言

永磁同步電機(jī)由于沒(méi)有轉(zhuǎn)子繞組，相比直流同步電機(jī)，具有體積小、重量輕、效率高、慣量小和控制精度高特點(diǎn)[1]，使其在冶金、橡膠以及家電等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。而對(duì)永磁同步電機(jī)的控制主要采用無(wú)位置速度傳感器實(shí)現(xiàn)，既可以降低成本，也可以提高系統(tǒng)的可靠性。

在永磁同步電機(jī)的多種控制方案中，最簡(jiǎn)單實(shí)用的是進(jìn)行矢量控制。由于引入了坐標(biāo)變換，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量得以獨(dú)立控制[2]。但是，由于矢量控制在低速啟動(dòng)時(shí)電機(jī)定子上存在壓降，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法獲得足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，對(duì)永磁同步電機(jī)的控制需要在啟動(dòng)方法上進(jìn)行加以引導(dǎo)，使其能順利切換至閉環(huán)運(yùn)行。

1 轉(zhuǎn)子初始預(yù)定位法

傳統(tǒng)無(wú)位置傳感器控制算法在零速和低速情況下無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。在永磁同步電機(jī)位置估算方法中，多數(shù)控制算法是利用電機(jī)中高速時(shí)的電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)來(lái)估算轉(zhuǎn)子位置。因?yàn)榉措妱?dòng)勢(shì)里包含轉(zhuǎn)子位置信息，但在低速情況下同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)非常小，甚至低于逆變器的開(kāi)關(guān)損耗壓降。因此，低速情況下無(wú)法通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)估算轉(zhuǎn)子位置[3]。電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中若檢測(cè)不到轉(zhuǎn)子位置，很容易造成失步或過(guò)流而造成啟動(dòng)失敗。因此，針對(duì)永磁同步電機(jī)常規(guī)啟動(dòng)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化，提出了一種低成本高可靠性的轉(zhuǎn)子預(yù)定位+I/F電流開(kāi)環(huán)矢量控制系統(tǒng)，具體控制方法如圖1所示。

對(duì)圖1中的控制流程進(jìn)行算法控制。首先，程序開(kāi)始進(jìn)行預(yù)定位，令θ=-90°，Id為一定正值，Iq=0。其次，設(shè)定定時(shí)時(shí)間，使其在定時(shí)時(shí)間內(nèi)角度平滑遞增至0°，再進(jìn)行I/F開(kāi)環(huán)啟動(dòng)至合適速度切換至閉環(huán)運(yùn)行，軟件控制流程如圖2所示。

圖2 預(yù)定位軟件算法流程

2 MATLAB/Simulink仿真模型的搭建

為了驗(yàn)證此算法有效，下面進(jìn)行MATLAB/Simulink系統(tǒng)的搭建并仿真。系統(tǒng)采用無(wú)位置速度傳感器矢量結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)構(gòu)成，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)分為Id、Iq電流環(huán)，分別控制磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩，而估算的轉(zhuǎn)子角度θest及ωest分別由系統(tǒng)采樣電機(jī)定子電流變換而來(lái)的Vα、Vβ、Iα、Iβ得到。系統(tǒng)整體運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于預(yù)定位+I/F無(wú)位置速度傳感器矢量控制系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)搭建的MATLAB/Simulink仿真系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 預(yù)定位無(wú)位置速度傳感器矢量控制仿真系統(tǒng)

主電路由輸入直流DC經(jīng)過(guò)3相逆變后驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)。電機(jī)參數(shù)：額定功率P=1.25 kW；額定電壓=380 V；極對(duì)數(shù)=2；定子電阻RS=0.35 Ω；定子d軸電感Ld=5.2 mH；定子q軸電感Lq=11.9 mH；磁鏈ψ=0.113 493 wb，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.004 06 kg·m2。此外，設(shè)置初始角頻率、轉(zhuǎn)子角度、定子電流均為0，具體設(shè)置如圖5所示。

預(yù)定位+I/F算法由Control Unit模塊實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)輸入?yún)?shù)由輸入母線電壓Vdc、系統(tǒng)采樣得到的電機(jī)定子輸入電流Ia和Ib、轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速Ws及轉(zhuǎn)速θ構(gòu)成。常數(shù)模塊Const=100 Hz作為設(shè)定電機(jī)電頻率（由于極對(duì)數(shù)為2，實(shí)際機(jī)械頻率為50 Hz）。具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示。

圖5 永磁同步電機(jī)參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)采樣離散仿真，開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為10 kHz，死區(qū)時(shí)間設(shè)為2 μs。為了控制變量范圍，輸入輸出變量均采用標(biāo)幺值進(jìn)行換算。電壓標(biāo)幺基準(zhǔn)值為500 V，電流標(biāo)幺基準(zhǔn)值為25 A，具體設(shè)置如圖7所示。

圖6 預(yù)定位I/F算法框圖

圖7 預(yù)定位I/F算法框圖

3 系統(tǒng)仿真

SVPWM發(fā)生模塊是實(shí)現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵模塊，由輸入電機(jī)定子電流Ia和Ib進(jìn)行clark變換、Park變換及反Park變換，將與clark變換后得出的三相交流正弦矢量電壓ton作為調(diào)制波。作為與三角載波相比較的輸入信號(hào)，輸出的調(diào)制波與三角載波比較延遲后，得出6路SVPWM波形。SVPWM具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖8 所示[4]。

圖8 SVPWM發(fā)生模塊

所有上述參數(shù)設(shè)置及模塊完成后，設(shè)置仿真為Discrete仿真，時(shí)間為1e-6，負(fù)載隨頻率變化函數(shù)。為滿足最高頻率能在滿負(fù)荷工作，設(shè)定負(fù)載TL=0.54×10-4×f2N·m，終止仿真時(shí)間為10 s，仿真結(jié)果如圖9所示。其中，圖9（a）為永磁同步電機(jī)定子電流Ia和Ib的仿真波形，圖9（b）為電機(jī)電頻率波形，圖9（c）為電機(jī)轉(zhuǎn)子角度波形，圖9（d）為電磁轉(zhuǎn)矩波形圖。

從圖9（a）～圖9（d）可以看出，定子電流從0～1 s強(qiáng)制定位，角度都集中在0°附近。而1～4 s I/F為指定電流大小，進(jìn)行開(kāi)環(huán)運(yùn)行后切換至閉環(huán)運(yùn)行，轉(zhuǎn)子角度無(wú)突變，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，對(duì)應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩除啟動(dòng)時(shí)有些脈動(dòng)，穩(wěn)定后脈動(dòng)很??；4 s直接切換至閉環(huán)反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器運(yùn)行；4～8 s后，升頻轉(zhuǎn)矩增大，至8 s后穩(wěn)定。定子電流從定位→開(kāi)環(huán)→閉環(huán)運(yùn)行，切換過(guò)程無(wú)過(guò)沖失步，拖拉開(kāi)環(huán)啟動(dòng)過(guò)程中相電流的頻率和大小保持不變，使得壓縮機(jī)在負(fù)荷輕或負(fù)荷重的情況都能可靠啟動(dòng)，充分驗(yàn)證了提出的預(yù)定位無(wú)位置速度傳感器矢量控制算法的可靠性與可行性。

圖9 電機(jī)定子電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子角度及電磁轉(zhuǎn)矩波形

在powergui中進(jìn)行FFT頻譜分析，分析從電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行至額定頻率100 Hz即起始時(shí)間從9 s開(kāi)始后的5個(gè)周期（即從切換到閉環(huán)至穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間段）。基準(zhǔn)頻率選取100 Hz（2對(duì)極，機(jī)械頻率為50 Hz），分析至最大2 kHz，即分析40次諧波。ScopeData是一個(gè)矢量，存儲(chǔ)了定子電流Ia、Ib。隨機(jī)抽取一個(gè)定子電流input1，在其運(yùn)行穩(wěn)定后對(duì)其做FFT分析，定子電流的諧波分析頻譜圖如圖10所示。

圖10 定子電流諧波頻譜圖

從圖10可以看出，諧波含量是0.059 5，基波幅值1.583 A，諧波含量低，對(duì)EMC造成的干擾及系統(tǒng)振動(dòng)較小。

4 結(jié) 論

提出的轉(zhuǎn)子初始預(yù)定位+I/F開(kāi)閉環(huán)無(wú)位置速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，在MATLAB上編寫(xiě)C語(yǔ)言程序搭建模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了電機(jī)各關(guān)鍵參數(shù)波形運(yùn)行良好。電機(jī)定子電流預(yù)定位→開(kāi)環(huán)→閉環(huán)切換平穩(wěn)，啟動(dòng)過(guò)程電流無(wú)沖擊，電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，能適應(yīng)不同負(fù)載下的啟動(dòng)，對(duì)永磁同步電機(jī)應(yīng)用企業(yè)有很強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義。從仿真結(jié)果可以看出，基于轉(zhuǎn)子初始預(yù)定位+I/F開(kāi)閉環(huán)無(wú)位置速度傳感器矢量控制系統(tǒng)，定子電流波形為正弦波，電流諧波和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，可見(jiàn)該方案在永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中具有可行性。