基于高頻方波電壓注入法和改進龍伯格觀測器的永磁同步電機轉(zhuǎn)速估計的研究*

巫慶輝 黃成鑫 侯元祥

基于高頻方波電壓注入法和改進龍伯格觀測器的永磁同步電機轉(zhuǎn)速估計的研究*

巫慶輝1黃成鑫1侯元祥2

(1. 遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院 葫蘆島 125105；2. 渤海大學工學院 錦州 121013)

針對傳統(tǒng)矢量控制方法難以獲得精確的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的問題，提出一種基于高頻方波注入法和改進龍伯格觀測器的永磁同步電機的轉(zhuǎn)速研究方法。因高階系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，微機控制難度較高，并且由于高階的傳遞函數(shù)中參數(shù)對電機參數(shù)和控制器參數(shù)的依賴性較大，因此很難對于永磁同步電機具有通用的控制性能。為解決上述問題，將龍伯格觀測器中的電磁轉(zhuǎn)矩前饋項替換為一個由速度指令組成的二階系統(tǒng)，并用最小二乘法得到該二階系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，改進方案在負載擾動下具有更好的跟蹤精度和魯棒性。

永磁同步電機；無傳感器控制；方波電壓注入法；龍伯格觀測器；最小二乘法

1 引言

永磁同步電動機(Permanent magnet synchronous motor，PMSM)由于其高效率、高功率密度和無直流磁場等優(yōu)點，近年來被廣泛應用于交流傳動領域[1]。特別是隨著高精度伺服控制和電動汽車領域的高速發(fā)展，對永磁同步電機的磁場定向控制提出了更高的要求。矢量控制的核心是如何獲得精確的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。目前已有許多無傳感器技術用于估計轉(zhuǎn)子的位置和速度。

多年前，基于高頻正弦信號注入的無位置傳感器控制方法開辟了永磁同步電機無位置傳感器控制的新領域[2-4]。在零頻或低頻情況下，轉(zhuǎn)子的位置可以通過注入旋轉(zhuǎn)高頻電壓或脈動高頻電壓，并使用跟蹤算法或外差法獲得[5]。但是當采用旋轉(zhuǎn)或脈動的高頻電壓注入方法時，需要使用低通濾波器(Low pass filter, LPF)I來獲得誤差信號，這些低通濾波器由于其固有的時延而降低了無位置傳感器的控制性能[6]。近十年來，基于方波信號注入的方法得到了發(fā)展，該方法不需要LPFs，而是通常使用一個龍伯格位置觀測器來收斂估計誤差，將電流控制器的帶寬提高到250 Hz，速度控制器的帶寬提高到50 Hz[7]。通常，龍伯格位置觀測器采用電磁轉(zhuǎn)矩前饋來提高轉(zhuǎn)子位置跟蹤性能。通過仿真試驗，研究發(fā)現(xiàn)觀測器的穩(wěn)定性取決于負載轉(zhuǎn)矩的預測精度，當負載擾動頻繁變化時，傳統(tǒng)的方法無法快速跟蹤轉(zhuǎn)子位置[8]。

基于以上研究成果和存在的問題，本文對龍伯格位置觀測器進行了改進。首先，分析了永磁同步電機的矢量控制和方波高頻電壓注入法的原理[9]；然后，利用矢量控制中的速度指令構(gòu)造了一個新的二階系統(tǒng)。作為一個新的前饋控制參數(shù)，前饋項不再受負載的影響。仿真結(jié)果表明，改進的轉(zhuǎn)子位置觀測器在負載擾動下具有較好的性能。

2 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)

矢量控制(Field-oriented control，F(xiàn)OC)采用空間矢量表示定子電流。它將三相定子電流(,,)轉(zhuǎn)換為兩相時變系統(tǒng)(,)。從該時變系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)變換得到一個雙坐標時不變系統(tǒng)(,)。這兩個組成部分相互垂直，相互獨立。這樣，它們可以分開調(diào)節(jié)，類似于直流電機的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

永磁同步電機在電源頻率和實際轉(zhuǎn)子坐標系(-坐標系)下的電壓方程的矩陣形式為

忽略阻尼力矩和扭轉(zhuǎn)彈性力矩，力學方程為

圖1 最大轉(zhuǎn)矩電流比控制矢量圖

3 高頻方波注入法原理

一般情況下，高頻注入信號的頻率遠高于電機運行的基頻[14]，幅值較低。因此，當將方波電壓注入估計轉(zhuǎn)子參考系-軸時，感應高頻電流與電壓的關系可以描述為

因此，感應高頻電流可以推導如下

圖2 轉(zhuǎn)子參考系和估計轉(zhuǎn)子參考系電壓平面

圖3 方波注入信號示意圖

在兩相時變系統(tǒng)(,)中對電流進行采樣，式(6)通過反派克變換為

因此，轉(zhuǎn)子位置可以通過atan2函數(shù)得到

4 龍伯格位置觀測器的設計與改進

龍伯格觀測器屬于全狀態(tài)觀測器，通過輸出和輸入實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)的觀測。永磁同步電機的力學方程如式(3)所示，其狀態(tài)空間方程式為

由于負載轉(zhuǎn)矩T不可測量，為了提高觀測器的穩(wěn)態(tài)性能，增加積分環(huán)節(jié)對T進行估計，最終使觀測器的角度誤差趨于零。龍伯格觀測器可以設計如下

程序框圖如圖4所示。

圖4 龍伯格觀測器結(jié)構(gòu)框圖

圖5 FOC傳遞函數(shù)框圖

其中

式(12)為六階6極點5零點系統(tǒng)，階數(shù)較高，不易由微機控制，傳遞函數(shù)參數(shù)嚴重依賴于電機參數(shù)和控制器參數(shù)，不具有通用性。因此對于該高階模型進行降階為二階模型[12]，本文采用二階系統(tǒng)代替式(12)所示系統(tǒng)，二階系統(tǒng)的基本模型如式(13)所示，模型參數(shù)的整定計算采用最小二乘系統(tǒng)辨識方法實現(xiàn)，減少觀測器對模型的依賴性。此外，最小二乘系統(tǒng)辨識方法是基于離散系統(tǒng)的，易于在微機控制系統(tǒng)中應用。降階后的二階域傳遞函數(shù)標準型為

綜上所述，改進后的龍伯格位置觀測器結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 改進后的龍伯格觀測器結(jié)構(gòu)示意圖

5 仿真與結(jié)果分析

為了驗證上述算法的可行性，在Matlab中進行了仿真。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 無傳感器FOC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

仿真所用的永磁同步電機參數(shù)如表1所示。

表1 仿真用永磁同步電機參數(shù)

5.1 前饋控制參數(shù)識別

圖8為采用速度步進命令時的仿真結(jié)果對比。可以看出，雖然模型的階數(shù)降低了，但是主要的動態(tài)信息仍然保留，離散域的二階模型在微機控制系統(tǒng)中很容易實現(xiàn)。

圖8 原模型和簡化模型的階躍響應

5.2 仿真試驗和結(jié)果分析

離散系統(tǒng)的仿真進行了采樣時間為0.001 s，軸注入信號的頻率是5 kHz，振幅是4 V，二階巴特沃斯高通濾波器的截止頻率是1 kHz，用于過濾電流信號。電機穩(wěn)定后，在向軸注入高頻電壓后 圖9a為、軸電流波形，圖9b為、軸經(jīng)過高通濾波后的電流波形。

由于高頻方波信號的注入，在、軸的電流波形中存在大量的高次諧波。通過提取高頻信號，可以通過式(8)和式(9)得到永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置 信息。

為了進一步驗證本文提出的改進方法的效果和觀測器的動態(tài)性能，在仿真過程中加入了速度指令和負載擾動。仿真過程如下：電機空載起動，期望轉(zhuǎn)速為5 rad/s，電機穩(wěn)定后，1 s處增加10 rad/s階躍速度指令，2 s處增加3 N ?m階躍負載擾動。圖10為傳統(tǒng)觀測器和改進觀測器對電機轉(zhuǎn)速的觀測結(jié)果對比，實線是電機的實際速度。

根據(jù)圖6，位置信息直接由速度信息積分而來，因此速度的跟蹤性能間接反映了位置的估計效果。為了更直觀地比較，將速度命令的跟蹤時間和誤差的標準差作為觀測器性能的評價標準，結(jié)果如表2所示。

表2 觀測器的性能比較

從圖10和表2可以看出，改進的龍伯格觀測器在速度指令階躍擾動下的跟蹤效果與傳統(tǒng)觀測器基本相同，基本可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的無延時跟蹤。由于改進龍伯格觀測器的前饋項不受負載轉(zhuǎn)矩影響，負載的抗擾性顯著提高。在試驗的第2 s時，速度的跟蹤效果明顯優(yōu)于常規(guī)觀測器。在整個試驗過程中，速度跟蹤誤差的標準差為4.510，降低了約20%。

6 結(jié)論

(1) 本文對永磁同步電機無傳感器FOC系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子位置觀測器進行了改進。利用速度指令構(gòu)造的離散二階系統(tǒng)作為位置觀測器的前饋，解決了傳統(tǒng)位置觀測器易受負載擾動的問題。

(2) 利用最小二乘法辨識二階系統(tǒng)的參數(shù)，該方法不依賴于永磁同步電機的模型和控制器參數(shù)，方便應用于DSP控制系統(tǒng)。

(3) 仿真結(jié)果表明，改進后的觀測器具有更好的跟蹤效果和更快的誤差收斂速度。該方法可以有效地提高同步電機矢量控制的性能，具有很高的實用價值。

[1] 尹忠剛，靳海旭，張彥平，等. 基于擾動觀測器的交流伺服系統(tǒng)低速爬行濾波反步控制方法[J]. 電工技術學報，2020，35(S1)：203-211.

YIN Zhonggang，JIN Haixu，ZHANG Yanping，et al. Backstepping control method of low speed crawling filter for AC servo system based on disturbance observer[J]. Acta Electrotechnics Sinica，2020，35(S1)：203-211.

[2] 李柏玉，陸永耕，黃禹銘. 基于改進龍貝格觀測器的控制系統(tǒng)的研究與仿真[J]. 儀表技術，2019(9)：32-36.

LI Baiyu，LU Yonggeng，HUANG Yuming. Research and simulation of control system based on improved Luenberger observer[J]. Instrumentation Technology，2019(9)：32-36.

[3] 胡榮光. 開關磁阻電機位置傳感器故障診斷與低速無位置傳感器方法研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2015.

HU Rongguang. Fault diagnosis of switched reluctance motor position sensor and research on low speed sensorless method[D]. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2015.

[4] 王逸之. 永磁同步牽引電機全速域無位置傳感器控制研究[D]. 北京：北京交通大學，2019.

WANG Yizhi. Research on full speed sensorless control of permanent magnet synchronous traction motor[D]. Beijing：Beijing Jiaotong University，2019.

[5] 孟柳. 基于半實物的高速永磁電機無速度傳感器運行研究[D]. 北京：北方工業(yè)大學，2019.

MENG Liu. Research on speed sensorless operation of high speed permanent magnet motor based on hardware in the loop[D]. Beijing：North University of Technology，2019.

[6] 杜思宸，全力，朱孝勇，等. 基于高頻注入的永磁同步電機零低速下位置傳感器失效故障容錯控制[J]. 中國電機工程學報，2019，39(10)：3038-3047.

DU Sichen，QUAN Li，ZHU Xiaoyong，et al. Fault tolerance control of position sensor failure at zero low speed of permanent magnet synchronous motor based on high frequency injection[J]. Proceedings of the CSEE，2019，39(10)：3038-3047.

[7] 張凱泉. 基于龍伯格觀測器法的永磁同步電機無感矢量控制算法改進研究[D]. 長沙：湖南工業(yè)大學，2018.

ZHANG Kaiquan. Research on improvement of sensorless vector control algorithm of permanent magnet synchronous motor based on Luenberger observer method[D]. Changsha：Hunan University of Technology，2018.

[8] 劉立佳. 鏜桿鏜削過程振動控制[J]. 科學技術創(chuàng)新，2017(27)：1-3.

LIU Lijia. Vibration control in boring process of boring bar[J]. Science and Technology Innovation，2017(27)：1-3.

[9] 高福隆. 面貼式永磁同步電機無位置傳感器控制技術研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2016.

GAO Fulong. Research on sensorless control technology of surface mounted permanent magnet synchronous motor[D]. Harbin：Harbin Engineering University，2016.

[10] 徐東，王田苗，劉敬猛，等. 基于參數(shù)辨識的永磁同步電機電流精確控制方法[J]. 電力自動化設備，2008(11)：30-35.

XU Dong，WANG Tianmiao，LIU Jingmeng，et al. Accurate current control method of permanent magnet synchronous motor based on parameter identification[J]. Electric Power Automation Equipment，2008(11)：30-35.

[11] 何曉會. 基于慣量辨識的永磁同步電機自抗擾控制策略研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2020.

HE Xiaohui. Research on ADRC strategy of permanent magnet synchronous motor based on inertia identification[D]. Harbin：Harbin Institute of Technology，2020.

[12] 侯利民，王紅發(fā)，劉建雙，等. 基于NDOB的PMSM調(diào)速系統(tǒng)最優(yōu)滑?？刂芠J]. 控制工程，2017，24(S1)：64-68.

HOU Limin，WANG Hongfa，LIU Jianshuang，et al. Optimal sliding mode control of PMSM speed regulation system based on NDOB[J]. Control Engineering，2017，24(S1)：64-68.

[13] 侯本帥. 基于滑模觀測器與預測控制的永磁同步電機優(yōu)化控制研究[D]. 北京：北方工業(yè)大學，2017.

HOU Benshuai. Research on optimal control of permanent magnet synchronous motor based on sliding mode observer and predictive contro[D]. Beijing：North China University of Technology，2017.

[14] 劉慶飛. 旋轉(zhuǎn)高頻信號注入法在電梯門機無位置傳感器驅(qū)動系統(tǒng)中的應用[D]. 天津：天津大學，2016.

LIU Qingfei. Application of rotating high frequency signal injection method in sensorless driving system of elevator door motor[D]. Tianjin：Tianjin University，2016.

[15] 矯日華. 抓捕工具控制器及伺服控制策略研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2019.

JIAO Rihua. Research on capture tool controller and servo control strategy[D]. Harbin：Harbin Institute of Technology，2019.

Sensorless FOC of PMSM Based on High Frequency Square-wave Voltage Injection and Improved Luenberger Position Observer

WU Qinghui1HUANG Chengxin1HOU Yuanxiang2

(1. Faculty of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105;2. College of Engineering, Bohai University, Jinzhou 121013)

Aiming at the problem that the traditional vector control method is difficult to obtain accurate rotor position and speed, a speed research method of permanent magnet synchronous motor based on high frequency square wave injection method and improved Luenberger observer is proposed. Because of the poor stability of the high-order system, the microcomputer control is difficult. Besides, the parameters in the high-order transfer function are highly dependent on the motor parameters and controller parameters, it is difficult to have general control performance for permanent magnet synchronous motor. In order to solve these problems, the electromagnetic torque feedforward term in the Luenberger observer is replaced by a second-order system composed of speed commands, and the second-order system is obtained by the least square method. Simulation results show that the improved scheme has better tracking accuracy and robustness under load disturbance.

PMSM；sensorless control；square-wave voltage；Luenberger observer；least square method

10.11985/2021.04.015

TM561

*遼寧省教育廳重點攻關資助項目(LZ2020001)。

20210705收到初稿，20211030收到修改稿

巫慶輝，男，1974年生，博士，教授。主要研究方向為電力電子與電力傳動。E-mail：qinghuiwu@qq. com

黃成鑫，男，1998年生，碩士研究生。主要研究方向為電力電子與電力傳動。E-mail：1204391187@qq.com

侯元祥，男，1995年生，碩士研究生。主要研究方向為電力電子與電力傳動。E-mail：1451582076@qq. com