崔 波,方玲利,蔣 全,畢 超
(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 200093)
永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因具有高精度調(diào)速性能,在功率較大的傳動(dòng)領(lǐng)域[1]和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。同步電機(jī)以其較高的功率密度、較大轉(zhuǎn)矩慣量和較快動(dòng)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)成為諸多領(lǐng)域的研究重點(diǎn),尤其在先進(jìn)智能制造領(lǐng)域傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)床動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)器人等領(lǐng)域具有無(wú)限的發(fā)展?jié)摿2]。新型半導(dǎo)體材料的推出進(jìn)一步推動(dòng)了電力電子技術(shù)進(jìn)步,以及人工智能在自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用和高性能低成本芯片技術(shù)的發(fā)展。隨著交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]、定位控制精度和各方面性能不斷提高優(yōu)化,其有望取代直流高性能調(diào)速系統(tǒng)。在大功率交流傳動(dòng)領(lǐng)域,如電動(dòng)汽車用電機(jī)、電動(dòng)飛機(jī)用電機(jī)等領(lǐng)域,永磁同步電機(jī)優(yōu)勢(shì)如下:(1)其相對(duì)于異步電機(jī)具有較大的功率密度優(yōu)勢(shì),使得電機(jī)本體設(shè)計(jì)重量和體積有所下降,受空間和重量限制較小;(2)其功率因數(shù)較高[4],在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上,可使變頻器利用率達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),并降低設(shè)計(jì)容量及投資成本。傳統(tǒng)PMSM依靠機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步,達(dá)到調(diào)速及控制目的。無(wú)位置傳感器控制技術(shù)對(duì)于機(jī)械式傳感器系統(tǒng)具有突破性,其采用自動(dòng)控制原理和概率論原理,通過(guò)反饋計(jì)算和概率預(yù)測(cè)來(lái)獲取轉(zhuǎn)子的位置信息。由于采用控制算法取代了機(jī)械傳感器,有效降低了整體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本,并降低了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和難度,提高了全套驅(qū)動(dòng)方案的可靠性。因此,該技術(shù)受到整個(gè)行業(yè)的關(guān)注,無(wú)感驅(qū)動(dòng)算法也是目前永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的研究熱點(diǎn)[5]。
對(duì)于高性能大功率動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及精密控制領(lǐng)域的伺服驅(qū)動(dòng),由于對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音控制有非常高的要求,目前普遍采用FOC(Field Oriented Control)控制方式。FOC控制方式不管在噪音控制還是效率、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。為了達(dá)到FOC控制的最優(yōu)效率模式,理論分析認(rèn)為,當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子磁場(chǎng)正交時(shí),此時(shí)系統(tǒng)獲得最優(yōu)的效率。所以對(duì)于高效驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),轉(zhuǎn)子位置角度估算的準(zhǔn)確性對(duì)于系統(tǒng)噪音和效率的控制都非常重要。目前,永磁同步電機(jī)在中高速運(yùn)行模式下,基于基波反電勢(shì)估算轉(zhuǎn)子角度的估測(cè)算法有:滑模觀測(cè)器算法(Sliding Mode Observer,SMO)、模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)算法(Model Reference Adaptive System Observer,MRAS)和龍貝格觀測(cè)器算法(Luenberger Observer,LUO)。本文對(duì)上述算法進(jìn)行了算法設(shè)計(jì)和建模,對(duì)轉(zhuǎn)子位置估算精度進(jìn)行了對(duì)比和分析。
PMSM無(wú)位置傳感器整體驅(qū)動(dòng)方案控制系統(tǒng)框圖如圖1所示[6]。
圖1 永磁同步電機(jī)無(wú)位置估算驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖1中,驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算觀測(cè)器、電流PI調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器、Park變換模塊、Clark變換模塊、逆變換器(iPark)、SVPWM算法模塊、驅(qū)動(dòng)功率模塊和永磁同步電機(jī)等模塊組成。電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置由觀測(cè)器通過(guò)采集反饋的電流信號(hào)和定子電壓計(jì)算得到。
PMSM在α-β坐標(biāo)系下的電機(jī)定子電壓方程如式(1)所示[5]
(1)
式中,uα、uβ為定子的電壓;iα和iβ為定子的電流;RS為定子相電阻;L為定子相電感;p為求微分算子簡(jiǎn)寫(xiě);Eα、Eβ反電動(dòng)勢(shì),根據(jù)電機(jī)方程,反電動(dòng)勢(shì)可以被進(jìn)一步描述為
(2)
式中,NS為定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù);kNS為定子基波繞組系數(shù);φm為每極氣隙磁通量;f1為定子電流頻率;θ為轉(zhuǎn)子磁極與其α的夾角。
電磁轉(zhuǎn)矩平衡方程為
Tem=Jω′+Bmω+TL
(3)
式中,ω、ω′分別為電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速及其一階導(dǎo)數(shù);J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Bm為電機(jī)摩擦系數(shù);TL為驅(qū)動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Tem為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。
通過(guò)采用id=0控制策略,方程可簡(jiǎn)化為
(4)
式中,Cm為電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。采用這樣的設(shè)計(jì)有利于找到合適的控制規(guī)律,使得轉(zhuǎn)速快速跟隨給定值。定義誤差eω(t)=ω(t)-ω*(t),對(duì)其求導(dǎo)得式(5)。
(5)
為了能夠通過(guò)滑模觀測(cè)器計(jì)算反電動(dòng)勢(shì),將永磁同步電機(jī)定子電壓方程式(1)改寫(xiě)為電流的狀態(tài)方程形式[7]。
(6)
通過(guò)設(shè)計(jì)如下滑模觀測(cè)器,可有效計(jì)算得出電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的估計(jì)值
(7)
將電機(jī)電流狀態(tài)方程式(6)和反電動(dòng)勢(shì)的估計(jì)式(7)作差,計(jì)算得電流的誤差為
(8)
(9)
(10)
由于控制量是一個(gè)不連續(xù)的高頻開(kāi)關(guān)信號(hào),外加一個(gè)低通濾波器,可提取到有效連續(xù)的擴(kuò)展反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)值,即
(11)
式中,τ0為低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。
根據(jù)式(2)和式(11)得出的估算反電動(dòng)勢(shì)信息,即可得出轉(zhuǎn)子位置角度θ的表達(dá)式為
(12)
再通過(guò)式(12)計(jì)算得出的轉(zhuǎn)子位置基礎(chǔ)上再補(bǔ)償一個(gè)角度,用來(lái)補(bǔ)償由于低通濾波器的延遲效應(yīng)所造成的電機(jī)位置角度估算誤差
(13)
式中,ωe為補(bǔ)償?shù)屯V波器的截止頻率。
對(duì)轉(zhuǎn)子位置求微分運(yùn)算,即為對(duì)式(13)求微分,得到轉(zhuǎn)速信息 ,如下式所示。
(14)
(15)
(16)
控制系統(tǒng)的參考模型由系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者根據(jù)控制目標(biāo)規(guī)律設(shè)計(jì),輸出表示為對(duì)于系統(tǒng)參照輸入的合理響應(yīng),可調(diào)模型含有待估因子[8]。將兩個(gè)模型實(shí)時(shí)輸出作差,得到系統(tǒng)反饋,再構(gòu)造穩(wěn)定合適的自適應(yīng)律來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)可調(diào)模型的相關(guān)因子,使可調(diào)模型能夠快速穩(wěn)定地跟蹤參考模型的輸出。MRAS觀測(cè)器并聯(lián)型原理如圖2所示。
圖2 MRAS觀測(cè)器并聯(lián)型原理圖
PMSM定子電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下可表示為[9-10]
(17)
式中,ud、uq為d軸和q軸電壓;id、iq為d軸、q軸電流;Ld、Lq為d軸、q軸電感;ωr為電角速度;ψd、ψq為d軸、q軸磁鏈;RS為定子電阻。磁鏈方程為
(18)
式中,ψf為永磁體磁鏈。
將式(18)代入式(17),則PMSM電流數(shù)學(xué)模型可以表示為
(19)
為了進(jìn)行有效的分析,將式(19)改寫(xiě)為如下形式
(20)
(21)
將式(21)代入式(20),可得
(22)
將式(22)寫(xiě)成狀態(tài)空間表達(dá)式,即
(23)
式中
(24)
(25)
(26)
(27)
如式(23)變換后的矩陣A中包括了電機(jī)速度有關(guān)的信息,因此可調(diào)模型可選此式,選擇電轉(zhuǎn)速ωe為可待辨識(shí)的可調(diào)參數(shù),三相PMSM電機(jī)模型本身作為參考模型[11]。
將式(22)用估計(jì)的形式表示,則可調(diào)模型為
(28)
(29)
其中
(30)
(31)
用式(22)與式(28)作差,可得關(guān)于電流誤差的狀態(tài)方程
(32)
將式(32)簡(jiǎn)寫(xiě)如下
(33)
式中
(34)
(35)
(36)
(37)
對(duì)Popov積分不等式進(jìn)行逆向求解就可以計(jì)算出系統(tǒng)的反饋?zhàn)赃m應(yīng)律
(38)
對(duì)式(38)改寫(xiě)成如下表達(dá)式
(39)
式中
(40)
將式(21)代入式(38),可得
(41)
對(duì)式(38)轉(zhuǎn)速求積分,可以計(jì)算得電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算值,即
(42)
α-β坐標(biāo)系下,重寫(xiě)永磁同步電機(jī)本體模型方程,如式(43)和式(44)所示[12-13]。
(43)
(44)
式中,ψr是電機(jī)永磁體的磁鏈;λα和λβ為α-β坐標(biāo)系下的電機(jī)勵(lì)磁繞組磁鏈;θr=pωrt為轉(zhuǎn)子位置角;p為永磁同步電機(jī)極對(duì)數(shù);ωr為轉(zhuǎn)子角速度。將式(44)代入式(43),得式(45)。
(45)
根據(jù)電機(jī)內(nèi)部狀態(tài)變量及輸入反饋量建立PMSM狀態(tài)方程,如式(46)所示。
(46)
假設(shè)電機(jī)的反電勢(shì)為
(47)
相對(duì)于電變量而言,機(jī)械變量變化緩慢的多,則式(46)可變換為式(48)
(48)
為了方便構(gòu)建龍伯格觀測(cè)器系統(tǒng)[14],式(48)可等效為式(49)。
(49)
基于電變量變化比機(jī)械變量變化大的假設(shè),假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速在瞬時(shí)內(nèi)是勻速的,因此pωr可以認(rèn)定為一個(gè)常數(shù),PMSM的狀態(tài)方程可表示為
(50)
式中,輸出矢量y=[iα,iβ]T;狀態(tài)矢量x=[iα,iβ,eα,eβ]T;輸入矢量u=[uα,uβ]T。其中
(51)
(52)
(53)
根據(jù)上面對(duì)于永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的剖析,轉(zhuǎn)子無(wú)位置估算算法根據(jù)龍貝格觀測(cè)器進(jìn)行了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了矢量控制。該控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型如圖3所示。
圖3 永磁同步電機(jī)模型和觀測(cè)器框圖
永磁同步電機(jī)狀態(tài)觀測(cè)器的數(shù)學(xué)模型為
(54)
(55)
雖然理論上可以實(shí)現(xiàn)式(55)中對(duì)轉(zhuǎn)子位置角θr的計(jì)算,但在實(shí)際控制系統(tǒng)中,反電動(dòng)勢(shì)耦合會(huì)導(dǎo)致一些干擾信號(hào)。為了使獲得的位置角信息更加準(zhǔn)確[15],需采用鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)提取轉(zhuǎn)子位置信息和轉(zhuǎn)速信息。鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框如圖4所示[16]。
由圖4可以看出,觀測(cè)器估算的電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)êα、êβ經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器重構(gòu)計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr。ωr積分后獲得轉(zhuǎn)子的位置角θr,θr參與到PI調(diào)節(jié)過(guò)程使整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)整體閉環(huán)[17-18]。PI調(diào)節(jié)器輸入為0時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)子估算器估算角θr超前反電動(dòng)勢(shì)一個(gè)采樣周期,此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度ωr和位置角θr將被鎖相環(huán)鎖定,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。
圖4 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)框圖
本次實(shí)驗(yàn)采用3種無(wú)位置估算器算法估算永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。系統(tǒng)仿真選擇電機(jī)參數(shù)如下:母線電壓Vdc=310 V,定子相電阻RS=0.112 Ω,相電感Ld=Lq=0.000 575 H,勵(lì)磁磁通ψm=0.185 Wb,極對(duì)數(shù)p=4,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.000 9 kg·m2,摩擦系數(shù)B=0。
仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,3種估算算法在啟動(dòng)時(shí)均為空載啟動(dòng),在運(yùn)行到0.25 s時(shí)負(fù)載突變?yōu)? N·m,轉(zhuǎn)速給定如圖5所示。
圖5 仿真速度給定
SMO和MRAS觀測(cè)器估算參數(shù)如圖6~圖13所示。
圖6 SMO觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速
圖7 MRAS觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速
圖8 SMO觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)速誤差
圖9 MRAS觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)速誤差
圖10 SMO估算轉(zhuǎn)子位置和實(shí)際位置
圖11 MRAS觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)子位置和實(shí)際轉(zhuǎn)子位置
圖12 SMO觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)子位置誤差
圖13 MRAS觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)子位置誤差
圖6和圖7為滑模觀測(cè)器和模型參考自適應(yīng)算法估算速度仿真波形,其中虛線為仿真電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速,實(shí)線為算法估算速度。從圖中可以看出,兩種估算算法都能快速估算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速,并且能夠快速跟蹤負(fù)載的變化。圖8和圖9分別為SMO和MRAS轉(zhuǎn)速誤差,誤差分析如表1所示。
表1 SMO和MRAS不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)估算誤差
由表1可以看出,SMO算法轉(zhuǎn)速估算最大誤差為±11 r·min-1,整體速度誤差較為均勻。MRAS觀測(cè)器轉(zhuǎn)速估算最大誤差為±200 r·min-1,SMO算法整體優(yōu)于MRAS。
圖10和圖11分別為SMO觀測(cè)器和MRAS觀測(cè)器估算的角度仿真波形,圖中虛線表示為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)子位置,實(shí)線為觀測(cè)器算法估算角度。圖12和圖13分別為SMO觀測(cè)器和MRAS觀測(cè)器估算誤差比對(duì)圖。SMO觀測(cè)器輸出的角度因?yàn)闉V波,引起了相位延時(shí),進(jìn)行了補(bǔ)償,所以從輸出角度看,兩種算法輸出角度基本一致。
由表2分析,SMO算法轉(zhuǎn)子位置最大估算誤差為±0.09 rad,MRAS算法轉(zhuǎn)子位置最大估算誤差為±0.6 rad。相較于SMO,MRAS對(duì)于負(fù)載和轉(zhuǎn)速突變反應(yīng)較為敏感,前者的穩(wěn)定性較好。
表2 SMO和MRAS不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子位置估算誤差
圖6和圖14分別為SMO觀測(cè)器和龍伯格觀測(cè)器轉(zhuǎn)速比對(duì),其中虛線表示電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速,實(shí)線為觀測(cè)器算法估算轉(zhuǎn)速。圖8和圖15分別為SMO觀測(cè)器和龍伯格觀測(cè)器轉(zhuǎn)速誤差比對(duì),估算誤差和切換點(diǎn)估算誤差分析如下表所示。
圖14 龍伯格觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速
圖15 龍伯格觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)速誤差
由表3分析,SMO算法和Luenberger算法估算誤差非常接近,Luenberger略優(yōu)于SMO。由表4分析,在切換點(diǎn)出,Luenberger算法對(duì)于轉(zhuǎn)速突變較為敏感,震蕩幅度達(dá)±100 r·min-1,SMO相對(duì)穩(wěn)定,震幅只有±16 r·min-1。
表3 SMO和Luenberger不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)估算誤差
表4 SMO和Luenberger不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速切換點(diǎn)動(dòng)態(tài)估算誤差
圖10和圖16分別為SMO觀測(cè)器和龍伯格觀測(cè)器轉(zhuǎn)子位置,根據(jù)兩圖的比對(duì)發(fā)現(xiàn),兩種算法基本能快速準(zhǔn)確的估算出轉(zhuǎn)子位置。圖12和圖17分別為滑模觀測(cè)器和龍伯格觀測(cè)器估算誤差對(duì)比,誤差分析如表5所示。
圖16 龍伯格觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)子位置和實(shí)際轉(zhuǎn)子位置
圖17 龍伯格觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)子位置誤差
表5 SMO和Luenberger不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子位置估算誤差
由表5分析,不同的轉(zhuǎn)速下,SMO算法的估算精度,整體優(yōu)于Luenberger算法,并且SMO算法對(duì)于速度突變不敏感。
圖14和圖7分別是龍伯格觀測(cè)器和模型參考自適應(yīng)感測(cè)器轉(zhuǎn)速比對(duì),從圖中分析,兩種算法都能快速估算出轉(zhuǎn)速。圖15和圖9分別是龍伯格和模型參考自適應(yīng)算法轉(zhuǎn)速估算誤差,不同轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差分析如表6所示。
表6 MRAS和Luenberger不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)估算誤差
由表6可知,Luenberger轉(zhuǎn)速估算穩(wěn)態(tài)誤差明顯小于MRAS算法,但是兩種算法均表現(xiàn)出對(duì)于轉(zhuǎn)速突變時(shí)較為敏感。
圖16和圖11分別為龍伯格算法和MRAS算法估算的轉(zhuǎn)子位置。其中,虛線表示為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)子位置,實(shí)線表示為觀測(cè)器估算轉(zhuǎn)子位置,兩種算法都能快速估算轉(zhuǎn)子位置。圖17和圖13分別為龍伯格觀測(cè)器和MRAS觀測(cè)器轉(zhuǎn)子位置估算誤差,穩(wěn)態(tài)誤差分析如表7所示。
表7 MRAS和Luenberger不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子位置估算誤差
兩種算法都能快速估算轉(zhuǎn)子位置,Luenberger算法對(duì)于切換點(diǎn)抖動(dòng)低于MRAS算法。
針對(duì)永磁同步電機(jī)中高速運(yùn)行無(wú)位置傳感器控制,本文設(shè)計(jì)了3種電機(jī)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)算法:滑模估算算法、模型參考自適應(yīng)估算算法和龍伯格估算算法。本文對(duì)3種觀測(cè)器進(jìn)行仿真研究,得到如下結(jié)論:(1)滑模觀測(cè)器和龍伯格觀測(cè)器均能達(dá)到理想的觀測(cè)效果,但是龍伯格算法對(duì)速度突變較為敏感,在轉(zhuǎn)速突變時(shí),轉(zhuǎn)子位置估算誤差較大,滑模算法比較穩(wěn)定。與龍伯格算法相比,滑模算法沒(méi)有PLL環(huán)節(jié),參數(shù)整定少,動(dòng)態(tài)反應(yīng)快,更易于工程實(shí)現(xiàn);(2)模型參考自適應(yīng)算法中,系統(tǒng)需要運(yùn)行兩套電機(jī)模型,對(duì)控制器計(jì)算能力要求較高。其對(duì)于負(fù)載的變化也比較敏感,在轉(zhuǎn)速突變環(huán)節(jié),不管是轉(zhuǎn)速估算還是轉(zhuǎn)子位置估算,均存在較大的誤差。此外,該算法設(shè)計(jì)復(fù)雜,參數(shù)較多,尤其是自適應(yīng)律的設(shè)計(jì)較為困難,不易于工程應(yīng)用。