新能源船舶永磁同步電機無位置傳感器控制的研究

楊澤賢，陳嘉福

新能源船舶永磁同步電機無位置傳感器控制的研究

楊澤賢，陳嘉福

（武漢長海高新技術(shù)有限公司，武漢 430233）

為了實現(xiàn)新能源船舶永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱PMSM）全速域無位置傳感器控制，本文采用低速控制結(jié)合中高速模型參考自適應(yīng)觀測器的全速域無位置傳感器復(fù)合控制算法。該方法實現(xiàn)了新能源船舶推進無位置傳感器控制系統(tǒng)的平穩(wěn)可靠運行，在新能源船舶電力推進中具有較強的實際意義。

新能源船舶；PMSM；無位置傳感器；控制；模型參考自適應(yīng)

0 引言

因能源短缺以及溫室氣體排放的問題，全球航運業(yè)將面臨節(jié)能減排的巨大壓力。新能源船舶具有運行成本低、零排放、無污染、噪音小等優(yōu)勢，其得到了廣泛的關(guān)注[1]。永磁同步電機控制系統(tǒng)作為新能源船舶的動力核心，其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠具有重要意義[2]。永磁同步電機因其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、啟動轉(zhuǎn)矩大、運行可靠等特點，在軍事、工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3-4]。一般來說傳統(tǒng)的閉環(huán)控制需要獲得PMSM轉(zhuǎn)子的位置和速度信息實現(xiàn)對電機的控制。但輪船使用場景面臨溫濕度較大、振蕩較多及易受腐蝕等惡劣工況，機械式編碼器的使用將導(dǎo)致后期運行維護成本升高，同時機械編碼器的使用增加了硬件成本、系統(tǒng)復(fù)雜度以及降低了控制系統(tǒng)的可靠性[5]。為了實現(xiàn)PMSM的高精度、高動態(tài)性能，所以無位置控制就被引入新能源船舶的控制系統(tǒng)。

由于無位置控制技術(shù)的優(yōu)異性能表現(xiàn)，無位置控制技術(shù)成為國內(nèi)外學(xué)者的研究的熱點[6-8]。目前應(yīng)用較多的是擴展卡爾曼濾波法、滑模觀測器法、模型參考自適應(yīng)法等。文獻[9-10]介紹了基于滑模觀測器的轉(zhuǎn)子位置估計方法，該方法具有參數(shù)敏感性低、動態(tài)響應(yīng)快、魯棒性強的特點，但卻因抖振存在，影響了控制性能。文獻[11]采用擴展卡爾曼濾波方法估計了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，其具有良好的抗干擾性能和參數(shù)魯棒性，但卻面臨著過程噪聲統(tǒng)計偏差或粗差干擾的問題，不能保證在整個速度范圍內(nèi)收斂。模型參考自適應(yīng)算法因其簡單、易于在數(shù)字控制系統(tǒng)中應(yīng)用，且具有優(yōu)越的穩(wěn)定性和收斂性[12]。

本文針對新能源船舶的永磁同步電機推進控制無位置傳感器控制系統(tǒng)，低速域使用I/f控制，中高速域采用模型參考自適應(yīng)觀測器的控制，結(jié)合兩種控制方法實現(xiàn)了無位置傳感器復(fù)合控制系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。通過實驗驗證了上述方法的可行性和有效性，同時該方法有效的改善了新能源船舶電力推進永磁電機控制系統(tǒng)的性能，具有較強的實際應(yīng)用意義。

1 永磁同步電機數(shù)學(xué)模型

將PMSM在三相靜止坐標系下的數(shù)學(xué)模型經(jīng)Clarke變換及Park變換后可得到PMSM在dq旋轉(zhuǎn)坐標系下定子電壓的數(shù)學(xué)模型方程為：

電機的機械運動方程為：

式中：ω為電機的機械角速度；為轉(zhuǎn)動慣量;為阻尼系數(shù); T為負載轉(zhuǎn)矩; T為電磁轉(zhuǎn)矩。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

2 模型參考自適應(yīng)觀測器設(shè)計

2.1 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)原理

模型參考自適應(yīng)法相比其他的方法具有控制相對簡單、不需要額外的信號注入、穩(wěn)定性良好的特點。模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)通常由參考模型、可調(diào)模型以及自適應(yīng)律三部分組成[13]。其中參考模型指的是不含有待估計參數(shù)的方程，而可調(diào)模型指的是含有待估計參數(shù)的方程，利用 2 個模型在同時工作時輸出量的差值輸入到自適應(yīng)機構(gòu)，采用合適的自適應(yīng)律來不斷調(diào)節(jié)模型中估計參數(shù)，使兩個模型輸出相一致，實現(xiàn)參數(shù)估計[14-15]。結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 模型參考自適應(yīng)結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 可調(diào)模型與參考模型的確定

在模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)中，采用電流方程為參考模型，對于PMSM而言，同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電流方程為：

為了便于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，將轉(zhuǎn)速量約束于系統(tǒng)矩陣中，將式（4）改寫為下面的形式：

由于在式（6）中包含轉(zhuǎn)子速度信息,將式（6）以估計值表示可以得到可調(diào)模型為式（7）：

2.3 參考自適應(yīng)律的確定

本文采用 Popov 超穩(wěn)定性理論來設(shè)計自適應(yīng)律。Popov 超穩(wěn)定性理論設(shè)計的自適應(yīng)率能有效地使可調(diào)模型逼近參考模型，同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性[16-17]。由此可以得到轉(zhuǎn)速的估計值：

3 復(fù)合控制系統(tǒng)

3.1 低速域I/f控制

目前主流的無位置控制方法是通過檢測繞組基波反電勢，然后通過基波模型得到轉(zhuǎn)子位子。但在電機的零低速啟動階段，電機繞組反電勢很小或為零，就無法準確計算轉(zhuǎn)子位置信息，不能滿足伺服系統(tǒng)需獲取對永磁同步電機高精度轉(zhuǎn)子位置的要求[17]。相比于V/f控制存在的不具備負載轉(zhuǎn)矩匹配能力以及V/f曲線整定困難的缺點，I/f控制是一種速度開環(huán)，電流閉環(huán)的控制方式，可以根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩選擇合適的電流幅值[18]。

I/f流頻比啟動方式的基本思想是在電樞繞組中產(chǎn)生幅值跟隨參考值、頻率逐漸增大的旋轉(zhuǎn)電流矢量，使轉(zhuǎn)子加速啟動。I/f啟動的優(yōu)點是此時電機工作在速度開環(huán)、電流閉環(huán)的狀態(tài)，當經(jīng)過電流傳感器傳回的電流可以受到期望電流值的限制，可有效避免瞬間過流現(xiàn)象。I/f控制的系統(tǒng)框如圖2所示：

圖2 I/f控制的系統(tǒng)框圖

此時，電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

3.2 低速到中高速運行的切換過程

當I/f啟動成功之后，電機轉(zhuǎn)速達到一定范圍，基于模型參考自適應(yīng)的觀測器可以快速準確的觀測轉(zhuǎn)子位置，此時就可以切換到模型參考自適應(yīng)觀測器閉環(huán)控制運行。切換過程如圖3所示：

圖3 d軸切換過程

式中k為電流調(diào)整參數(shù)，t為調(diào)整的初始時刻，為調(diào)整后的時刻，其中k應(yīng)合理設(shè)置來保證平穩(wěn)切換。

4 實驗分析

為驗證所提出的新能源船舶PMSM無位置傳感器控制算法的有效性和準確性。本文結(jié)合如圖4所示的模型參考自適應(yīng)無位置傳感器控制系統(tǒng)框圖進行實驗研究，控制系統(tǒng)由坐標變換模塊、PI模塊、SVPWM模塊、模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)模塊、永磁同步電機模塊、逆變器模塊等組成。

圖4 模型參考自適應(yīng)無位置傳感器控制系統(tǒng)框圖

實驗中永磁同步電機參數(shù)如表1所示：

表1 永磁同步電機參數(shù)表

為了驗證該控制方法在實際系統(tǒng)中的的有效性，搭建了基于DSP28335的PMSM無位置傳感器控制系統(tǒng)的實驗平臺，如圖5所示。

圖5 PMSM實驗平臺

圖6 開環(huán)-切換-閉環(huán)時電機轉(zhuǎn)子速度波形

圖7 開環(huán)-切換-閉環(huán)時交直軸電流波形

5 結(jié)論

本文基于新能源船舶電力推進系統(tǒng)對PMSM無位置傳感器控制進行設(shè)計與開發(fā)，并進行了實驗。實驗結(jié)果表明I/f控制結(jié)合模型參考自適應(yīng)的無位置傳感器復(fù)合控制策略在交流調(diào)速系統(tǒng)中能快速、準確地辨識轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，性能良好，魯棒性強。

圖8 動態(tài)時電機速度波形

圖9 動態(tài)時交直軸電流波形

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Research on position-sensorless control of PMSM for new energy ships

Yang Zexian, Chen Jiafu

(Wuhan Great Sea Hi-Tech Co.,LTD., Wuhan 430233, China)

TM46

A

1003-4862（2024）03-0027-05

2023-06-20

楊澤賢（1993-），男，碩士。研究方向：電機控制及驅(qū)動。E-mail: 15189770017@163.com