永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置信息控制技術(shù)分析

王宏宇

(中國石油大慶石化公司,黑龍江大慶163000)

0 引言

永磁同步電機無需勵磁電流,沒有勵磁損耗,降低了制造成本,同時沒有集電環(huán)和電刷,提高了電機的可靠性,隨著稀土技術(shù)快速發(fā)展,電機的效率和功率密度都得到了大幅度提高。中國擁有豐富的稀土資源,所以中國在稀土永磁同步電機的制造上具有很大優(yōu)勢。為了進一步擴展電機應(yīng)用領(lǐng)域,調(diào)速系統(tǒng)的性能已成為研究熱點,因此,本文開展對位置、速度傳感器控制技術(shù)進行分析研究。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

永磁同步電機控制理論從1950年開始形成并發(fā)展,經(jīng)過全球范圍內(nèi)的深入探索和研究,現(xiàn)在已經(jīng)形成了一些主要的控制方法。首先是恒壓頻比控制策略,這是一種保持電壓與頻率的比值恒定的控制方法。這種方法相對簡單易行,但因為其不包括電流環(huán)和速度環(huán),所以導(dǎo)致控制精度不高,動態(tài)響應(yīng)特性和抗擾能力也較差。因此,這種控制方法通常應(yīng)用于對精度要求不高的場所,例如風(fēng)機等。

其次,矢量控制于70年代初被提出來,最初的開發(fā)目的是擴大調(diào)速范圍,專為高性能電機所設(shè)計[1]。后來,由于與交流電機的完美配合,矢量控制在滿足系統(tǒng)性能要求的同時,還能降低能耗和成本,逐漸引起了業(yè)界的關(guān)注并得到了發(fā)展至今。最后,直接轉(zhuǎn)矩控制于1985年被提出。與矢量控制相比,直接轉(zhuǎn)矩控制省略了d-q軸坐標(biāo)變換,僅需要控制定子磁鏈大小和轉(zhuǎn)矩角。它的優(yōu)點是不需要調(diào)制技術(shù),但缺點是頻率不固定,穩(wěn)態(tài)性能一般[2]。

無位置傳感器控制策略是從1983年開始的,并逐漸發(fā)展為各種控制方法,其中有旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法、脈振高頻電壓注入法、磁鏈估算法、全階狀態(tài)觀測器、滑模觀測器算法、擴展卡爾曼濾波器算法等。

2 矢量控制仿真模型

永磁同步電機的分類方式取決于永磁體的安裝位置,分為表貼式和內(nèi)嵌式兩種。表貼式電機見下圖,該電機轉(zhuǎn)動慣量較低,調(diào)速性能較好,因制造工藝較成熟,因此成本不高,因此在傳統(tǒng)制造業(yè)應(yīng)用非常廣泛。而內(nèi)嵌式電機永磁體則嵌入在轉(zhuǎn)子內(nèi)部,該結(jié)構(gòu)決定電機具有更寬的調(diào)速范圍。但制造工藝相對復(fù)雜,極數(shù)多時,磁阻轉(zhuǎn)矩大。為此,本文將研究表貼式永磁同步電機控制技術(shù)。

以4極電機為例,不計磁滯、渦流、和鐵的損耗,忽略諧波、繞組間的互相感應(yīng)、齒槽的轉(zhuǎn)矩等,永磁同步電機電壓方程見式(1)。

(1)

磁鏈方程見式(2)

(2)

可得電磁轉(zhuǎn)矩方程如下

Te=-pnψf[iAsinθ+iBsin(θ-120°)+

iCsin(θ+120°)]

(3)

運動方程見式(4)

(4)

通過磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進行降階和解耦方法,得出兩個直流分量,這兩個量不隨時間變化,這種方法為矢量控制。它能夠?qū)?fù)雜三相電機控制問題變得簡單化,易于理解,且效率高。

電機感抗為8.5mH,阻抗2.87Ω,轉(zhuǎn)動慣量0.001k g·m2,阻尼系數(shù)0.008Nms。搭建電機矢量控制仿真模型見圖2。

矢量控制的一種基礎(chǔ)方法是id=0,這種策略不需要考慮勵磁電流以及去磁效應(yīng)。電磁轉(zhuǎn)矩僅受轉(zhuǎn)矩電流分量調(diào)控,因此轉(zhuǎn)矩脈動較小。其優(yōu)勢包括寬的調(diào)速范圍、計算需求低等,它主要應(yīng)用于高精度設(shè)備。不過,這種控制方法的缺點是,負(fù)載變動會造成定子電流變動,并使逆變器容量增大,所以它主要適用于小容量調(diào)速裝置。

永磁同步電機轉(zhuǎn)速階躍仿真結(jié)果見圖3、圖4,從圖中可以看出,轉(zhuǎn)速從500r/min跳到1000r/min用時0.02s,電機電流起動電流為28A,起動時間0.02s,電磁轉(zhuǎn)矩見圖5,同理,從1000r/min降到500r/min過程也是同樣結(jié)果,因此在躍階過程中,機基于id=0的控制策略,系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤較好。

3 轉(zhuǎn)子位置評估

電機在惡劣工作條件下,傳感器可靠性大幅度降低,1989年美國科學(xué)家提出狀態(tài)觀測器,用于估算轉(zhuǎn)子位置,起初這是一個恒等狀態(tài)觀測器,后期各國科學(xué)家提出其他低速和中高速電機無位置傳感器控制策略。為解決傳動狀態(tài)觀測器動態(tài)響應(yīng)差問題,先進行傳統(tǒng)狀態(tài)觀測器位置信息評估,再研究將二階擴展為高階線性系統(tǒng),分析高階擴展?fàn)顟B(tài)觀測器特性。

3.1 傳統(tǒng)狀態(tài)觀測器下位置信息估計

開環(huán)狀態(tài)觀測器見圖6,通過狀態(tài)觀測器可以測出轉(zhuǎn)子位置,由電壓方程可得出狀態(tài)方程式(5),進而求出電流誤差動態(tài)方程式(6)。其中K1和K2越大,就會給電機造成噪聲,帶來不利影響。

(5)

(6)

轉(zhuǎn)子位置信息獲得是在此基礎(chǔ)上加一個低通濾波器,這樣對上式求反正切函數(shù),從而得出轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速信息,見式(7)、式(8)。

(7)

(8)

在對精度要求非常高場所,需要對角度進行補償,但是轉(zhuǎn)速和角度會有嚴(yán)重滯后,若不補償,隨著轉(zhuǎn)速變大,兩者滯后也同樣擴大,導(dǎo)致整體性能下降。

3.2 改進后位置評估

高階狀態(tài)觀測器是將二階方程進行擴展,見式(10)

(9)

高階觀測器結(jié)構(gòu)圖見圖7。

與傳統(tǒng)傳統(tǒng)狀態(tài)觀測器計算方式相同,可得出轉(zhuǎn)子位置見下式。

(10)

對角度角度進行補償,得到轉(zhuǎn)子位置如下

(11)

改進后搭建永磁同步電機矢量控制結(jié)構(gòu)圖見圖8,仿真不同情況下電機性能。

3.3 結(jié)果分析

測試電機在相同額定負(fù)載情況下,300r/min和1500r/min穩(wěn)定運行時,電機反電動勢和轉(zhuǎn)子位置曲線,結(jié)果見圖9和圖10,從圖9可以看出,低速時,改進后高階觀測器的方法測到的反電動勢有波動,圖10顯示高速時,反電動勢無波動情況,位置誤差估算幾乎為零,這是因為低速反電勢值較低,而電流測量誤差和傳感器中逆變器非線性對電勢值影響較大,導(dǎo)致曲線抖動,因此,對比之下,改進后高階觀測器的方法對于高速范圍測量更準(zhǔn)確。

圖1 永磁同步電機

圖2 仿真模型

圖3 轉(zhuǎn)速波形

圖4 電流波形

圖5 電磁轉(zhuǎn)矩波形

圖6 觀測器

圖7 高階觀測器

圖8 矢量控制結(jié)構(gòu)圖

圖9 額定負(fù)載低速情況下電機運行情況

圖10 額定負(fù)載高速情況下電機運行情況

測試電機在空載情況下,從1500r/min調(diào)速至2500r/min時電機調(diào)速性能,對比傳統(tǒng)狀態(tài)觀測器和改進后高階觀測器電機轉(zhuǎn)子位置估計誤差,見圖11和圖12,改進后高階觀測器得到的轉(zhuǎn)子位置估計誤差能更快收斂。

圖12 改進后高階觀測器轉(zhuǎn)子位置誤差

測試電機的抗干擾性能,起動時,額定負(fù)載為6Nm,轉(zhuǎn)速為1200r/min,運行0.05s,負(fù)載增加到12 Nm,運行到0.12s,再將負(fù)載降低6Nm,仿真?zhèn)鹘y(tǒng)狀態(tài)觀測器和改進后高階觀測器下,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置曲線變化,結(jié)果見圖13和圖14。

圖13 傳統(tǒng)狀態(tài)觀測器轉(zhuǎn)子運行情況

圖14 改進后高階觀測器轉(zhuǎn)子運行情況

圖13和圖14對比發(fā)現(xiàn),改進后高階觀測器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無論是負(fù)載增加,還是負(fù)載降低,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速都比傳統(tǒng)狀態(tài)觀測器轉(zhuǎn)子更快恢復(fù)到穩(wěn)定運行,同時,轉(zhuǎn)子位置誤差在負(fù)載波動時,也能較短時間恢復(fù),誤差波動傳統(tǒng)狀態(tài)觀測器轉(zhuǎn)子為0.05rad,而改進后高階觀測器轉(zhuǎn)子為0.03rad,誤差變化更小。

4 結(jié)語

本文從4極永磁同步電機控制技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)查分析,通過矢量控制仿真模型建立,通過傳統(tǒng)狀態(tài)觀測器轉(zhuǎn)子位置信息數(shù)學(xué)推導(dǎo)和仿真,建立改進后高階觀測器轉(zhuǎn)子位置信息數(shù)學(xué)模型,對比分析傳統(tǒng)狀態(tài)觀測器和改進后高階觀測器仿真結(jié)果,獲得改進后評估結(jié)果更為準(zhǔn)確,為后期進一步改進提供了數(shù)學(xué)模型和仿真數(shù)據(jù)。