張伯澤， 阮 毅

(上海大學(xué)，上海 200072)

基于高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入的永磁同步電機(jī)無位置傳感器矢量控制

張伯澤， 阮 毅

(上海大學(xué)，上海 200072)

對基于高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(IPMSM)無位置傳感器矢量控制策略進(jìn)行了研究。向IPMSM注入高頻旋轉(zhuǎn)電壓矢量，應(yīng)用IPMSM的高頻模型，推導(dǎo)出高頻電流響應(yīng)。提出了一種高頻電流信號提取方案，從高頻電流響應(yīng)中估算出IPMSM的位置。提出的控制策略可以實(shí)現(xiàn)IPMSM從極低速0.5Hz到高速的寬范圍工作。大量的仿真結(jié)果表明： 提出的控制策略有良好的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，位置和轉(zhuǎn)速估算有較高的精度，系統(tǒng)有較強(qiáng)的魯棒性，IPMSM在極低速下運(yùn)行良好。

內(nèi)置式永磁同步電機(jī)； 高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入； 矢量控制； 無位置傳感器控制

0 引 言

永磁同步電機(jī)因其體積小、重量輕、響應(yīng)快、損耗小、功率密度大和效率高等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛應(yīng)用[1-2]。通常情況下，對永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制，是用位置或速度傳感器實(shí)現(xiàn)的。然而，位置和速度傳感器的安裝需要額外的空間，且有位置或速度傳感器的系統(tǒng)成本高、可靠性低、不易維護(hù)。

為了替代位置和速度傳感器，提出了各種控制策略，總體上可分為兩大類： 基波模型法[3-8]和高頻信號注入法[9-17]?；Ｐ头ㄖ苯踊蜷g接地從反電動勢中提取位置信號，實(shí)施起來簡單。但是基波模型法對電機(jī)的參數(shù)變化敏感；在低速和零速時(shí)，反電動勢很小甚至為零、難以提取，此時(shí)該類方法不能正常工作。高頻信號注入法在電機(jī)出線端注入高頻電壓(或電流)信號，通過檢測產(chǎn)生的高頻電流(或電壓)響應(yīng)來獲得轉(zhuǎn)子位置信息。高頻信號注入法能夠解決永磁同步電機(jī)低速和零速下的轉(zhuǎn)子位置估算，對電機(jī)的參數(shù)變化不敏感，魯棒性好。近年來出現(xiàn)了人工智能法[18-19]，這類方法硬件復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)困難，目前多停留在理論研究階段。

本文向內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor， IPMSM)注入高頻旋轉(zhuǎn)電壓矢量，應(yīng)用IPMSM的高頻模型，推導(dǎo)出高頻電流響應(yīng)，提出一種新型高頻電流信號提取方案和位置估算策略，準(zhǔn)確地跟蹤轉(zhuǎn)子永磁體的位置，實(shí)現(xiàn)了IPMSM的無位置傳感器控制[20]。本文建立了仿真模型，對所提出的控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。大量的仿真結(jié)果表明： 本文提出的控制策略具有良好的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，估算的位置和轉(zhuǎn)速有較高的精度，系統(tǒng)有較強(qiáng)的魯棒性，IPMSM在極低速0.5Hz下運(yùn)行良好。

1 高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入下的IPMSM數(shù)學(xué)模型

在同步旋轉(zhuǎn)d、q坐標(biāo)系中，IPMSM的數(shù)學(xué)模型為

(1)

忽略電阻壓降及反電動勢，則IPMSM的高頻模型變?yōu)?/p>

(2)

用Park反變換，可將上述d、q坐標(biāo)系中的IPMSM高頻數(shù)學(xué)模型變換為靜止α-β坐標(biāo)系中的高頻數(shù)學(xué)模型：

(3)

式中：L——平均電感,L=(Lsd+Lsq)/2； ΔL——半差電感，ΔL=(Lsq-Lsd)/2。

2 基于高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入的IPMSM無位置傳感器矢量控制策略

在靜止α、β坐標(biāo)系中注入高頻旋轉(zhuǎn)電壓矢量為

usαβc=ucjωct

(4)

式中：uc——注入高頻旋轉(zhuǎn)電壓的幅值；ωc——高頻旋轉(zhuǎn)電壓的角頻率。

向IPMSM注入高頻旋轉(zhuǎn)電壓矢量后，產(chǎn)生的高頻電流響應(yīng)為

isαβc=Icpej(ωct-π/2)+Icnej(2θr-ωct+π/2)

(5)

其中：

(6)

(7)

從高頻電流響應(yīng)中可見，其包含兩個(gè)分量： 正序分量和負(fù)序分量。正序分量中不包含位置信息，只有負(fù)序分量中含有位置信息。如何將IPMSM的位置信息從負(fù)序高頻電流分量中提取出來，便成為進(jìn)一步研究的核心。

本文先用帶通濾波器(BPF)將低頻和其他頻率的高頻信號濾除，獲得高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入下產(chǎn)生的高頻電流響應(yīng)。之后，用ej(-ωct+π/2)乘以這個(gè)高頻電流矢量，將正序高頻電流分量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞣至?，用BPF將此直流分量濾除，得到含有位置信息的負(fù)序高頻電流分量。

提取負(fù)序高頻電流分量后，用外差算法解調(diào)出IPMSM的轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)子位置的估算表達(dá)式如式(8)所示：

(8)

圖1 基于高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入的IPMSM位置估算原理圖

3 仿真研究

對基于高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入的IPMSM無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，注入高頻旋轉(zhuǎn)電壓的幅值為10V，頻率為1000Hz。IPMSM的參數(shù)如表1所示。電機(jī)運(yùn)行速度范圍從極低速30r/min(對應(yīng)0.5Hz)到高速3600r/min，仿真結(jié)果如圖2～圖13所示。

表1 IPMSM的參數(shù)

圖2 α軸負(fù)序高頻電流響應(yīng)波形(30r/min)

圖3 β軸負(fù)序高頻電流響應(yīng)波形(30r/min)

圖4 轉(zhuǎn)子速度的實(shí)際值(30r/min)

圖5 轉(zhuǎn)子速度的估算值(30r/min)

圖6 轉(zhuǎn)子速度的實(shí)際值與估算值之差(30r/min)

圖7 轉(zhuǎn)子位置的估算值(30r/min)

圖8 α軸負(fù)序高頻電流響應(yīng)波形(3600r/min)

圖9 β軸負(fù)序高頻電流響應(yīng)波形(3600r/min)

圖10 轉(zhuǎn)子速度的實(shí)際值(3600r/min)

圖11 轉(zhuǎn)子速度的估算值(3600r/min)

圖12 轉(zhuǎn)子速度的實(shí)際值與估算值之差波形(3600r/min)

圖13 轉(zhuǎn)子位置的估算值(3600r/min)

從波形可以看出，基于高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入的IPMSM無位置傳感器矢量控制策略具有良好的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，在極低速30r/min下運(yùn)行良好，轉(zhuǎn)速估算在穩(wěn)態(tài)時(shí)具有較高的精度。

4 結(jié) 語

本文向IPMSM注入高頻旋轉(zhuǎn)電壓矢量，應(yīng)用IPMSM的高頻模型，推導(dǎo)出高頻電流響應(yīng)。本文提出了一種新型高頻電流控制信號提取方法和位置估算策略，從高頻電流響應(yīng)中提取位置信息，實(shí)現(xiàn)了對IPMSM轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的估算。對所提出的控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明： 本文提出的控制策略有良好的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，估算的位置和轉(zhuǎn)速有較高的精度，系統(tǒng)有較強(qiáng)的魯棒性，IPMSM在極低速下運(yùn)行良好。

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Permanent Magnet Synchronous Motor Sensorless Vector Control Based on High Frequency Rotating Voltage Injection

ZHANGBoze，RUANYi

(Shanghai University， Shanghai 200072， China)

The interior permanent magnet synchronous motor(IPMSM) sensorless vector control based on high frequency rotating voltage injection was investigated. By injecting high frequency rotating voltage vector into IPMSM and use IPMSM high frequency mathematical model， the high frequency current response was deduced. One strategy to extract the high frequency current was presented. Then the IPMSM rotor position was estimated from the high frequency current response. By using the control strategy， the IPMSM could work well in the wide speed range from very low speed value 0.5Hz to high speed value. A lot of simulation results verified the proposed control strategy has excellent dynamic and static responses，the estimated position and speed has good precisions and the system was robust， the IPMSM could work well in very low speed value.

interior permanent magnet synchronous motor(IPMSM)； high frequency voltage injection； vector control； sensorless control

張伯澤(1976—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動。 阮 毅(1955—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動。

TM 351

A

1673-6540(2016)07-0012-04

2015-11-16