胡慶波，孫春媛

(1.寧波樂邦電氣有限公司，浙江 寧波 315113；2.寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 商貿(mào)學(xué)院，浙江 寧波 315100)

?

永磁同步電機(jī)全速范圍無速度傳感器控制

胡慶波1，孫春媛2

(1.寧波樂邦電氣有限公司，浙江 寧波 315113；2.寧波城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 商貿(mào)學(xué)院，浙江 寧波 315100)

針對永磁同步電機(jī)在無速度傳感器控制時，從低速開環(huán)運行切換到高速閉環(huán)運行過程中存在轉(zhuǎn)矩脈動大的問題，提出一種新的矢量控制切換技術(shù)。依據(jù)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩自平衡原理，采用自適應(yīng)PI控制電機(jī)給定轉(zhuǎn)矩電流分量。當(dāng)I/F流頻法控制下給定轉(zhuǎn)矩電流接近負(fù)載電流時，將系統(tǒng)從I/F開環(huán)運行切換到速度電流雙閉環(huán)模式。提出的新方案能夠使矢量控制切換過程的速度和轉(zhuǎn)矩平滑過渡，可適用于不同類型的永磁電機(jī)和負(fù)載工況。實驗證明：該控制方案具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，同時具有較強(qiáng)的通用性和魯棒性。

永磁同步電機(jī)；無速度傳感器控制；假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo); 自適應(yīng)PI；轉(zhuǎn)矩電流；狀態(tài)切換

0　引　言

永磁同步電機(jī)具有體積小、功率密度大、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、噪音低以及動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點，已經(jīng)在電動汽車、空調(diào)壓縮機(jī)、電梯、抽油機(jī)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。通常情況下，永磁電機(jī)通過編碼器反饋獲得速度信號后進(jìn)行閉環(huán)控制。然而在很多應(yīng)用場合下，編碼器不僅增加了安裝、維護(hù)成本，也使驅(qū)動系統(tǒng)易受外界環(huán)境干擾，降低了系統(tǒng)的可靠性。為了提高運行效率，降低運營成本，增強(qiáng)在特殊工況下的可靠性，采用無位置傳感器開環(huán)矢量[1-3]控制方式的驅(qū)動系統(tǒng)是永磁電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的主流趨勢。

目前，基于永磁同步電機(jī)的無速度控制算法研究主要集中在3大類：1)基于電機(jī)本體特性的方法，如凸極效應(yīng)[4]；2)基于電機(jī)反電動勢的估算方法[5]；3)基于狀態(tài)觀測器、滑模觀測器、卡爾曼濾波器的估算方法[6-8]。利用反電動勢的估算方法實現(xiàn)較為簡單，有直接計算法和假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)法[9](hypothetical reference frame,HRF)等，這類方法在電動機(jī)高速運行時非常有效。而當(dāng)電機(jī)低速或零速啟動時由于反電動勢太小會造成很大的誤差，嚴(yán)重時無法正常旋轉(zhuǎn)。而利用電機(jī)凸極效應(yīng)估算轉(zhuǎn)子位置的方法，如高頻注入法，一般用于低速或零速啟動，高速時由于注入的高頻信號較高，很難用數(shù)字控制器來實現(xiàn)。另外這種算法原理上是利用電機(jī)交直軸電感的不對稱來獲得位置信號，因此依賴電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，不具備普適性?；诟鞣N觀測器的估測算法具有較好的魯棒性，同時適用于高低速，但實時計算量大，對微處理器性能的依賴程度高，動態(tài)響應(yīng)速度要差于前兩者。

綜上所述，雖然眾多專家學(xué)者提出了大量的無傳感器控制算法，但每種算法都存在一定的局限性。要在全速度范圍內(nèi)實現(xiàn)開環(huán)矢量控制需要結(jié)合兩種或以上的控制策略[10-11]，由此帶來的問題是如何在算法之間實現(xiàn)平穩(wěn)的切換，這是本文的研究重點。實際產(chǎn)品應(yīng)用中，通常的做法是通過開環(huán)控制將電機(jī)拖動到一定速度后，再采用反電動勢估計的方法獲得速度和位置信號。但需要考慮的是在這兩種控制方式切換時，如何實現(xiàn)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩過渡，速度控制不能出現(xiàn)突變。本文提出了一種基于自適應(yīng)PI控制的狀態(tài)切換方法，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流分量，將電機(jī)從I/F流頻法平穩(wěn)的切換到假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)法中。

1　I/F流頻法開環(huán)驅(qū)動

圖1　I/F流頻法控制框圖Fig.1　Block diagram of I/F control

圖2　I/F控制下矢量圖Fig.2　Vector figure of I/F control

2　假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)法原理

由假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)法進(jìn)行轉(zhuǎn)速估算的永磁同步電機(jī)矢量控制框圖如圖3所示。圖中轉(zhuǎn)速估算部分是無傳感器矢量控制系統(tǒng)的核心，它由兩部分組成，第一部分是由電機(jī)反電動勢計算而來，第二部分由自適應(yīng)PI控制器輸出，兩部分相加獲得電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的估計值。整個控制系統(tǒng)采用速度、電流雙閉環(huán)的工作模式，其中速度環(huán)輸出作為轉(zhuǎn)矩電流的給定值，勵磁電流給定值為0，兩個電流環(huán)輸出即為電壓矢量值，經(jīng)空間矢量發(fā)生器后獲得三相全橋的驅(qū)動信號用于控制功率器件。

圖3　HRF無速度控制方案Fig.3　Block diagram of HRF sensorless control

下面簡要介紹一下控制原理，式(1)是同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的電機(jī)電壓方程為

(1)

式中：isd、isq、usd、usq分別是dq軸的電流和電壓矢量；R是相電阻；Ld、Lq分別是dq軸電感；ωs是同步轉(zhuǎn)速；p是微分算子；ψr是永磁體磁鏈，Δθs是同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子軸的夾角(轉(zhuǎn)子軸沿轉(zhuǎn)向超前同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)時為正)。理想情況下Δθs=0，此時估算的轉(zhuǎn)子位置和實際轉(zhuǎn)子軸對齊，式(1)可變?yōu)?/p>

(2)

由上式獲得速度的估計值為

(3)

Δusd=ωsψrsin(Δθs)。

(4)

當(dāng)Δθs較小時，sin(Δθs)≈Δθs，由此可知Δusd與Δθs成正比，對電壓誤差Δusd進(jìn)行PI調(diào)節(jié)即可獲得速度估計的修正量為

Δωs=kωpΔusd+kωi∫Δusddt。

(5)

其中kωp、kωi分別是比例和積分系數(shù)，用修正量Δωs去調(diào)整估計轉(zhuǎn)速可以使位置偏差收斂。式(5)中的電壓偏差為

(6)

(7)

(8)

由于假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)法是基于電機(jī)反電勢模型建立的，當(dāng)電機(jī)處于啟動及低速運行時反電勢較小，運算誤差較大，會出現(xiàn)電機(jī)抖動甚至無法轉(zhuǎn)動的情況。因此本文的無速度控制方案在啟動和低速運行時采用I/F流頻法控制，中高速采用假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)法。兩種模式直接切換必然會造成轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的異常波動，實際應(yīng)用中必須加以避免。

3　狀態(tài)切換過程分析

3.1直接切換法

3.2基于自適應(yīng)PI控制的轉(zhuǎn)矩電流調(diào)整法

HRF原理介紹中，式(5)的自適應(yīng)PI目的是將Δθs控制到0，這與狀態(tài)切換的目標(biāo)一致。因此在I/F控制時，可通過式(5)、式(6)獲得給定轉(zhuǎn)矩電流的增量，式(5)變?yōu)槭?9)，給定的轉(zhuǎn)矩電流如式(10)所示，其中C是初始電流值。

Δisq=kωpΔusd+kωi∫Δusddt，

(9)

(10)

考慮到電機(jī)參數(shù)、采樣控制精度以及PI參數(shù)造成偏差的存在，將切換點定在Δθs=0時會出現(xiàn)電機(jī)抖動的現(xiàn)象，故將式(6)變?yōu)?/p>

(11)

其中θ0表示切換時的定位角，θ0∈(0°～90°)。

狀態(tài)切換和HRF運行時采用了相同的自適應(yīng)PI結(jié)構(gòu)，同樣的調(diào)節(jié)器參數(shù)。但式(6)和式(11)的Δusd發(fā)生了變化，由此可能會造成電機(jī)抖動或轉(zhuǎn)矩突變。因此在HRF正常運行前設(shè)置t1，在該時間內(nèi)將式(11)的θ0從設(shè)定值θc線性變?yōu)?°。

(12)

4　實　驗

實驗在6.89 kW電梯用永磁同步電機(jī)機(jī)組上采用對拖的方式進(jìn)行，電機(jī)參數(shù)見表1。選用STM32F103RC為主控芯片，直流電壓、相電流均通過采樣電阻并經(jīng)光耦隔離后獲得。給定轉(zhuǎn)矩電流設(shè)為16 A，狀態(tài)切換速度ωc設(shè)為18.8 r/min，并取θc=30°。直接切換時給定速度大于ωc后立即切換到HRF控制，而自適應(yīng)PI控制切換時給定速度在ωc處先保持勻速，在完成切換后繼續(xù)加速運行。

表1　永磁同步電機(jī)參數(shù)

4.1輕載實驗

圖4、圖5分別是電機(jī)輕載運行時，狀態(tài)直接切換和采用自適應(yīng)PI控制下的相電流波形。可以看出圖4由于切換時給定坐標(biāo)軸與轉(zhuǎn)子真實位置存在較大的偏差，直接進(jìn)入速度閉環(huán)控制后存在很大的電流沖擊，且動態(tài)調(diào)整時間較長。圖5在切換時轉(zhuǎn)矩電流已經(jīng)接近于負(fù)載電流，切換較快并且電流無明顯畸變。

圖4　輕載直接切換相電流Fig.4　Direct switching current,light load

圖5　輕載PI控制切換相電流Fig.5　PI control current,light load

4.2重載實驗

圖6、圖7分別是電機(jī)在重載運行時，狀態(tài)直接切換和采用自適應(yīng)PI控制下的相電流波形。由于此時給定轉(zhuǎn)矩電流已經(jīng)接近于負(fù)載電流，兩種情況下切換時電流變化不明顯。

圖6　重載直接切換相電流Fig.6　Direct switching current,heavy load

圖7　重載PI控制切換相電流Fig.7　PI control current,heavy load

4.3電機(jī)參數(shù)實驗

圖8　輕載Lq設(shè)為0時切換相電流Fig.8　Current with Lq=0,light load

圖9　輕載Lq設(shè)為時切換相電流Fig.9　Current with ,light load

圖10　重載Lq設(shè)為0時切換相電流Fig.10　Current with Lq=0,heavy load

圖11　重載Lq設(shè)為時切換相電流Fig.11　Current ,heavy load

5　結(jié)　論

本文提出的永磁同步電機(jī)全速范圍運行算法，可用于風(fēng)機(jī)、水泵以及空氣壓縮機(jī)等負(fù)載的應(yīng)用場合。該方案的特點在于：啟動和低速時采用速度開環(huán)、電流閉環(huán)的I/F流頻法控制方式，高速時采用假定旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)法，通過自適應(yīng)PI控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流來實現(xiàn)控制模式的平穩(wěn)切換。提出的自適應(yīng)方案無需調(diào)整控制參數(shù)即可適用于不同的負(fù)載工況下，具有很強(qiáng)的實用性。在狀態(tài)切換過程中，通過減少給定轉(zhuǎn)矩電流并根據(jù)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩自平衡原理實現(xiàn)負(fù)載匹配。當(dāng)滿足切換條件后電機(jī)能夠很平順的從I/F運行狀態(tài)向HRF閉環(huán)狀態(tài)過渡，其速度、轉(zhuǎn)矩平滑無沖擊。另外本文的方案不區(qū)分表貼式還是內(nèi)嵌式電機(jī)，對所有永磁電機(jī)均適用，并對電機(jī)自身參數(shù)變化不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性。

[1]高宏偉,于艷君,柴鳳，等.基于載波頻率成分法的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2010,30(18): 91-96.

GAO Hongwei,YU Yanjun,CHAI Feng,et al.Position sensorless control of interior permanent magnet synchronous motor based on carrier frequency component method[J].Proceedings of the CSEE,2010,30(18): 91-96.

[2]王斌,王躍,王兆安.無速度傳感器的永磁同步電機(jī)無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2014,18(6): 42-49.

WANG Bin,WANG Yue,WANG Zhaoan.Deadbeat direct torque control of permanent magnet synchronous motor without speed sensor[J].Electric Machines and Control,2014,18(6): 42-49.

[3]尚喆,趙榮祥,竇汝振.基于自適應(yīng)滑模觀測器的永磁同步電機(jī)無速度傳感器控制研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2007,27(3): 23-27.

SHANG Zhe,ZHAO Rongxiang,DOU Ruzhen.Research on sensorless control method of PMSM based on an adaptive sliding mode observer[J].Proceedings of the CSEE,2007,27(3): 23-27.

[4]何棟煒,彭俠夫,蔣學(xué)程，等.內(nèi)置式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置估計方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2013,17(3): 49-55.

HE Dongwei,PENG Xiafu,JIANG Xuecheng,et al.Initial rotor position estimation method for IPMSM[J].Electric Machines and Control,2013,17(3): 49-55.

[5]GENDUSO F,MICELI R,RANDO C,et al.Back EMF sensorless-control algorithm for high-dynamic performance PMSM[J].IEEE Transaction on Industrial Applications,2010,57(6): 2092-2100.

[6]張興,郭磊磊,楊淑英，等.永磁同步發(fā)電機(jī)無速度傳感器控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2014,34(21): 3440-3447.

ZHANG Xing,GUO Leilei,YANG Shuying,et al.Speed sensorless control of permanent magnet synchronous generators[J].Proceedings of the CSEE,2014,34(21): 3440-3447.

[7]張磊，高春俠.一種變增益寬速度范圍的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2015,19(8): 36-40.

ZHANG Lei,GAO Chunxia.Research on variable gain wide speed region sensor-less control theme for permanent magnet synchronous motors[J].Electric Machines and Control,2015，19(8): 36-40.

[8]張猛,肖曦,李永東.基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁鏈觀測器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2007,27(36): 36-40.

ZHANG Meng,XIAO Xi,LI Yongdong.Speed and flux linkage observer for permanent magnet synchronous motor based on EKF[J].Proceedings of the CSEE,2007,27(36): 36-40.

[9]紀(jì)歷,徐龍祥.高速永磁同步電機(jī)無傳感器控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2011,15(9): 24-30.

JI Li,XU Longxiang.Sensorless control of high speed permanent magnet synchronous motor[J].Electric Machines and Control,2011,15(9): 24-30.

[10]張磊,高春俠.改進(jìn)型永磁同步電機(jī)全速度范圍內(nèi)無速度傳感器控制策略[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2012,16(7): 103-110.

ZHANG Lei,GAO Chunxia.An improved whole speed region sensorless control theme for permanent magnet synchronous motors[J].Electric Machines and Control,2012,16(7): 103-110.

[11]FATU M,TEODORESCU R,BOLDEA I,et al.I-F starting method with smooth transition to EMF based motion-sensorless vector control of PM synchronous motor/generator[C] //2008 IEEE International Conference on Power Electronics Specialist,June 15-19,2008,Rhodes,Greece.2008:1481-1487.

[12]王子輝,葉云岳.反電勢算法的永磁同步電機(jī)無位置傳感器自啟動過程[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2011,15(10): 36-42.

WANG Zihui,YE Yunyue.Research on self-startup states process of back-EMF based sensorless vector control of PMSM[J].Electric Machines and Control,2011,15(10): 36-42.

(編輯：劉琳琳)

Sensorless control of permanent magnet synchronous motor in full speed range

HU Qing-bo1，SUN Chun-yuan2

(1.Ningbo Robust Electric Company Limited,Ningbo 315113,China;2.Department of Business and Trade,Ningbo City College of Vocational Technology,Ningbo 315100,China)

In order to solve the problem of large torque ripple from the speed-open-loop current-close-loop state to the double-closed-loops state of the permanent magnet synchronous motor (PMSM),a novel field oriented control method was proposed.According to the PMSM torque self-stabilization principle,the adaptive PI control of motor torque current was given.When the given torque current was close to the load current,the I/F control was switched to the speed and current double-closed-loop mode.The proposed new scheme makes speed and torque smooth transition while switching,and is suitable for all types of PMSM under different load conditions.Experimental results show that the proposed scheme has the advantages of simple structure,easy realization,also has the versatility and robustness.

permanent magnet synchronous motor; sensorless control; hypothetical reference frame; adaptive PI; torque current; state transition process

2014-12-03

胡慶波(1979—)，男，博士，高級工程師，研究方向為永磁同步電機(jī)的驅(qū)動技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電的變流技術(shù)等；

孫春媛(1981—)，女，碩士，講師，研究方向為智慧能源及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

胡慶波

10.15938/j.emc.2016.09.011

TM 46

A

1007-449X(2016)09-0073-07