王曉琳 劉思豪 顧 聰

基于自適應(yīng)基準(zhǔn)鎖相環(huán)的高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子位置誤差全補(bǔ)償方法

王曉琳 劉思豪 顧 聰

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 南京 211106）

轉(zhuǎn)子位置信息的精度影響高速永磁同步電機(jī)的運(yùn)行性能，在高速運(yùn)行條件下，轉(zhuǎn)子位置估算容易受到環(huán)路濾波器和電機(jī)參數(shù)偏差等非理想因素的影響。首先，針對轉(zhuǎn)子位置估算誤差，該文提出一種自適應(yīng)基準(zhǔn)鎖相環(huán)，主要思想是鎖相環(huán)通過誤差重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對基頻相關(guān)誤差補(bǔ)償。在此基礎(chǔ)上，以最小電流為目標(biāo)自適應(yīng)調(diào)節(jié)鎖相環(huán)的鎖相基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對非基頻相關(guān)誤差的補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)對位置誤差的全補(bǔ)償，該方法實(shí)現(xiàn)簡單、參數(shù)依賴性低、魯棒性強(qiáng)。最后，基于一臺高速永磁同步電機(jī)進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

高速永磁同步電機(jī) 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器 位置估算誤差 鎖相環(huán)

0 引言

在高速運(yùn)行條件下，采用無位置傳感器算法容易受到諸多非理想因素的影響，造成明顯的轉(zhuǎn)子位置估算誤差。文獻(xiàn)[16]為消除由于逆變器的非線性以及空間諧波所造成位置信號中存在6次脈動(dòng)，提出一種基于自適應(yīng)濾波的位置估算方法。文獻(xiàn)[17-18]通過對電機(jī)參數(shù)在線辨識，提高位置估算的準(zhǔn)確性，但電機(jī)參數(shù)辨識模型復(fù)雜，降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)[19]為消除信號中諧波的影響，提出一種同步頻率提取濾波器，能夠直接提取出信號中的基波分量。文獻(xiàn)[20]提出一種基于誤差特征量的閉環(huán)位置誤差補(bǔ)償方法，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置誤差在直軸上的特征分量對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，該方法實(shí)現(xiàn)簡單，但是對電感參數(shù)有一定的依賴。文獻(xiàn)[21]提出一種雙重鎖相環(huán)，在正交鎖相環(huán)的基礎(chǔ)上，對延遲重構(gòu)信號進(jìn)行二次鎖相以補(bǔ)償位置誤差。文獻(xiàn)[22-23]通過追蹤最小電流以實(shí)現(xiàn)對位置誤差的補(bǔ)償，此方法實(shí)現(xiàn)簡單且不依賴任何參數(shù)，魯棒性強(qiáng)，但是容易導(dǎo)引起穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流抖振，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文首先對高速運(yùn)行條件下環(huán)路濾波器、電感參數(shù)偏差或電壓電流采樣偏差等非理想因素所造成的轉(zhuǎn)子位置估算誤差進(jìn)行分析，并歸納為基頻相關(guān)和非基頻兩種類型。為統(tǒng)一補(bǔ)償各類位置估測誤差，本文提出一種基于自適應(yīng)基準(zhǔn)鎖相環(huán)的轉(zhuǎn)子位置誤差全補(bǔ)償方法：一方面，對誤差信號進(jìn)行重構(gòu)，并通過鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop, PLL）得到與基頻相關(guān)誤差的補(bǔ)償值；另一方面，鎖相環(huán)基準(zhǔn)隨最小電流目標(biāo)值進(jìn)行自適應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整，從而到達(dá)對非基頻相關(guān)誤差的補(bǔ)償。最后，本文基于一臺高速永磁同步電機(jī)進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的轉(zhuǎn)子位置估算誤差全補(bǔ)償方法的有效性。

1 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器及位置估算誤差分析

1.1 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器原理

由于磁鏈觀測器中存在純積分環(huán)節(jié)，易受積分初值與直流分量的影響，因此，采用高通濾波器（High-Pass Filter, HPF）與純積分環(huán)節(jié)串聯(lián)。為消除高頻諧波與干擾信號，還需在觀測器的輸入串聯(lián)低通濾波器（Low-Pass Filter, LPF）。經(jīng)上述改進(jìn)后，轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器結(jié)構(gòu)框圖

1.2 轉(zhuǎn)子位置估算誤差分析

在高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置誤差與基頻的相關(guān)性定義為基頻相關(guān)誤差和非基頻相關(guān)誤差，下面對這兩類誤差進(jìn)行具體分析。

1.2.1 基頻相關(guān)誤差

1.2.2 非基頻相關(guān)誤差

綜上所述，采用轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器估算轉(zhuǎn)子位置時(shí)，環(huán)路濾波器和電感參數(shù)偏差均會(huì)造成一定的位置誤差，其中，電感參數(shù)偏差等其他非理想因素所造成的位置誤差無法準(zhǔn)確定量，難以補(bǔ)償。因此，探究有效的位置誤差全補(bǔ)償策略，是提升電機(jī)運(yùn)行性能的關(guān)鍵所在。

2 一種位置估算誤差全補(bǔ)償方法

本文所提出的轉(zhuǎn)子位置估算誤差全補(bǔ)償方法主要包括鎖相環(huán)和鎖相基準(zhǔn)自適應(yīng)調(diào)整兩部分，下面分別對這兩部進(jìn)行分析。

2.1 基于鎖相環(huán)的轉(zhuǎn)子位置估算誤差補(bǔ)償

圖3 鎖相環(huán)位置補(bǔ)償原理

圖4 鎖相環(huán)位置誤差補(bǔ)償框圖

2.2 鎖相基準(zhǔn)自適應(yīng)調(diào)整

圖5 鎖相基準(zhǔn)調(diào)整

圖6 電流與位置誤差的關(guān)系

圖8 基于自適應(yīng)基準(zhǔn)鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)器結(jié)構(gòu)

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為充分驗(yàn)證本文所提出的轉(zhuǎn)子位置估算誤差全補(bǔ)償方法的有效性，本文基于一臺高速永磁同步電機(jī)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，樣機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 樣機(jī)主要參數(shù)

Tab.1 The main parameters of the motor

3.1 仿真驗(yàn)證

圖9 基于鎖相環(huán)仿真結(jié)果（鎖相基準(zhǔn)為0）

圖10 鎖相環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能

圖11 考慮時(shí)鎖相環(huán)仿真結(jié)果（鎖相基準(zhǔn)為0）

圖12 不同程度所造成的位置誤差

圖13 基于自適應(yīng)鎖相基準(zhǔn)鎖相環(huán)仿真結(jié)果

圖14 自適應(yīng)基準(zhǔn)鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證自適應(yīng)基準(zhǔn)鎖相環(huán)的有效性，本文搭建基于TMS320F28377D和GaNFET功率器件的高速驅(qū)動(dòng)平臺，相應(yīng)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)平臺如圖16所示，該電機(jī)帶葉輪負(fù)載。

圖15 負(fù)載突變時(shí)自適應(yīng)鎖相基準(zhǔn)鎖相環(huán)仿真結(jié)果

圖16 高速永磁同步電機(jī)與驅(qū)動(dòng)平臺

圖18所示為鎖相環(huán)補(bǔ)償算法切入瞬間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，電流減小到最小值后，又稍微增大，體現(xiàn)出單獨(dú)采用鎖相環(huán)補(bǔ)償位置誤差時(shí)，會(huì)造成“過補(bǔ)償”。

圖17 基于鎖相環(huán)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（鎖相基準(zhǔn)為0）

圖18 鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能

圖19 基于自適應(yīng)基準(zhǔn)鎖相環(huán)的補(bǔ)償效果

圖20 自適應(yīng)基準(zhǔn)PLL動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能

圖21 自適應(yīng)基準(zhǔn)鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，本文通過較為全面的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析，驗(yàn)證了所提出的自適應(yīng)基準(zhǔn)鎖相環(huán)的有效性。

4 結(jié)論

本文提出了一種適用于高速永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置估算誤差全補(bǔ)償方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)路濾波器和電感參數(shù)偏差所造成誤差的補(bǔ)償，所提出方法的優(yōu)勢在于：

1）無需對位置估算誤差準(zhǔn)確定量，即可實(shí)現(xiàn)對位置估算誤差的全補(bǔ)償。

2）補(bǔ)償算法中未引入敏感參數(shù)，具有一定的魯棒性。

3）該方法與轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器相配合，在電感參數(shù)誤差為100%的情況下，能夠準(zhǔn)確地估計(jì)轉(zhuǎn)子位置，提高了轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的適用性和魯棒性。最后，通過仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所提出方法的有 效性。

[1] Hong D K, Woo B C, Lee J Y, et al. Ultra high speed motor supported by air foil bearings for air blower cooling fuel cells[J]. IEEE Transactions on Mag- netics, 2012, 48(2): 871-874.

[2] 孫權(quán)貴, 鄧智泉, 張忠明. 基于齒槽效應(yīng)的高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗解析計(jì)算[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(9): 1994-2004.

Sun Quangui, Deng Zhiquan, Zhang Zhongming. Analytical calculation of rotor eddy current losses in high speed permanent magnet machines accountiing for influence of slot opening[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(9): 1994- 2004.

[3] 張鳳閣, 杜光輝, 王天煜, 等. 高速電機(jī)發(fā)展與設(shè)計(jì)綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(7): 1-18.

Zhang Fengge, Du Guanghui, Wang Tianyu, et al. Review on development and design of high speed machines[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(7): 1-18.

[4] 戴興建, 姜新建, 王秋楠, 等. 1MW/60MJ飛輪儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(21): 169-175.

Dai Xingjian, Jiang Xinjian, Wang Qiunan, et al. Design and experimental study of 1MW/60MJ flywheel energy storage system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(21): 169- 175.

[5] 戈寶軍, 羅前通, 王立坤, 等. 高速永磁同步電動(dòng)機(jī)鐵耗分析[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2020, 24(4): 32-39.

Ge Baojun, Luo Qiantong, Wang Likun. Analysis of iron losses of high speed permanent magnet syn- chronous motor[J]. Electric Machines and Control, 2020, 24(4): 32-39.

[6] 劉計(jì)龍, 肖飛, 沈洋, 等. 永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)研究綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(16): 76-88.

Liu Jilong, Xiao Fei, Shen Yang, et al. Review of sensorless control technology of permanent magnet synchronous motor[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2017, 32(16): 76-88.

[7] 谷善茂, 何鳳有, 譚國俊, 等. 永磁同步電動(dòng)機(jī)無傳感器控制技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 24(11): 15-20.

Gu Shanmao, He Fengyou, Tan Guojun, et al. A review of sensorless control technology of permanent magnet synchronous motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(11): 15-20.

[8] 李永東, 朱昊. 永磁同步電機(jī)無速度傳感器控制綜述[J]. 電氣傳動(dòng), 2009, 39(9): 3-10.

Li Yongdong, Zhu Hao. Overview of sensorless control of permanent magnet synchronous motors[J]. Electric Drive, 2009, 39(9): 3-10.

[9] Wu Chao, Sun Xiangdong, Wang Jianyuan. A rotor flux observer of permanent magnet synchronous motors with adaptive flux compensation[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2019, 34(99): 2106-2117.

[10] 王子輝. 永磁同步電機(jī)全速度范圍無位置傳感器控制策略研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2012.

[11] 鐘臻峰, 金孟加, 沈建新. 基于分段PI調(diào)節(jié)器的模型參考自適應(yīng)永磁同步電動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍無傳感器控制[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2018, 38(4): 1203- 1211.

Zhong Zhenfeng, Jin Mengjia, Shen Jianxin. Full speed range sensorless control of permanent magnet synchronous motor with phased PI regulator-based model reference adaptive system[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(4): 1203-1211.

[12] Kim H, Son J B, Lee J Y. A high-speed sliding-mode observer for the sensor-less speed control of PMSM[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics, 2011, 47(3): 1337-1343.

[13] 尹忠剛, 張瑞峰, 鐘彥儒, 等. 基于抗差擴(kuò)展卡爾曼濾波器的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)策略[J]. 控制理論與應(yīng)用, 2012, 29(7): 921-927.

Yin Zhonggang, Zhang Ruifeng, Zhong Yanru, et al. Speed estimation for permanent magnet synchronous motor based on robust extended Kalman filter[J]. Control Theory & Applications, 2012, 29(7): 921- 927.

[14] 薛嘩, 魏佳丹, 周波. 三級式同步電機(jī)低速階段無位置傳感器起動(dòng)控制高頻信號注入法的對比[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(12): 2703-2712.

Xu Hua, Wei Jiadan, Zhou Bo. Comparative investigation on sensorless control of three-stage synchronous motor based on high-frequency injection method at low speed[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(12): 2703-2712.

[15] 劉穎, 周波, 馮瑛, 等. 永磁同步電機(jī)低速無傳感器控制及位置估計(jì)誤差補(bǔ)償[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 27(11): 38-45.

Liu Ying, Zhou Bo, Feng Ying, et al. Sensorless control of SPMSM based on high frequency current signal injection in the direct axis at low and zero speed[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(11): 38-45.

[16] 王輝, 潘文麗, 吳軒. 一種自適應(yīng)濾波的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算方法[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2019, 23(11): 51-59.

Wang Hui, Pan Wenli, Wu Xuan. Position estimation method of permanent magnet synchronous motor based on adaptive filter[J]. Electric Machines and Control, 2019, 23(11): 51-59.

[17] 李旭春, 張鵬, 嚴(yán)樂陽, 等. 具有參數(shù)辨識的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(14): 139-147.

Li Xuchun, Zhang Peng, Yan Leyang, et al. Sensor- less control of permanent magnet synchronous motor with online parameter identification[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(14): 139- 147.

[18] Song Xinda, Fang Jiancheng, Han Bangcheng, et al. Adaptive compensation method for high-speed surface PMSM sensorless drives of EMF-based position estimation error[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(2): 1438-1449.

[19] 年珩, 李嘉文, 萬中奇. 基于參數(shù)在線辨識的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(12): 146-154.

Nian Heng, Li Jiawen, Wan Zhongqi. Sensorless control technique of PMSG for wind power appli- cation based on on-line parameter identification[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(12): 146-154.

[20] 黃科元, 高麗真, 黃守道. 基于電流環(huán)誤差修正的高速永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置校正方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2017, 37(8): 241-249.

Huang Keyuan, Gao Lizhen, Huang Shoudao. A correction method of rotor positions for high speed permanent magnet synchronous motor based on the error correction of the current loop[J]. Proceedings of CSEE, 2017, 37(8): 241-249.

[21] 顧聰, 王曉琳, 鄧智泉. 一種基于雙重鎖相環(huán)的高速永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差全補(bǔ)償方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2020, 40(3): 962-970.

Gu Cong, Wang Xiaolin, Dang Zhiquan. A rotor position estimated error correction method for high- speed permanent magnet synchronous motor Based on dual-phase-locked-loop[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(3): 962-970.

[22] 施曉青, 王曉琳, 徐同興, 等. 高速無刷直流電機(jī)自尋優(yōu)換相校正策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(19): 3997-4005.

Shi Xiaoqing, Wang Xiaolin, Xu Tongxing, et al. Self-optimization commutation correction strategy for high-speed brushless DC motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(19): 3997-4005.

[23] Gu Cong, Wang Xiaolin, Zhang Feilong, et al. Correction of rotor position estimation error for high- speed permanent magnet synchronous motor sensor- less drive system based on minimum-current-tracking method[J]. IEEE Transactions on Industrial Electro- nics, 2020, 67(10): 8271-8280.

A Rotor Position Error Compensation Algorithm for High-Speed Permanent Magnet Motor Based on Phase-Locked Loop with Adaptive Reference

（College of Automation Engineering Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 211106 China）

The accuracy of rotor position information affects the performance of high-speed permanent magnet synchronous motor (HSPMSM). The rotor position estimation is vulnerable to some non-ideal factors at high speed, such as the filters and the deviations of motor parameters. In this paper, a phase-locked loop with adaptive phase-locked reference is proposed to eliminate the rotor position error. The main idea of the proposed method is that the position error related to the fundamental frequency is compensated by reconstructing the position error with phase-locked loop (PLL). The reference of phase-locked loop is adjusted adaptively to minimize the current and compensate the position error of non-fundamental frequency. In this way, the position error is fully compensated. The proposed method has the advantages of simple implementation, low parameter-dependence and strong robustness. Finally, simulations and experiments were conducted on a HSPMSM, and the results verified the effectiveness of the proposed method.

High-speed permanent magnet synchronous motor（HSPMSM）, rotor flux observer, position estimated error, phase-locked loop

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200658

TM351

王曉琳 男，1976年生，教授，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)、無軸承電機(jī)，高速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制。E-mail: wangxl@nuaa.edu.cn（通信作者）

劉思豪 男，1994年生，碩士研究生，研究方向?yàn)楦咚儆来烹姍C(jī)控制。E-mail: 1354489565@qq.com

2020-06-16

2020-08-01

國家自然科學(xué)基金（5217070613）和江蘇省自然科學(xué)基金（BK20201297）資助項(xiàng)目。

（編輯 崔文靜）