高频信号注入无速度传感器永磁同步电机控制系统

1、高频信号注入无速度传感器永磁同步电机控制系统电气传动2007年第37卷第3期高频信号注入无速度传感器永磁同步电机控制系统缪学进李永东肖曦清华大学摘要:介绍了一种基于脉振高频电压信号注入的永磁同步电机转子位置和速度估算方法,并以此为基础实现了永磁同步电机的无速度传感器矢量控制系统。无论是内埋式还是表面贴式永磁同步电机,其交直轴高频阻抗都可以表现出凸极效应,当脉振高频电压信号注入到定子线圈中时,相应的高频电流信号将包含有转子的位置信息,用一种合适的算法可以提取这一信息。在高速和低速(包括零速)运行时,这种方法都可以精确地估算出转子的位置。最后,以内埋式永磁同步电机为例,给出了这种方法的仿真结果,验

2、证了这种方法的有效性。关键词:永磁同步电机(PMSM)无速度传感器高频信号注入SpeedSensorlessofPMSMwithHigh2MiaoXuejinLiYAbstract:AmethodforestimationofthePMSMbyusingthefluctuatinghigh2frequencyvoltagesignalinjectionsensorlessdriveofPMSMcanberealizedbyu2singthismethod.Inthe(SMPMSM)andtheinteriorPMSM(IPMSM),d2andq2ax2eshigh2areWhenthefluc

3、luatinghigh2frequencyvoltagesignalisinjectedintothestator,thehigh2frequencycurrentsignalincludestheinformationoftherotorposition,ancarriersignalextractionandaspatialsaliencytrackingschemearedevelopedforsen2sor2lesscontrol.Rotorpositioncanbeestimatedaccuratelyatstandstillandhighspeedbyusingthismethod

4、.Thesimulationresultsshowthefeasibilityandeffectivenessofthisalgorithm.Keywords:permanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)speedsensorlessdrivehigh2frequencysignalinjection1引言近年来,随着高矫顽力、高剩磁的高性能永磁体的出现,使得永磁同步电机比感应电机具有更小的体积、更高的效率、更宽的调速范围和更高的速度位置控制精度,在很多要求较高的工业应用中正逐步取代感应电机。在采用磁场定向控制或直接转矩控制时,为了实现高性能的速度或位置控制,一般

5、都需要准确的转子速度和位置信息。这些信息通常可由编码器、旋转变压器或测速发电机等机械式传感器获取。但传感器增加了系统的成本和复杂性,给维护增加了难度,降低了驱动系统的可靠性。为此,许多学者开展了无机械式传感器永磁同步电机控制系统的研究。到目前为止,提出了多种估算转子位置和转速的方法1,2。传统的无速度传感器控制方法,如常用的电压模型法等,大多都是基于反电动势的估算方法。这些方法有一个共同的问题是,转子位置和速度估计的精度跟反电势的幅值密切相关,在低速或零速时会因反电势过小而根本无法检测。另外,这些方法要利用基波电压和电流信号来计算转子位置和速度,因此对电机参数变化很敏感,鲁棒性差1。为了解决低

6、速位置估计不准的问题,模型参考自适应3,高频注入等方法被相继提出并应用于永磁同步电机的控制中4。其中高频注入是基于转子凸极跟踪的原理,基本思想是注入一个额外的电压或电流激励信号,通过检测相应的响应信号以确定转子的凸极位置,从而实现对转子位11 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 电气传动2007年第37卷第3期高频信号注入无速度传感器永磁同步电机控制系统置和速度的估计,这种方法包括旋转高频电压信号注入法5和脉振高频电压信号注入法6。文献7对旋转高频信号注入法作了详细

7、介绍,其主要用于凸极率较大的内埋式永磁同步电机的转子位置速度检测;脉振高频信号注入法可以检测凸极率很小的、甚至隐极型的表面贴式永磁同步电机的转子位置,文献1,8分别对这种方法的原理作了介绍,但没有给出具体的实现细节,因此本文先简单介绍一下脉振高频电压信号注入法基本原理,然后对具体的实现细节作了详细说明,并给出了基于Matlab7.0.4/Simulink平台的仿真结果。参考坐标系下的定子d,q轴电流高频分量。定义rrZavg(Zdh+Zqh)/2Zdiff(Zrdh-Zrqh)/2(5)式中:Zavg为d,q轴平均高频阻抗;Zdiff为d,q轴半差高频阻抗。在估计转速同步参考坐标系下的定子d轴

8、注入脉振的高频电压信号为rvdsh=Vinjsinht(6)rvqsh=0由式(4)可得r(Zavg-Zdiffcos2idsh=r)rrZdhZqh(7)r(-Zdiffsin2iqsh=r)rrZdhZqh2脉振高频电压信号注入法当注入的高频电压信号的频率远远高于永磁同步电机的转速时,可以把电机看作一个简单的R-L负载,高频电压电流方程可表示为rrrvdsh=rdhidsh+Ldhidshdt(1)rrrvqsh=rqhiqsh+Lqhiqshdt式中:vrdsh,vrqsh为实际转速同步参考坐标系下的定子d,q轴电压高频分量;irdsh,irqsh,步参考坐标系下的定子d,q;rdh,r

9、qhd,q轴高频电阻;h下的定子d,q在稳态下,(1)可以表示为rrrrvdsh=(rdh+jhLdh)idshZdhidsh(2)rrrrvqsh=(rqh+jhLqh)iqshZqhiqsh式中:Zrdh,Zrqh分别为d,q轴高频阻抗;h为注入的高频电压信号的频率,rad/s。如果定义转子位置误差rrr-(3)从式(7)可以看出,当d轴与q轴高频电抗不相等,即Zdiff0时,d,q。,q轴高频电流,可以把q轴高频电流分,通过一定的,就能获得转子的位置和速度。3基于高频信号注入的控制策略在稳态下,忽略电机定子线圈d,q轴之间的高频电阻的差异,q轴电流高频分量可以表示为iqsh=r(Ldif

10、fcosht)hLdhLqh(8)其中Ldiff=(Ldh-Lqh)/2r由式(8)可见,iqsh不仅与有关,还与cosht有关,是一个随时间变化的量,若对q轴高频电流分量进行调制后经过一带阻滤波器(陷波频率为式中:,r分别为实际转子位置和估计的转子r位置。在估计转速同步参考坐标系下,高频电压和电流信号的关系可以表示为idshiqshrr2相关的表h),即可得到只与转子位置估计误差达式,即:irBSF(iqshcosht)r=BSF=BSF=cosrsinr-sinr1/zrdhvdshvqshrr(Ldiffcosht)coshthLdhLqh(Ldiff)2hLdhLqh01/zrqcos

11、sinrcoscosr-sinrrr(4)sin2r2hLdhLqh式中:vdsh,vqsh为估计转速同步参考坐标系下的定rr子d,q轴电压高频分量;idsh,iqsh为估计转速同步rKerrrhLdhLqh(9)当转子位置估计的误差足够小时,sin2r12 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 高频信号注入无速度传感器永磁同步电机控制系统电气传动2007年第37卷第3期2,ir与转子位置估计误差成正比。如果能够通过一定的方法把q轴电流高频分量的处理信号ir调节为零,

12、转子位置估计误差就为零,估计的转子位置即为转子的真实位置。转子位置的跟踪和速度的估计有两种策略,一种为采用bang-bang控制器的方法,一种为采用PI调节器的方法,当LdhLqh时,Kerr0,跟踪策略框图如图1、图2所示。以快速变化,在高速区间缓慢变化,这样做降低了电机在高速区间的响应速度,但稳定性大大提高。LPFs为两个低通滤波器;BPF,BSF和LPF分别为带通滤波器、带阻滤波器和低通滤波器,与PI调节器和积分器组成转子位置速度估计器。整个系统组成一个闭环控制,调节好适当的比例积分系数,可以精确地估计出电机转子的位置和速度。仿真中所用的电机参数如表1所示。表1永磁同步电机仿真参数电机参

13、数直流母线电压Vdc/V参数值3003.11253750070.18480.45110-32图1采用bang-bang控制器的转子位置速度估计器额定电流IN/A额定频率fN/Hz额定转速n/rmin-1额定转矩T/Nm图2采用PI调节器的转子位置速度估计器定子电阻r/d轴电感Ld/Hq/4仿真结果为了检验这种方法的控制性能,在Matlab7.0.1的Simulink为例进行了仿真实验,PI(法,但在电机高速运行,当负载或速度指令变化太快时,系统容易失去稳定,在不同的速度区间bang-bang控制器的参数不容易整定,并难以统一。因此为了扩大电机正常运行的范围,本系统采用PI调节

14、器的方法来跟踪转子位置和估计转速。采用idref=0的控制策略,整个控制系统采用标幺值,结构框图如图3所示。图3中ref为经过速度ref为速度给定指令,指令处理模块调整后速度给定指令,这是为了提高系统的稳定性,使速度给定指令在低速区间可r/J/kgm2极对数p电机的额定频率为125Hz,逆变桥的开关频率为10kHz,系统的采样频率为20kHz,注入1500Hz的高频电压信号,幅值为额定基波幅值的0.1倍,两个低通滤波器(LPFs)的通带上限截止频率设为1Hz,阻带下限截止频率设为10Hz;带通滤波器(BPF)的通带下限截止频率为1400Hz,通带上限截止频率为1600Hz;带阻滤波器(BSF)

15、的通带下限截止频率为2980Hz,通带上限截止频率为3020Hz;低通滤波器(LPF)的通带上限截止频率设为80Hz。这种高频信号注入法对PI参数尤其是对转子位置速度估计器中的PI调节器的比例积分系数非常敏感,若参数整定不当,当速度指令或负载突然变化时,系统会无法正常运行。因此,比例积分系数的整定是本系统成功的关键。当永磁同步电机在高速区运行时,转子位置和速度估计误差的变化会给系统带来很大的影响,估计误差变化太大将造成系统长时间的振荡,严重情况下,系统发散。此时,PI参数须给得比较小,以牺牲响应速度来提高系统稳定性;在低速区运行时,系统的稳定性对估计误差变化的敏感图3基于高频信号注入的无传感器

16、控制系统结构框图程度大大降低,此时,可以把PI参数稍微增加来13 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 电气传动2007年第37卷第3期高频信号注入无速度传感器永磁同步电机控制系统提高系统的响应速度。但PI参数大得太多,会使低速时的电机位置速度估计相对误差变大。因此,转子位置速度估计器中的PI调节器的参数可以根据实际应用的要求进行整定,并注意要与速度PI调节器中的PI参数相配合。图4给出了永磁同步电机空载启动至额定转速(3750r/min)时的转子速度和位置估计的仿真

17、情况;图5、图6分别为电机在额定转速(3750r/min)和0.001倍额定转速(3.75r/min)时突加和突减额定负载(1.7Nm)过程中的电机转子速度位置估计的仿真情况,在0.2s突加额定负载,在0.5s时突然减掉额定负载。图6001,整个系统有非常好的。在稳态情况下,速度估计没有静差,而位置估计存在静差,电机转速越低,静差越小,额定转速时的位置估计静差为0.029rad,低速时几乎为零。另外,高频信号的注入对电机的输出转矩有一定的影响,注入的高频信号幅值越大,影响越大,本系统中,在额定转速1.7Nm的负载转矩时,转矩脉动在0.06Nm以内。图4空载启动至额定转速时转子速度和位置估计的仿

18、真曲线5结论本文对基于脉振高频电压信号注入法的无速度传感器永磁同步电机矢量控制系统进行了仿真研究。仿真结果表明,这种方法能够在全速范围内有效地估计内埋式永磁同步电机的转子位置和速度。对于凸极率很小甚至隐极型的表面贴式永磁同步电机,由于其d轴永磁体的影响,当定子线圈中的电流大到一定程度时,其高频阻抗会表现出凸极效应,因此这种方法也可用于表面贴式永磁同步电机的转子位置和速度估计。尽管这种方法应用起来较复杂,计算量大。但随着微处理器的快速发展,一些运算速度快、精度高的DSP陆续出现,这种方法会逐步得到实际应用。(下转第25页)图5额定转速时突加和突减额定负载过程中的转子速度位置估计的仿真曲线14 1

19、994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 可有效降低共模电压的矩阵变换器调制方法研究电气传动2007年第37卷第3期图5a为双电压合成法优化前的共模电压波形,最大值为220V,为输入相电压幅值。图5b为优化后的共模电压波形,最大值为127V,为输入相电压幅值的3倍。仿真结果与理论分析一致,验证了该优化方法能够有效抑制共模电压的最大值,表明了理论分析的正确性和有效性。参考文献1AlesinaA,VenturiniM.Solid2statePowerConversion:AFo

20、urierAnalysisApproachtoGeneralizedTransformerSynthesisJ.IEEETrans.onCircuitandSystem,1981,28(4):3193302HuberL,BorojevicD.SpaceVectorModulatedThree2phasetoThree2phaseMatrixConverterwithInputPowerFactorCorrectionJ.IEEETrans.onIndus2tryApplications,1995,31(6):123412463WatanabeE,IshiiS,YamamotoEetal.Hig

21、hPer2formanceMotorDriveUsingMatrixConverterA.(a)优化前AdvancesinInductionMotorControl,IEESeminarC,London,UK:2000,7/17/64HanJuCha,EnjetiPN.AnApproachtoReduceCommonModeVoltageinMatrixConverterJ.IEEETrans.onIndustrialApplicatiobs,2003,39(4):11511159(b)优化后5,陈希有.图5优化前后共模电压波形J,2004,24(12):,沈涛等.用于抑制矩阵变换器共模电6结

22、语,应的输入相42%,值不受影响。通过调整开关顺序,使一个开关周期内的换流次数保持8次不变。仿真结果验证了结论的正确性。(上接第14页)参考文献1JangJi2Hoon,SulSeung2Ki,HaJung2Iketal.Sensor2lessDriveofSurface2mountedPermanent2magnetMo2torbyHigh2frequenceSignalInjectionBasedonMag2neticSaliency.IEEETransactionsonIndustryAppli2cations,2003,39(4):103110392李永东.交流电机数字控制系统.北京:机械工业出版压的零输出换相策略J.中国电机工程学报,2005,25(3):