基于脉振高频信号注人法的永磁同步电机开环矢量控制

引言

永磁同步电机因具有效率高、结构紧凑、稳定性及鲁棒性好等优点 ,在很多领域可以取代直流电机。永磁同步电机的控制系统需要精确的转子位置来实现磁场矢量定向控制 ,现在大部分做法都是在电机上安装编码器来实时获取转子位置 。这些额外的传感器增加了系统的成本 , 同时也降低了系统的可靠性 。所以 ,如何实现永磁同步电机的开环矢量控制 ,是这个领域的一个研究热点。

传统的永磁同步电机开环矢量控制分为两类:基于反电动势估算方法和高频信号注入法 。高频信号注入法包括旋转高频电压信号注入法[l]和脉振高频电压信号注入法[2]。对于凸极特性较为明显的PMSM ,可利用电机凸极对高频电流的影响 ,采用旋转高频电压信号注入法 ,得出转子位置 ,进而计算速度信息 。而脉振高频电压信号注入法通常用于凸极性不明显的PMSM , 由于永磁体磁通的影响 , 定子铁芯在A轴处的绕组是饱和的 ,这种饱和使得面贴式永磁同步电机仍具有一 定的凸极性 。本文在详细介绍脉振高频电压信号注入法原理的基础上 ,通过仿真对其进行研究 ,并给出仿真结果。

1 脉振高频电压信号注入法

如果只考虑电压和电流的高频分量 , 以及电机电气频率与注入的高频电压信号频率相比足够小 , 高频电压信号频率又远小于PwM载波频率 ,永磁同步电机就可以看作是一个简单的阻感负载 , 电压方程可表示如下:

式中,gdshr和gqshr分别为转子定向的同步旋转坐标系的dr轴和Ar 轴高频电压分量:idshr和iqshr分别为dr轴和Ar轴高频电流分量::dhr 和:qhr分别为dr轴和Ar轴的高频阻抗。

定义估计转子速度坐标系d-A与实际转子速度坐标系dr-Ar之间的夹角为A9r, 即转子位置估计误差角为:

其中r为估计的转子位置 ,则在估计转子速度坐标系d-A中有:

高频电压分量:idsh、iqsh分别为估计转子速度坐标系中的d轴和g轴高频电流分量。

估计转子坐标系与实际转子坐标系的关系如图1所示。

在估计转子速度坐标系的d轴注入高频电压信号为:

在估计转子速度坐标系中 ,d 和g 轴上的高频电流分量都与估计转子位置的误差Aor有关 ,并且当估计的转子位置接近于真实的转子位置时 ,g 轴上的高频电流分量几乎为零 , 因此可以考虑把g轴上的高频电流分量进行相应处理以得到转子位置估计器的输入信号。再实施一定的调节策略 ,就可得到

转子位置和转速。

2 高频电压信号注入法的控制策略

由于高频电阻相对于高频感抗来说很小 ,可以忽略不计 ,g轴上的高频电流分量可以写为:

由式(5)可以看出 , 高频电流iqsh不仅与Aor有关 ,而且与 cos业ht也有关。经过如图2的处理过程即可得到只与转子估计误差Aor有关的表达式 。 图中 ,BPF为带通滤波器 ,用于提取估

计转子速度坐标系中g轴上的高频电流iqsh:乘法器用于将输入信号调制成高频和低频分量 ,其中低频分量包含转子估计误差信息:低通滤波器LPF用于滤除输入信号中的高频分量 ,从而得到只与转子估计误差Aor有关的表达式。

3 仿真结果及分析

基于脉振高频电压注入法的无传感器PMSM矢量控制的系统框图如图3所示 。通过控制g轴电流iqs来控制输出的电磁转矩 , 电流控制器和速度控制器均采用PI调节器。仿真中注入的高频电压频率为1 500 Hz ,幅值为基波幅值的20% 。在转子位置和速度估计器中所用到的带通滤波器BPF采用有源二阶滤波器 ,下限截止频率为l480 Hz,上限截止频率为1 520 Hz ,r带宽为40 Hz 。用于提取iAo的低通滤波器LPF采用简单的有源一 阶滤波器 ,截止频率为30 Hz。

图4是PMSM空载启动至1 500 r/min时转子位置估算值r 和转子位置估计误差Aor的仿真波形 。从图中可以看出 , 这种脉振高频电压信号注入法可实现PMSM开环矢量的运行 , 只是启动时误差较大:高速时转子估计误差会略有增大 ,但仍然在3o以内 ,可以正常运行。

4 结语

本文对基于脉振高频信号注入法无速度传感器的面贴式永磁同步电机矢量控制系统进行了仿真研究 , 结果表明 , 这种方法能在全速范围内有效实现永磁同步电机无传感器的运行。