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瑞彩祥云

作者:王衛,陽鵬飛,陳瀚時間:2019-08-12來源:電子産品世界收藏

  王?衛,陽鵬飛,陳?瀚

本文引用地址:/article/201908/403620.htm

  (湖南工業大學?電氣與信息工程學院,湖南?株洲?412008)

  摘?要:對于在(PMSM)中調速範圍具有局限性,提出了一種結合滑膜觀測器法和的控制策略,實現(PMSM)在下的全速範圍控制。當PMSM處于中、高速範圍內時,采用滑膜觀測器法來估算轉子速度和位置;在零、低範圍內時,采用高頻信號注入法彌補的不足;當低速與中高速進行切換時,采用實現平穩過度。仿真結果表明:結合滑膜觀測器法和高頻注入法的混合模式能夠有效降低兩種算法進行切換時的抖動,能夠很好的實現在全速範圍內的平滑控制。

  關鍵詞:永磁同步電機;

  0 引言

  永磁同步电动机作为工业驱动领域的重要基础部件,具有可靠性高,体积小,效率高,节能,转矩相对低的优点。 随着電機控制技术的不断更新和傳感器技术的快速发展,要求PMSM的性能也需要更加稳定可靠。 然而,控制方法是提高永磁同步电动机性能的关键因素 [1] 。 因此,研究永磁同步电动机的控制方法具有重要的现实意义。

  永磁同步電動機的無傳感器控制策略是基于永磁同步電動機的基本模型對定子繞組的電壓和電流進行采樣,以實現轉子位置和轉速的估算,但這些方法只在一定的轉速範圍內適用,對于在全範圍內的無傳感器控制卻研究甚少 [2] 。

  针对上述存在的问题,提出了一种基于全程调速的永磁同步電機无傳感器控制策略。当PMSM以中速和高速运行时,滑动观察器用于跟踪和估计转子的位置和速度。当PMSM以低速运行时,使用高频信号注入方法来检测转子的位置和转速。 通过高频信号注入方法检测到的转子实际位置与理论预测位置非常接近,这对于提高系统的整体响应具有重要意义。

  1 在永磁同步電機中的应用

  1.1 数学模型建立的前提条件

  永磁同步電動機在啓動過程中會出現電磁感應現象。首先建立永磁同步電動機是數學模型,先設PMSM需滿足以下條件:

  1)氣隙磁場呈正弦分布,忽略諧波,三相繞組的空間相位爲120°角;

  2)忽略溫度和頻率變化對繞組影響;

  3)電機中的磁芯飽和磁滯損耗的影響忽略不計。

  1.2 滑膜观测器的数学模型

  PMSM在d、q靜止坐標系下的數學模型爲:

微信截图_20190813170631.png

  式中, u d 、 u 分别为d、q轴上的电压; i d 、 i q 分别为d、q轴上的电流; L d 、 L q 分別爲d、q軸上的電感;R s 爲定子電阻;ω e 爲轉子的電角速度;ψ f 爲永磁磁鏈。

  將式(1)經過PARK逆變換,可得數學模型爲:

微信截图_20190813170654.png

  其中,電機反電動式模型爲:

微信截图_20190813170714.png

  式中,u α 、u β 分别为电压在 α 、 β 轴的电压;i α 、i β 分别为电流在 α 、 β 轴的电流; e α 、 e β 分别为 α 、β 轴反电动势; θ e 爲轉子的電角度。

  則滑膜觀測器方程爲:

微信截图_20190813170728.png

  式中, i α 、 iβ —电流观测值; i α 、 i β—电流观测误差;K—滑膜系数;sign (x)可表示为:

微信截图_20190813170744.png

  定義滑膜切面爲s α ,當采用函數切換控制的滑膜變結構,則

微信截图_20190813170800.png

  当系统转换到滑膜状态时,则有 s(x)=0,d/dt*s(x)=0。经过有限的时间间隔, i α = 0 , i β= 0 ,令d/dt*i α(x)=0,d/dt* i β=0可得:

微信截图_20190813170817.png

  可得到轉子位置和轉速的估算值爲 [3-5] 

微信截图_20190813170834.png

  2 在永磁同步電機中的应用

  2.1 高頻電壓信號注入法原理

  高頻電壓信號控制系統 [6] 如圖1所示。在圖中,BPF是一個帶通濾波器(允許波在特定頻段通過)。系統的供電方式是通過PWM電壓源逆變器,這樣就不會重新調整系統的結構。高頻電壓信號直接注入PMSM的基波激勵,然後電機産生高頻電流信號,鎖相環方法用于處理産生的高頻信號得到位置轉子的信息 [7] 

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  其中, αβ 坐标系中, v αβ 代表电压矢量; i αβ 代表电流矢量;上标*代表给定量; ω r ω 表转子旋转角速度; θ代表转子位置角 [8] 

  2.2 永磁同步電機高频数学模型

  當注入高頻信號時,忽略PMSM的定子電阻和旋轉電壓和感應電動勢的影響 [9] 。則定子電壓方程爲:

微信截图_20190813170852.png

  高頻信號注入下的凸極PMSM的電壓方程爲:

微信截图_20190813170911.png

  当注入三相高频正弦电压信号后,PMSM内产生的空间电压矢量在 α 、 β 坐标系下产生的电压方程:

微信截图_20190813170926.png

  U i 为幅值; ω i 爲角頻率,並且ωi≥ωr高頻的響應電流方程,可表示爲:

微信截图_20190813170947.png

  通過外差法得到轉子信息的誤差信號:

微信截图_20190813171006.png

  3 混合策略在永磁同步電機中的应用

  3.1 基于低速到中高速控制系統設計

  基于低速到中高速控制系統設計框图如图2所示,在低速状态下采用高频电压注入法,中、高速状态下采用滑膜观测器法对转速和位置的准确估算。最后将以上两种方法混合处理,采取结合各自优势的复合控制方法是实现永磁同步電機全范围无传感度控制的有效途径 [10-11] 

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  其中SMC控制器是用來控制電機的啓動,加速模式下,閉環反饋系統中使電機以恒定的速率保持加速。使電機從低速平穩過渡到中、高速。

  針對這種情況,當采用混合模式時:電機運行在20%的額定轉速以下,切入高頻電壓注入法;在20%-40%的額定轉速之間,通過混合算法對高頻電壓注入法和滑膜觀測器法獲得轉子的位置和轉速估算值進行線性比例均值處理 [12] ;在40%的額定轉速以上,切掉高頻電壓注入法,只采用滑膜觀測器法進行估算;則轉子位置角可表示爲:

微信截图_20190813171027.png

  k ω 为瞬时速度对额定速度的百分比,当速度达到40%时,采用滑膜觀測法独立运行。

  4 仿真验证

  在SIMULINK中搭建仿真模型,把混合策略控制与滑膜觀測法、高頻電壓信號注入法分别做对比,验证混合策略的优越性,PMSM参数如表1所示。

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  图3为基于滑膜观测器控制的转速观测估计与实际转速响应曲线,从图中可以看出,系统控制策略的转速期望值为1000 r/min,在开始启动时,转速最大为1050 r/min,超调为5%,回归稳态的时间大致为0.025 s时。在0.2 s时加上1 N.m的负载,在0.21 s处重新达到稳态。

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  该种方法的转速观测估计曲线与实际转速曲线差值如图4,从图中可以看出,在开始启动时,其差值在0.01 s处达到最大为18 转。在大约0.2 s加入负载突变是位于0.21 s时差值较大,为大约为20 转,恢复时间使用大约为0.085 s。

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  從圖5中可知該種方法的位置觀測估計曲線與實際轉速曲線,可以看出位置的估計值和實際值的誤差趨近于零。

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  图6为基于高频信号注入法控制的转速观测估计与实际转速响应曲线,从图中可以看出,在开始启动时,转速最大为125 r/min,超调为25%,回归稳态的时间大致为0.025 s时。在0.2 s时加上1 N·m的负载,在0.21s处重新达到稳态。

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  這種方法的轉速觀測估計曲線與實際轉速曲線差值如圖7,可以看出轉速的估計值和實際值的誤差趨近于零。

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  从图8可知高频信号注入法所观测的转子位置估计值与实际值误差较小,最大时约为0.096 rad。

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  图9为混合控制策略下的转速观测估计与实际转速响应曲线,刚启动时,初始速度为100 r/min,0.13 s后开始进入混合估算模式,能够由低速平滑进入中高速区域。0.17 s后,电机能够稳定运行在1 000 r/min.运行到0.29 s后转速开始下降,在0.2 s时加上1 N·m的负载,在0.22 s处重新达平稳。整个仿真涵盖了低速到中速,高速到中速的运行状态过程,仿真结果可以验证PMSM全程无傳感器控制在混合控制策略下的效果。 可以看出,估计的转子位置与在混合策略下观察到的实际值之间的误差在一定范围内很小,并且可以始终保持高精度,鲁棒性良好。

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  图10为该种方法的转速观测估计与实际转速误差曲线,可以看出在电机刚起步时,差值在0.02 s最大达到35转。到达稳定状态经过大约为0.05 s,在混合控制策略下误差较小,整个输出转速波形呈现良好的收敛效果。

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  从图11可知此法所观测的转子位置估计值与实际值误差非常小,最大时约为0.25 rad。

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  5 结论

  本文通过对PMSM低速到中高速全速范围运行时的不同控制方法进行研究和分析,概括了PMSM的无傳感器控制系統的整体方案設計,详细介绍了高频信号注入法、滑0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4Times(s)

  -10010203040观测与实际转速误差 Nr(r/min)

  图10 转速观测估计与实际转速误差曲线0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4Times(s)

  -0.3-0.2-0.100.10.2转子位置估计值与实际值差值 (rad)

  图11 基于混合策略下控制的转子位置观测估计与实际值差值曲线膜观测法在永磁同步電機中的各自应用,分析了它们彼此的优势与缺点,提出了一种将高频信号注入法、滑膜觀測法相结合的混合控制方法。仿真结果表明,将高频信号注入法和滑膜观测器法有机的结合在一起,在電機控制中能很好的对转子位置和转速进行跟踪处理,与单独使用高频信号注入法、滑膜觀測法相比跟踪的速度快,并且在整个跟踪过程中,有很强的抗扰能力,鲁棒性较好,PMSM能够实现低速向高速稳定切换。

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  作者簡介:

  王衛(1995-),男,湖南工業大學碩士生,主要研究方向:電力電子與電力傳動。

  本文來源于科技期刊《電子産品世界》2019年第8期第74頁,歡迎您寫論文時引用,並注明出處




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