基于脈振高頻電壓注入的對轉永磁同步電機無位置傳感器控制

徐海珠, 謝順依, 崔維開, 王松林

?

基于脈振高頻電壓注入的對轉永磁同步電機無位置傳感器控制

徐海珠1, 謝順依1, 崔維開2, 王松林1

(1. 海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033; 2. 中國人民解放軍92910部隊監修室, 浙江 舟山, 315834)

為了簡化對轉永磁同步電機(PMSM)的結構, 提高其工作性能, 研究了該種電機的無位置傳感器控制技術。結合面貼式對轉PMSM的性質, 建立了其數學模型, 利用電機穩態時雙轉子轉速相等的特點, 提出了一種基于高頻脈振電壓信號注入的轉速估算方法。設計了轉速跟蹤觀測器, 建立了對轉PMSM的仿真模型和無位置傳感器矢量控制系統。仿真結果與理論分析相吻合, 表明該系統可使面貼式對轉PMSM在全速域內實現無位置傳感器控制, 系統跟蹤準確, 響應迅速, 魯棒性強。

對轉永磁同步電機; 無位置傳感器控制; 全速域; 高頻脈振電壓; 矢量控制

0 引言

對轉永磁同步電機(permanent magnet synchronous motor, PMSM)[1]功率密度高、轉矩脈動小, 有2個機械輸出端口, 無陀螺效應, 可直接驅動對轉螺旋槳推進系統, 在魚雷和無人水下航行器等水下電力推進領域有廣泛的應用前景。

對轉PMSM由一個定子和內外2個轉子組成, 如圖1所示。外轉子的內表面和內轉子的外表面安裝徑向磁化的稀土永磁體。定子內外兩側安裝螺線管繞組, 繞組端部比常規電機大幅縮短, 因而功率密度和效率大幅提高[2]。電樞內外兩層繞組的相序相反[3], 因而在2層氣隙中產生等大而反向旋轉的磁場。

圖1 對轉PMSM結構

文獻[1]研究了雙轉子PMSM的基本結構和繞組設計方法。文獻[3]探討了對轉PMSM的電磁模型和工作原理。但已有文獻中關于對轉PMSM控制策略的研究很少, 特別是當推進器受到擾動時, 兩轉子轉速發生差異, 電機發生陀螺效應, 限制了其在精密航行器上的應用。因此, 研究該電機的控制策略, 消除電機的陀螺效應, 對水下電力推進具有重要意義。

1 無位置傳感器控制技術

傳統高性能控制系統中, 為了實現精確控制, 通常需要在轉子軸上安裝機械傳感器以檢測位置[4], 使電機增加了體積、成本和復雜度, 降低了可靠性。對轉PMSM至少需要6套霍爾傳感器和6個饋電環才能得到轉子的準確位置, 大幅增加了結構復雜度。為克服機械式傳感器帶來的缺陷, 學者們開展了無位置傳感器系統的研究[5]。

因為脈振高頻電壓注入法能檢測面貼式PMSM的飽和凸極, 本文針對對轉PMSM穩態時雙轉子速度相等的特點, 設計了一種基于高頻脈振電壓注入的轉子位置檢測方法, 可在全速域內完成對轉PMSM的無位置傳感器控制, 同時實現雙轉子的轉速跟隨。

2 脈振高頻電壓注入原理

脈振高頻電壓注入法是在估計的旋轉坐標系橫軸上注入高頻正弦電壓信號, 使電機呈現一定的飽和凸極性, 可從響應電流中提取轉子位置信息[6]。

高頻脈振電壓頻率ω遠大于電機供電頻率ω, 故電機的阻抗主要取決于自感, 磁鏈方程可簡化為

在預測坐標系上, 定義內轉子轉速估計誤差Δ11-1, 外轉子轉速估計誤差Δ22-2。

設內電機平均電感L=(L1+L1)/2, 半差電感Δ1=(L1-L1)/2, 轉子位置電角度1; 外電機平均電感2=(L2+L2)/2, 半差電感2=(L2-L2)/2, 轉子位置電角度2。可得

在預測坐標系的軸上注入角頻率為ω, 幅值為V的高頻電壓信號, 即

對轉PMSM穩態時2個轉子轉速大小相等, 方向相反, 即2=-1,2=-1, 故Δ2=-Δ1, 聯立式(2)和式(3)可得高頻脈振電壓激勵下, 對轉PMSM的電流響應

分母中也包含和凸極有關的信息, 但相對于高頻電流其幅值可忽略不計, 因此有

因為電機存在飽和電感(Δ1, Δ2≠0),和軸高頻電流分量的幅值都與轉子位置估計誤差有關。當這個誤差降為零時,軸高頻電流降為零, 因而可以將軸高頻電流進行信號處理后作為轉速觀測器的輸入, 以此獲得轉子的速度。先對軸高頻電流進行幅值調制

采用低通濾波器(low pass filter, LPF)濾除二次諧波分量, 在Δ1很小時, 將直流分量線性化可得

因此可以通過調節KΔ1趨向零來獲得一定誤差的轉速。

3 無位置傳感器控制系統

3.1 電機仿真模型

將對轉PMSM分解為內電機和外電機[7](定子內側繞組和內轉子構成內電機, 定子外側繞組和外轉子構成外電機), 根據對轉PMSM的特性, 建立其仿真模型, 對2個轉子分別輸入不同的負載轉矩, 以探索電機的抗擾動特性, 電機的機械模型如圖2所示。

圖2 機械模型

3.2 轉速跟蹤觀測器

電樞中輸入脈振高頻電壓矢量后, 定子響應電流主要包括基頻電流、低次諧波電流、高頻響應電流、高頻脈沖寬度調制開關諧波電流。只有高頻響應電流含有位置信息, 調節比例積分(pro-portional integral, PI)參數將轉速誤差降為0, 即可得到所需的轉速信息。為了提取軸上高頻電流中的轉速信息, 可采用以下3個步驟。

1) 采用一個帶通濾波器提取在估計轉子速坐標系的高頻電流。

2) 采用乘法器提取軸高頻電流中與半差高頻電感有關的電流分量, 經LPF得到KΔ1。

3) 使用PI調節得到轉速1。

3.3 控制系統結構

對轉PMSM中, 內外電機的電樞串聯, 僅需要對定子電流進行控制, 就可以完成雙轉子轉速和轉矩的控制。矢量控制系統采用轉速、電流雙閉環控制, 其中電流環采用i=0模型。當電機受到擾動時, 2個轉子的轉速產生差異, 電機發生陀螺效應。系統對內外2個轉子采用相同的參考轉速, 分別進行PI調節; 同時采用外轉子位置角進行Park變換, 讓內轉子轉速跟隨外轉子轉速, 可以使擾動后2個轉子迅速恢復等速。

圖3為脈振高頻電壓注入法的原理, 其中帶通濾波器(band pass filter, BPF)和LPF, 連同PI調節器和積分器構成了轉速跟蹤觀測器。雙閉環控制下, 轉速估算值與實測值差異很小, 適當調節PI參數, 即可控制轉速誤差趨于零。

4 實驗系統及結果分析

實驗電機由空間矢量脈寬調制(space vector pulse width modulation, SVPWM)逆變器供電,以DSP TMS320LF2812為控制核心, 設置光電編碼器檢測實際轉速和位置, 以便與估算值進行比較。逆變器開關頻率為l0 kHz, 高頻電壓頻率為l kHz, 其幅值為基波幅值的20%。速度切換區為150~300 r/min。

圖3 脈振高頻電壓注入法原理

空載時電機起動到低速區100 r/min, 0.1 s時轉速指令階躍到切換區200 r/min, 0.2 s時轉速再次階躍到額定轉速1 000 r/min, 0.3 s時轉速指令降低到200 r/min。

圖4為內外轉子速度估計值。圖5為內外轉子速度測量值(縱坐標每格為400 r/min-1, 橫坐標每格為0.04 s), 圖4和圖5表明, 轉速實測值比估計值脈振大, 反應慢。圖6為內外轉子位置估算誤差(縱坐標每格為5°, 橫坐標每格為0.04 s), 圖6表明, 轉子位置估算誤差在允許范圍內。圖7為內外轉子的轉速差(縱坐標每格為2 r/min-1, 橫坐標每格為0.04 s), 圖7表明, 雙轉子的最大轉速差為額定轉速的0.5%。實驗表明, 這種基于脈振高頻電壓注入法和模型參考自適應法能在高低速時實現平滑切換, 且可維持雙轉子的等速。

圖4 內外轉子速度估計值

圖5 內外轉子速度測量值

圖6 內外轉子位置估算誤差

圖7 內外轉子轉速差

5 結束語

本文在面貼式對轉PMSM電樞中注入脈振高頻電壓, 設計轉速觀測器從高頻響應電流中估算轉速, 可以在全速域內實現無位置傳感器控制。系統結構簡單, 魯棒性強, 跟蹤精度高, 轉矩脈振小, 特別適合于凸極率較小的面貼式對轉PMSM。

[1] Zhang Feng-ge, Liu Guang-wei, Shen Yong-shan. Characteristic Study on a Novel PMSM with Opposite-rotation Dual Rotors[C]//IEEE International Conference on Electrical Machines and Systems, Seoul, Oct 2007: 805-809.

[2] Pavani Gottipati. Comparative Study of Double Rotor Permanent Magnet Brushless Motors with Cylindrical and Disc Type Slot-less Stator[D]. Louisiana State University, Baton Rouge, August 2007.

[3] Chen Jin-hua, Zhang Feng-ge. Design and Finite Element Analysis on a Novel PMSM with Anti-rotation Dual Rotors[C]//IEEE Proceedings on Automation and Logistics, Shenyang, China, Aug 2009: 315-318.

[4] 張梅, 何國慶, 趙海翔. 直驅式永磁同步風力發電機組的建模與仿真[J]. 中國電力, 2008, 41(6): 79-84. Zhang Mei, He Guo-qing, Zhao Hai-xiang. Modeling and Dynamic Simulations of a Direct Driven Permanent Magnet Synchronous Generator Based Wind Turbine Unit[J]. Chinese Electric Power, 2008, 41(6):79-84.

[5] 田明秀, 王麗梅, 鄭建芬. 永磁同步電機無傳感器轉速和位置控制方案[J]. 沈陽工業大學學報, 2005, 27(5): 518- 521. Tian Ming-xiu, Wang Li-mei, Zheng Jian-fen. Sensorless Position and Speed Control Scheme for Permanent Magnet Synchronous Motor Drives[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2005, 27(5): 518-521.

[6] 廖勇, 沈朗, 姚駿. 改進的面貼式永磁同步電機轉子初始位置檢測[J]. 電機與控制學報, 2009, 23(2): 203-208. Liao Yong, Shen Lang, Yao Jun. Initial Rotor Position Detection for Surface Mounted PMSM Based on Rotating High Frequency Signal Injection[J]. Electric Machines and Control, 2009, 23(2): 203-208.

[7] 郭希錚, 溫旭輝, 游小杰. 永磁型雙機械端口電機的電磁耦合分析[J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(21): 73-78. Guo Xi-zheng, Wen Xu-hui, You Xiao-jie. Electromagnetic Coupling Analysis of Permanent Magnet Dual Mechanical Port Machine[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(21): 73-78.

Non-position-sensor Control for Counter-rotating PMSM Based on High Frequency Voltage Pulse Injection

XU Hai-zhu1, XIE Shun-yi1, CUI Wei-kai2, WANG Song-lin1

(1. Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Repair Monitoring Office of 92910thUnit, The People′s Liberation Army of China, Zhoushan 315834, China)

To simplify the configuration of counter-rotating permanent magnet synchronous motor(PMSM) and improve its working performance, a non-position-sensor control technique for counter-rotating PMSM is studied. A mathematic model for counter-rotating PMSM is deduced according to the character of surface-mounted PMSM. A speed estimation method is proposed based on high frequency voltage pulse injection according to equal speed of inner and outer rotors in steady state. Moreover, a speed tracking observer is designed, and both simulation model and non-position-sensor control system of counter-rotating PMSM are established. Simulation results agree well with theoretical analysis, which verifies that the proposed strategy is competent for non-position-sensor control of surface-mounted PMSM in full speed scope with accurate tracking performance, high robustness and quick response.

counter-rotating permanent magnet synchronous motor(PMSM); non-position-sensor control; all speed scope; high frequency voltage pulse; vector control

TJ630.32; TM 351

A

1673-1948(2012)04-0290-05

2012-03-26;

2012-04-20.

國家自然科學基金項目(51137005); 部級國防科技預研基金項目(4010601020101).

徐海珠(1983-), 男, 在讀博士, 研究方向為水下電力推進與電機控制.

(責任編輯: 陳 曦)