永磁同步電機變頻控制器位置預估及實現方法

劉學鵬，郝曉紅，張東升

(1.中山職業技術學院機械工程系，廣東中山528404;2.華南理工大學自動化學院，廣東廣州510641;3.成都電子科技大學機電學院，四川成都610054;4.西安交通大學機械工程學院，陜西西安710049)

永磁同步電機的變頻控制是電機行業的一個難點，盡管國內外已有一定的研究基礎和產品，但是從行業角度和實踐來看，這一技術本身的發展還遠遠不能滿足實際生產的需要，尚未形成一個比較系統而實用的體系。因此，開展永磁同步電機變頻控制研究和產業化技術仍是當前變頻行業發展的一個重要研究內容。

變頻控制的核心在于保障高低頻下反饋信號推導出精確的轉子位置關聯因素。低頻下，同步電機電流和電壓變化量小，國內外的很多學者和工程師針對基于微小信號的電機位置預估進行了研究，提出神經網絡、小波分析等現代手段，取得了一定的成果［1－6］，但是這些技術具有計算量龐大、計算手段復雜、難以產生實際應用的缺點。現有的變頻器在快速變頻的過程中，具有負荷不穩定、噪聲大、耗能大的缺點。

作者提出了一種能夠迅速穩定工況、負荷穩定、耗能低、噪聲小的基于電信號的永磁電機變頻控制器位置預估及實現方法。

1 永磁同步電機模型

對于由PMSM組成的變頻調速系統來說，采用定向磁場調節技術 (用固定于轉子的參考坐標即旋轉坐標系來描述和分析它們的穩態和動態性能)是十分方便的。取永磁體磁場的方向為d軸，順著旋轉方向超前d軸電角度90°的為q軸，轉子參考坐標的旋轉速度即為轉軸速度［1－2］，dq軸系隨同轉子以角頻率ω一道旋轉，可得到永磁同步電機在轉子同步旋轉坐標系dq下的數學模型為:

式中:id，iq分別為d軸和q軸的定子電流;Vd，Vq分別為d軸和q軸的端電壓;φa為磁通量;R為定子電阻;Ld，Lq分別為d軸和q軸的自感;p為微分因子;Pn為電機極對數。

2 位置預估

根據低通濾波模塊輸出的兩相電流信號和同步電機模型，得出電流預估方程:

其中:iγ(n)為預估坐標系γ－δ下γ軸的預估電流值;iδ(n)為預估坐標系γ－δ下δ軸的預估電流值;iγ(n-1)為預估坐標系γ－δ下γ軸的當前電流值;iδ(n-1)為預估坐標系γ－δ下δ軸的當前電流值;R為電機電阻;T為采樣周期;˙θM為當前轉子角速度;eM為當前旋轉電動勢;Ld為隨動坐標系d－q下d軸電感值;Lq為隨動坐標系d－q下q軸電感值。

轉子位置預估示意圖見圖1。根據電流預估模塊中的電流預估方程推導出轉子位置角預估方程:

其中:eM(n)為預估旋轉電動勢;eM(n-1)為當前旋轉電動勢;Δiγ(n)為預估坐標系γ－δ下γ軸的預估電流變化值;Δiδ(n)為預估坐標系γ－δ下δ軸的預估電流變化值;θM(n)為γ－δ坐標軸下的預估轉子位置角為預估坐標系γ－δ下的當前轉子角速度;Ke、Km為可調參數。

圖1 位置預估

得到上述預估轉子位置角，從而實現下一時間段永磁電機轉子位置的預估。

3 控制器功能模塊

圖2是功能模塊控制圖。轉子位置預估模塊將電機轉動的全頻段分為多個頻率段，在每個頻段內，可調參數Ke、Km都有對應的一組值，實現全頻段參數調節。

圖2 功能模塊圖

上位機或系統要求頻率值設定模塊可以根據負荷大小要求設定電機轉動頻率。

最大轉矩和功率模塊內設定有頻率閾值，它連接在轉子位置判定模塊的轉子位置預估模塊與二相到三相變換模塊之間，同時與上位機或系統要求頻率值設定模塊連接。

最大轉矩和功率模塊根據上位機或系統要求頻率值設定模塊輸入的頻率來進行選擇輸出，當上位機或系統要求頻率值設定模塊設定的轉動頻率小于該頻率閾值時，最大轉矩和功率模塊輸出最大轉矩來控制永磁電機;當上位機或系統要求頻率值設定模塊設定的轉動頻率大于該頻率閾值時，最大轉矩和功率模塊輸出最大頻率來控制永磁電機。

為了保護永磁電機，在故障排除和軟件過濾模塊和智能功率模塊的功率模塊火線之間還設有過濾電路，過濾電路將從智能功率模塊的火線腳采集的母線電壓進行監控，避免出現過壓和欠壓情況，過濾電路采用數字低通濾波。

4 結論

實驗機具體參數為:d軸感抗為5.6 mH，q軸感抗為9.1 mH，電阻為0.7 Ω，磁通量為0.862 Wb，慣性量為 6.85×10－4kg·m2。實驗的條件為:環境溫度為10℃，電壓采用市電220 V交流電源，負荷為1.2 N·m。工況穩定后連續運行1 h。圖3是運行圖，可以看出運行平穩。

圖3 運行圖

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