基于PSIM的新型電流源PMSM變頻調速研究

吳起行等

摘要： 車用大功率PMSM變頻調速系統，由于行駛環境因素的影響，依靠霍爾傳感器或光電編碼器進行轉速測量的可靠性不高，而無位置傳感器技術能較好地解決這一問題。此外，傳統的電壓源逆變器不適合大功率變頻調速，而反阻斷IGBT器件不斷降低的成本使電流源逆變器的應用成為趨勢。現基于Powersim公司開發的PSIM軟件，對采用自適應積分法進行轉速和轉子位置估算的新型電流源PMSM變頻調速系統進行仿真研究。

Abstract： The reliability of large power PMSM variable frequency speed-regulation system in the field of electric vehicles is not high by using Hall Sensor or Photoelectric Encoder to feedback the rotor speed， because of the complex driving environment. And sensor-less vector control technology is a better solution to this problem. In addition， conventional voltage source inverter is not suitable for large power PMSM drive， and the application of current source inverter will become a trend with the reduction of RB-IGBT devices' production costs. Now the new current source PMSM variable frequency speed-regulation system which uses Adaptive Integral Algorithm to estimate speed and rotor position is simulated with PSIM software which is developed by Powersim Inc.

關鍵詞： 自適應積分法；CSI；SVPWM；PSIM

Key words： Adaptive Integral Algorithm；CSI；SVPWM；PSIM

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）28-0038-02

0 引言

由于車輛行駛及車體內部復雜環境因素的影響，依靠霍爾傳感器或光電編碼器進行閉環調速可靠性不高。而無位置傳感器技術能很好地解決這一問題。目前，無位置傳感器估算方法包括反電動勢積分法，滑模觀測器法等[1]。其中，反電動勢積分法適用的轉速范圍較寬，穩態與動態性能良好，特別適用于PMSM的閉環矢量控制。本文將自適應積分[2]的改進方法應用于電流源PMSM變頻調速系統中，并使用PSIM軟件進行系統仿真研究。

1 無位置傳感器技術

1.1 基于電壓平衡方程的反電動勢積分法

對于PMSM，其定子磁鏈幅值ψs，轉角θs為：

由此就可通過測量定子電壓與電流，并進行積分運算，來估計轉子位置及轉速。

1.2 自適應積分法

但在控制算法設計時，如只采用積分器進行反電動勢積分，會存在直流偏移量。部分文獻中，使用一階低通濾波器代替積分器來消除該偏移[1]，但又會造成定子磁鏈和轉子位置估計誤差。為此，引入PI自適應環節作為改進，既消除了直流偏移，又對定子磁鏈和轉子位置的估算誤差進行適當補償，是PMSM無位置傳感器調速的一種高性能算法。

圖1中PI調節器以正交誤差比上磁鏈幅值得到的相對值作為輸入對磁鏈補償值ψcmp大小進行調節。

2 電流源PMSM無位置傳感器變頻調速系統

電流源變頻調速系統以反阻斷IGBT[3]作為開關器件，采用二邏輯開關狀態，因系統對直流母線電流的直接控制，其輸出交流電流品質更優。

本電流源變頻調速系統以表面式PMSM為控制對象，采用isd=0的空間電流矢量控制，并對交流測并聯電容效應進行補償[4]。系統直流母線電流控制采用最小電流命令產生法[5]，而轉角及轉速則采用自適應積分法進行估測。

3 PSIM仿真實驗

PSIM功能模塊多種多樣，且算法高效，是一款電力電子及電機拖動領域的理想仿真分析軟件。

現使用PSIM分析電流源PMSM無位置傳感器變頻調速系統，直流側電壓源50V，直流母線電感7.5mH，三相8極的表面式PMSM。

由圖2仿真波形可知，該電流源PMSM變頻調速系統使用自適應積分法代替轉子位置傳感器，成功估測轉子位置及轉速，并實現整體系統的穩定運行。

4 結語

本文使用PSIM軟件對采用自適應積分法的電流源PMSM變頻調速系統進行了仿真分析，該方法既消除了傳統反電動勢積分法的直流偏移，又將定子磁鏈和轉子位置的估算誤差降到合理范圍，從而說明了該方法的優越性，同時也驗證了電流源變頻調速系統進入電動汽車市場的可行性。

參考文獻：

[1]李永東，朱吳.永磁同步電機無速度傳感器控制綜述[J].電氣傳動，2009，39（9）：3-10.

[2]Rasmussen H， Vadstrup R， Borsting H. Adaptive Observer for Speed Sensorless PM Motor Control[c]// Conf. Rec. of the 38th Industry Applications Conference， IAS， 2003， 1： 599-603.

[3]Li Zhang， Kai Sun， and Lipei Huang. Comparison of RB-IGBT and normal IGBT in T-type three-level inverter [C]// 15th European Conference， Power Electronics and Applications （EPE）. Lille： IEEE，2013：1-7.

[4]徐德鴻.電力電子系統建模及控制[M].1版.北京：機械工業出版社，2013：95-179.

[5]Al-nabi E， Wu Bin， Dai Jingya et al. High power CSI-fed IPM drive system control with minimum dc-link current[C]// 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. Glendale， AZ： IEEE，2010： 857-863.endprint

摘要： 車用大功率PMSM變頻調速系統，由于行駛環境因素的影響，依靠霍爾傳感器或光電編碼器進行轉速測量的可靠性不高，而無位置傳感器技術能較好地解決這一問題。此外，傳統的電壓源逆變器不適合大功率變頻調速，而反阻斷IGBT器件不斷降低的成本使電流源逆變器的應用成為趨勢。現基于Powersim公司開發的PSIM軟件，對采用自適應積分法進行轉速和轉子位置估算的新型電流源PMSM變頻調速系統進行仿真研究。

Abstract： The reliability of large power PMSM variable frequency speed-regulation system in the field of electric vehicles is not high by using Hall Sensor or Photoelectric Encoder to feedback the rotor speed， because of the complex driving environment. And sensor-less vector control technology is a better solution to this problem. In addition， conventional voltage source inverter is not suitable for large power PMSM drive， and the application of current source inverter will become a trend with the reduction of RB-IGBT devices' production costs. Now the new current source PMSM variable frequency speed-regulation system which uses Adaptive Integral Algorithm to estimate speed and rotor position is simulated with PSIM software which is developed by Powersim Inc.

關鍵詞： 自適應積分法；CSI；SVPWM；PSIM

Key words： Adaptive Integral Algorithm；CSI；SVPWM；PSIM

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）28-0038-02

0 引言

由于車輛行駛及車體內部復雜環境因素的影響，依靠霍爾傳感器或光電編碼器進行閉環調速可靠性不高。而無位置傳感器技術能很好地解決這一問題。目前，無位置傳感器估算方法包括反電動勢積分法，滑模觀測器法等[1]。其中，反電動勢積分法適用的轉速范圍較寬，穩態與動態性能良好，特別適用于PMSM的閉環矢量控制。本文將自適應積分[2]的改進方法應用于電流源PMSM變頻調速系統中，并使用PSIM軟件進行系統仿真研究。

1 無位置傳感器技術

1.1 基于電壓平衡方程的反電動勢積分法

對于PMSM，其定子磁鏈幅值ψs，轉角θs為：

由此就可通過測量定子電壓與電流，并進行積分運算，來估計轉子位置及轉速。

1.2 自適應積分法

但在控制算法設計時，如只采用積分器進行反電動勢積分，會存在直流偏移量。部分文獻中，使用一階低通濾波器代替積分器來消除該偏移[1]，但又會造成定子磁鏈和轉子位置估計誤差。為此，引入PI自適應環節作為改進，既消除了直流偏移，又對定子磁鏈和轉子位置的估算誤差進行適當補償，是PMSM無位置傳感器調速的一種高性能算法。

圖1中PI調節器以正交誤差比上磁鏈幅值得到的相對值作為輸入對磁鏈補償值ψcmp大小進行調節。

2 電流源PMSM無位置傳感器變頻調速系統

電流源變頻調速系統以反阻斷IGBT[3]作為開關器件，采用二邏輯開關狀態，因系統對直流母線電流的直接控制，其輸出交流電流品質更優。

本電流源變頻調速系統以表面式PMSM為控制對象，采用isd=0的空間電流矢量控制，并對交流測并聯電容效應進行補償[4]。系統直流母線電流控制采用最小電流命令產生法[5]，而轉角及轉速則采用自適應積分法進行估測。

3 PSIM仿真實驗

PSIM功能模塊多種多樣，且算法高效，是一款電力電子及電機拖動領域的理想仿真分析軟件。

現使用PSIM分析電流源PMSM無位置傳感器變頻調速系統，直流側電壓源50V，直流母線電感7.5mH，三相8極的表面式PMSM。

由圖2仿真波形可知，該電流源PMSM變頻調速系統使用自適應積分法代替轉子位置傳感器，成功估測轉子位置及轉速，并實現整體系統的穩定運行。

4 結語

本文使用PSIM軟件對采用自適應積分法的電流源PMSM變頻調速系統進行了仿真分析，該方法既消除了傳統反電動勢積分法的直流偏移，又將定子磁鏈和轉子位置的估算誤差降到合理范圍，從而說明了該方法的優越性，同時也驗證了電流源變頻調速系統進入電動汽車市場的可行性。

參考文獻：

[1]李永東，朱吳.永磁同步電機無速度傳感器控制綜述[J].電氣傳動，2009，39（9）：3-10.

[2]Rasmussen H， Vadstrup R， Borsting H. Adaptive Observer for Speed Sensorless PM Motor Control[c]// Conf. Rec. of the 38th Industry Applications Conference， IAS， 2003， 1： 599-603.

[3]Li Zhang， Kai Sun， and Lipei Huang. Comparison of RB-IGBT and normal IGBT in T-type three-level inverter [C]// 15th European Conference， Power Electronics and Applications （EPE）. Lille： IEEE，2013：1-7.

[4]徐德鴻.電力電子系統建模及控制[M].1版.北京：機械工業出版社，2013：95-179.

[5]Al-nabi E， Wu Bin， Dai Jingya et al. High power CSI-fed IPM drive system control with minimum dc-link current[C]// 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. Glendale， AZ： IEEE，2010： 857-863.endprint

摘要： 車用大功率PMSM變頻調速系統，由于行駛環境因素的影響，依靠霍爾傳感器或光電編碼器進行轉速測量的可靠性不高，而無位置傳感器技術能較好地解決這一問題。此外，傳統的電壓源逆變器不適合大功率變頻調速，而反阻斷IGBT器件不斷降低的成本使電流源逆變器的應用成為趨勢?，F基于Powersim公司開發的PSIM軟件，對采用自適應積分法進行轉速和轉子位置估算的新型電流源PMSM變頻調速系統進行仿真研究。

Abstract： The reliability of large power PMSM variable frequency speed-regulation system in the field of electric vehicles is not high by using Hall Sensor or Photoelectric Encoder to feedback the rotor speed， because of the complex driving environment. And sensor-less vector control technology is a better solution to this problem. In addition， conventional voltage source inverter is not suitable for large power PMSM drive， and the application of current source inverter will become a trend with the reduction of RB-IGBT devices' production costs. Now the new current source PMSM variable frequency speed-regulation system which uses Adaptive Integral Algorithm to estimate speed and rotor position is simulated with PSIM software which is developed by Powersim Inc.

關鍵詞： 自適應積分法；CSI；SVPWM；PSIM

Key words： Adaptive Integral Algorithm；CSI；SVPWM；PSIM

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）28-0038-02

0 引言

由于車輛行駛及車體內部復雜環境因素的影響，依靠霍爾傳感器或光電編碼器進行閉環調速可靠性不高。而無位置傳感器技術能很好地解決這一問題。目前，無位置傳感器估算方法包括反電動勢積分法，滑模觀測器法等[1]。其中，反電動勢積分法適用的轉速范圍較寬，穩態與動態性能良好，特別適用于PMSM的閉環矢量控制。本文將自適應積分[2]的改進方法應用于電流源PMSM變頻調速系統中，并使用PSIM軟件進行系統仿真研究。

1 無位置傳感器技術

1.1 基于電壓平衡方程的反電動勢積分法

對于PMSM，其定子磁鏈幅值ψs，轉角θs為：

由此就可通過測量定子電壓與電流，并進行積分運算，來估計轉子位置及轉速。

1.2 自適應積分法

但在控制算法設計時，如只采用積分器進行反電動勢積分，會存在直流偏移量。部分文獻中，使用一階低通濾波器代替積分器來消除該偏移[1]，但又會造成定子磁鏈和轉子位置估計誤差。為此，引入PI自適應環節作為改進，既消除了直流偏移，又對定子磁鏈和轉子位置的估算誤差進行適當補償，是PMSM無位置傳感器調速的一種高性能算法。

圖1中PI調節器以正交誤差比上磁鏈幅值得到的相對值作為輸入對磁鏈補償值ψcmp大小進行調節。

2 電流源PMSM無位置傳感器變頻調速系統

電流源變頻調速系統以反阻斷IGBT[3]作為開關器件，采用二邏輯開關狀態，因系統對直流母線電流的直接控制，其輸出交流電流品質更優。

本電流源變頻調速系統以表面式PMSM為控制對象，采用isd=0的空間電流矢量控制，并對交流測并聯電容效應進行補償[4]。系統直流母線電流控制采用最小電流命令產生法[5]，而轉角及轉速則采用自適應積分法進行估測。

3 PSIM仿真實驗

PSIM功能模塊多種多樣，且算法高效，是一款電力電子及電機拖動領域的理想仿真分析軟件。

現使用PSIM分析電流源PMSM無位置傳感器變頻調速系統，直流側電壓源50V，直流母線電感7.5mH，三相8極的表面式PMSM。

由圖2仿真波形可知，該電流源PMSM變頻調速系統使用自適應積分法代替轉子位置傳感器，成功估測轉子位置及轉速，并實現整體系統的穩定運行。

4 結語

本文使用PSIM軟件對采用自適應積分法的電流源PMSM變頻調速系統進行了仿真分析，該方法既消除了傳統反電動勢積分法的直流偏移，又將定子磁鏈和轉子位置的估算誤差降到合理范圍，從而說明了該方法的優越性，同時也驗證了電流源變頻調速系統進入電動汽車市場的可行性。

參考文獻：

[1]李永東，朱吳.永磁同步電機無速度傳感器控制綜述[J].電氣傳動，2009，39（9）：3-10.

[2]Rasmussen H， Vadstrup R， Borsting H. Adaptive Observer for Speed Sensorless PM Motor Control[c]// Conf. Rec. of the 38th Industry Applications Conference， IAS， 2003， 1： 599-603.

[3]Li Zhang， Kai Sun， and Lipei Huang. Comparison of RB-IGBT and normal IGBT in T-type three-level inverter [C]// 15th European Conference， Power Electronics and Applications （EPE）. Lille： IEEE，2013：1-7.

[4]徐德鴻.電力電子系統建模及控制[M].1版.北京：機械工業出版社，2013：95-179.

[5]Al-nabi E， Wu Bin， Dai Jingya et al. High power CSI-fed IPM drive system control with minimum dc-link current[C]// 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. Glendale， AZ： IEEE，2010： 857-863.endprint