UUV推進電機無位置傳感器控制方法研究*

潘元璋 趙龍龍

(91388部隊 湛江 524022)

UUV推進電機無位置傳感器控制方法研究*

潘元璋 趙龍龍

(91388部隊 湛江 524022)

永磁電機以其體積重量小,功率密度大的優勢廣泛作為水下無人航行器(UUV)的推進電機使用,無位置傳感器控制方法是永磁電動機調速系統的一個發展方向。論文剖析了已有的兩種典型直接估算方法,提出了一種的無位置傳感器控制方法。通過計算出定子磁鏈矢量角位移與轉矩角,將后者從前者中減去得到轉子磁鏈矢量的角位移進而得到轉子速度信號,并采用改進積分器取代傳統的積分器,該技術能有效地改善磁鏈原點漂移,提高直接轉矩控制系統的磁鏈角位移與轉速的求解精度。仿真及實驗研究結果表明,這種無位置傳感器技術的永磁電動機調速系統,具有良好的調速控制性能。

無人水下航行器; 永磁電動機; 無位置傳感器

1 引言

水下無人航行器(UUV)廣泛采用永磁電機作為推進電機,其調速控制系統中,電動機的轉子位置是由傳感器、光電編碼器等測得。因受傳感器精度的限制,這種方式的調速精度難以得到保證,且由于傳感器的引入,增加了成本,降低了可靠性,并使永磁電動機體積無法進一步減小,限制了永磁電動機的應用,因此采用無位置傳感器技術就成為了永磁電動機調速系統的一個發展方向。無位置傳感器技術的發展大體上經歷了兩代[1],第一代采用無傳感器矢量控制技術的交流電動機調速精度不高,可以正常工作的調速范圍也有限,在低速時機械特性很軟且誤差變得很大。第二代無傳感器技術與先進的直接轉矩控制相結合,有更高的精度和更好的動態特性。本文剖析了兩種基于電磁關系的典型無傳感器直接估算方法,提出了一種新型的適用于直接轉矩控制的無位置傳感器技術。通過分別計算出定子磁鏈矢量角位移與轉矩角,將后者從前者中減去得到轉子磁鏈矢量的角位移進而得到轉子速度信號,并采用改進積分器取代傳統的積分器,該技術能有效地改善磁鏈原點漂移,提高直接轉矩控制系統的磁鏈角位移與轉速的求解精度。仿真及實驗驗證了該技術的可行性。

2 基于電磁關系的典型估算方法

永磁電機直接轉矩控制原理是[2]:在轉子磁鏈恒定的情況下,保持定子磁鏈幅值不變,通過控制定子磁鏈瞬時旋轉速度來動態調整轉矩角,使電機輸出轉矩跟蹤給定轉矩,達到調速控制目的。

在無傳感器直接轉矩控制系統中,永磁電動機既是執行元件,也是傳感元件,基于電機電磁關系的位置估算方法的關鍵就是根據測量得到的電動機電流、電壓信號來估計電動機轉速、轉子位置。

2.1 基于定子磁鏈的估算方法

PMSM在d-q坐標系下方程的矩陣形式為

(1)

坐標變換至靜止α-β坐標系下:

(2)

α軸和β軸定子磁鏈分量分別為

通過對轉子位置角求導,可得到轉速估算值:

(3)

該方法利用反電勢積分的方法來估計磁鏈,僅用到電機定子電阻參數,因而受電機參數影響小,但傳統積分器觀測方法存在積分初值問題,會造成觀測磁鏈的偏差,引起定子磁鏈和定子電流在復平面上的軌跡偏離原點,此問題在電機轉速低于20%額定轉速時尤其嚴重。

2.2 基于定子電壓、電流的直接估算方法

(4)

將式(4)代入式(1),可得:

由上式經推導得到轉子位置角:

(5)

式中,A=uα-Riα-Ldpia+ωiβ(Lq-Ld),B=-uβ+Riβ+Ldpiβ+ωiα(Lq-Ld)。

由此可見,轉子位置角θ可由定子端電壓、電流及轉子角速度ω來表示,對于表面式轉子結構的PMSM,有Ld=Lq=L,則ω可由下式得到:

(6)

式中,C=(uα-Riα-Lpiα)2+(uβ-Riβ-Lpiβ),D=ψf。

將上式求出的ω代入式(5),得轉子位置角θ。

該方法的特點是計算簡單,動態響應快,幾乎沒有什么延遲,但對電機參數的準確性要求比較高。由于電機參數隨其運行狀況變化而變化(例如溫度的升高),因而會導致轉速和位置的估算值偏離真實值。

3 無位置傳感器控制方法

上述兩種典型方法優點是直觀性強,從理論上講速度的計算沒有延時。但兩種方法在計算過程中都用到電機參數,而電機參數在實際運行過程中是變化的,如果沒有參數辨識環節,計算精度將受到嚴重影響,而且兩種方法缺少自身的誤差校正環節,難以保證系統的抗干擾性能,魯棒性較差。

基于定子磁鏈的估算方法,是通過反電勢積分得到定子磁鏈矢量,利用定子磁鏈矢量的分量關系得到轉子磁鏈矢量在某一時刻的角位移,該估算方法不可避免地存在以下問題[3]:

1) 定子磁鏈值是由定子反電勢經傳統積分器積分而來,使用傳統積分器會遇到直流分量造成的磁鏈軌跡原點漂移等問題,從而引起定子磁鏈觀測的偏差。

2) 轉子磁鏈矢量在某一時刻的角位移是利用定子磁鏈矢量的分量關系得到的,因此,定子磁鏈觀測準確與否,將直接影響轉子磁鏈矢量角位移的估算精度。

圖1為永磁電機定、轉子參考坐標下的磁鏈矢量關系圖。在無傳感器的永磁電機控制系統中,若先計算定子磁鏈矢量ψs的角位移∠ψs,再求得穩態運行時定、轉子磁鏈矢量之間的轉矩角δ,由∠ψs-δ得到轉子磁鏈矢量角位移θ,則可提高轉子位置和轉速估算準確度[4～5]。

圖1 磁鏈矢量示意圖

本文所提出的適用于直接轉矩控制的無位置傳感器技術,正是基于上述思路并采用一種幅值限定的改進積分器計算定子磁鏈,具體方法如下。

在靜止坐標系下的定子磁鏈可以被描述為

(7)

在逆變器每一個開關周期中,電壓矢量us都是不變化的,上式也可寫作

若定子電壓矢量在定子同步旋轉D-Q坐標系下的分量為uD和uQ,則D-Q坐標系下k時刻的定子磁鏈分量為

定子磁鏈、轉矩可分別由式(8)、(9)給出:

(8)

(9)

電機轉矩也可用磁鏈幅值的形式表示為

(10)

將每一時刻的磁鏈與電流值代入式(9),可計算出該時刻的T(k)的值,將求出的T(k)的值帶入式(10)可得到轉矩角δ(k),由式(8)可得到定子磁鏈矢量的空間角位移∠ψs(k)。由于定、轉子磁鏈矢量之間的夾角為轉矩角δ(k),那么轉子磁鏈矢量角位移可由∠ψs-δ求出,再經過微分環節就得到了轉子磁鏈矢量的速度信號,即

(11)

在定子磁鏈估算環節,本文采用一種幅值限定的改進積分器替代傳統積分器[6],得到的輸出波形是一個有限幅的正弦波,能較大地改善波形扭曲問題。

圖2為改進型積分器的原理,該積分器放大通路是一階慣性環節,另外由輸出引出一路反饋信號,經過限幅,對慣性環節帶來的幅值和相位誤差進行補償。實際上這種積分器相當于一個截至頻率可調的慣性環節。如果輸入為理想正弦,它的截止頻率就是0,如果輸入的誤差導致積分器的輸出發生漂移,這時反饋環節的飽和作用就體現出來,零漂越大,反饋作用越弱,積分器的截止頻率越大。

圖2 改進積分器框圖

4 仿真及實驗研究

為了驗證本文所提出的新型無傳感器技術的有效性,利用Matlab/Simulink對永磁電機直接轉矩調速系統進行建模仿真。圖3是系統仿真中使用改進積分器與傳統積分器的對比,仿真結果表明,改進積分器能有效抑制磁鏈計算中的累積誤差。圖4(a)是直接轉矩控制理想圓形磁鏈軌跡,圖4(b)反映了采用改進積分器對原點漂移的抑制。

圖3 磁鏈計算累積誤差的抑制

圖4 定子磁鏈軌跡及原點漂移的抑制

本文以1臺12kW,1500rpm表面貼磁式永磁電動機為對象,進行了直接轉矩控制調速控制系統實驗研究,取得了較好的動、靜態調速控制性能。

圖5為電機的轉速響應,圖中曲線1為從1000rpm階躍至1200rpm的給定轉速曲線,曲線2為系統的轉速響應曲線。圖6為實際轉速和估計轉速的比較,曲線1為估計轉速曲線,曲線2為利用碼盤實測速度曲線。可以看出,穩態時轉速估計較為精確,瞬態時轉速估計存在一定誤差,但能滿足系統調速控制的實際需要。

圖5 轉速響應曲線

圖6 實測轉速與估算轉速曲線

5 結語

仿真及實驗結果表明,本文所提出的新型無傳感器技術,能改善原點漂移的問題,對磁鏈計算中的誤差累積有較好的抑制作用,可提高直接轉矩控制系統的磁鏈角位移與轉速的求解精度,并實際應用于永磁電機直接轉矩控制系統中,顯示了良好的調速控制性能。

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[2] TANG Lixin, ZHONG Limin, Rahman M F, et al. A novel direct torque control for interior permanent-magnet synchronous machine drive with low ripple in torque and flux-a speed-sensorless approach[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,2003,39(6):1748-1756.

[3] 張劍, 許鎮琳, 溫旭輝. 新型無位置傳感器永磁同步電動機狀態估計及其誤差補償方法研究[J].電工技術學報,2006,26(1):7-11.

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Position-Sensorless Control Mode for UUV’s Propulsive Motor

PAN Yuanzhang ZHAO Longlong

(No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

Permanent magnet motor has been extensive used as unmanned underwater vehicle’s propulsive motor with the advantages such as small-volume, light-weight and high power density, and the sensorless technique is one of development direction of permanent magnet motor variable-speed system. Two typical direct estimation methods of speed and rotor position are analyzed and a novel sensorless technique in permanent magnet motor direct torque control (DTC) system is put forward in this paper. By calculating stator flux angle and torque angle, then subtracting torque angle from stator flux angle to obtain the rotor position and velocity, and using improved integrator instead of traditional one, this novel technique can restrain origin drift and improve estimation accuracy of speed and rotor position in DTC system. The result of simulation and test shows that good control performance can be obtain in permanent magnet motor DTC system by using this new technique.

unmanned underwater vehicle, permanent magnet motor, sensorless

TP212

2016年9月3日,

2016年10月27日

潘元璋,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:水下靶標。趙龍龍,男,碩士研究生,高級工程師,研究方向:水下靶標。

TP212

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.012