兩種高頻信號注入法與坐標系結(jié)合的無位置傳感器運行研究*

杜 平， 關(guān)振宏， 王 濤， 張 羽

(西南交通大學 電氣工程學院， 四川 成都 610031)

兩種高頻信號注入法與坐標系結(jié)合的無位置傳感器運行研究*

杜 平， 關(guān)振宏， 王 濤， 張 羽

(西南交通大學 電氣工程學院， 四川 成都 610031)

基于空間凸極效應的原理，討論了采用旋轉(zhuǎn)高頻電流信號注入到估計的同步旋轉(zhuǎn)坐標系，以及脈振高頻電流信號注入到兩相靜止坐標系中，在永磁同步電機(PMSM)無位置傳感器運行控制中的應用。分別給出了兩種新結(jié)合的高頻注入方法的轉(zhuǎn)子位置估計數(shù)學模型，指出了獲取轉(zhuǎn)子空間位置的解調(diào)方法，并應用這兩種新結(jié)合的高頻電流信號注入方法，建立了PMSM無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，并進行了仿真比較。仿真結(jié)果表明，采用脈振高頻電流信號注入與兩相靜止坐標系結(jié)合的方法，具有易于實現(xiàn)的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和更優(yōu)的轉(zhuǎn)子位置估計性能。

無位置傳感器； 高頻電流注入； 轉(zhuǎn)子位置； 同步旋轉(zhuǎn)坐標系； 兩相靜止坐標系

0 引 言

近年來，由釹鐵硼等稀土永磁材料構(gòu)成的永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)，以高能量密度和轉(zhuǎn)矩慣量比，不需外加勵磁等優(yōu)點，在電力牽引、航空航天、電動汽車等控制場合得到了廣泛的應用[1-3]。為保證基于空間矢量調(diào)制的PMSM完成磁場定向和速度閉環(huán)控制，常采用光電編碼器等硬件電路來獲取電機所必不可少的轉(zhuǎn)子位置信息，但機械式傳感器的安裝帶來系統(tǒng)的成本和維護負擔增加[4-5]。因此為了防止PMSM出現(xiàn)轉(zhuǎn)子短暫反轉(zhuǎn)或起動失敗的現(xiàn)象，國內(nèi)外研究機構(gòu)對PMSM的無傳感器轉(zhuǎn)子位置估計技術(shù)展開了深入的研究[6-8]。

目前，PMSM的無位置傳感器控制技術(shù)主要分為兩大類： 一類為基于電機凸極效應的高頻注入法；另一類為基于電機基波模型估算反電動勢獲取轉(zhuǎn)子空間位置的方法[9]。文獻[10]提出一種對幅值和相位分別進行自適應補償?shù)乃惴ǎ摲椒ㄔ陔姍C靜止和低速時作用失效。基于脈振高頻信號注入法，文獻[11]提出同時使用交-直軸高頻響應電流作為轉(zhuǎn)子位置估計的解調(diào)信號來源，但需離線測定電機凸極率和轉(zhuǎn)子位置角存在的補償關(guān)系。為實現(xiàn)寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的估計，文獻[12]提出一種旋轉(zhuǎn)高頻注入法和反電動勢法結(jié)合的無位置傳感器控制技術(shù)，但滯環(huán)切換法存在過渡不平滑的問題。

盡管已有很多文獻對旋轉(zhuǎn)高頻注入法和脈振高頻注入法進行了分析與研究，但僅針對旋轉(zhuǎn)信號與兩相靜止坐標系，脈振信號與估計的同步旋轉(zhuǎn)坐標系的結(jié)合[13-15]。采用旋轉(zhuǎn)高頻電流注入法結(jié)合估計的同步旋轉(zhuǎn)坐標系與脈振高頻電流注入法，結(jié)合兩相靜止坐標系的無傳感器估計方法，其實現(xiàn)技術(shù)缺乏必要的研究和討論。因此，本文就上述兩種新的注入方式和坐標系的結(jié)合，推導了基于兩種新結(jié)合的注入方法的電機高頻數(shù)學模型，搭建了仿真試驗模型，并進行了新控制方法的仿真對比研究。

1 基于估計的同步旋轉(zhuǎn)坐標系的旋轉(zhuǎn)高頻電流注入法

PMSM采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系的id=0磁場定向控制。假定旋轉(zhuǎn)的高頻電流信號注入的角頻率為ωh，注入幅值為Imh，可表示為

(1)

(2)

式中： p——微分算子。

通過注入式(1)表示的高頻電流信號，可得輸出高頻響應電壓為

(3)

其中：

L=(Ld+Lq)/2

ΔL=(Lq-Ld)/2

式中：L——平均電感；

ΔL——半差電感；

f(Δθ)=LPF(udhcosωht+uqhsinωht)=

ΔLImhωhsin(2Δθ)

(4)

當轉(zhuǎn)子位置角誤差值極小時，可以認為Δθ≈sinΔθ，即

(5)

2 基于兩相靜止坐標系的脈振高頻電流注入法

采用高頻脈振電流信號與兩相靜止αβ坐標系的結(jié)合方法，若注入αβ坐標系中的脈振高頻電流信號表示為

(6)

式中：iαh，iβh——分別注入在兩相靜止αβ坐標軸上的高頻電流分量。

在兩相靜止的αβ坐標系下電機的電壓和電流關(guān)系可表示為

(7)

式中：uαh、uβh——高頻響應電壓在兩相靜止α、β軸上的電壓分量；

θr——實際的轉(zhuǎn)子位置。

(8)

由式(8)可知，采用脈振信號注入到兩相αβ靜止坐標系中，其輸出高頻電壓uαh、uβh分量皆與估計的轉(zhuǎn)子位置θe有關(guān)。但在此處，本文只選用uβh做轉(zhuǎn)子位置信息的解調(diào)，即

f(θe)=LPF(uβhcos(ωht))=

(9)

3 兩種高頻注入法的運行比較

為了對比以上研究的兩種新結(jié)合方法在PMSM無位置傳感器控制技術(shù)中的估計性能，本文在MATLAB/Simulink中進行了仿真對比研究，其無位置傳感器控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要電機參數(shù)如下： 額定轉(zhuǎn)速n=2000r/min，極對數(shù)p=1，定子電阻Rs=2.875Ω，d軸電感Ld=7.2mH，q軸電感Lq=12.5mH，注入頻率fh=1.9kHz，注入幅值Imh=0.5A。

圖1 高頻電流注入法的無位置傳感器控制結(jié)構(gòu)框圖

圖2 n=2000r/min時旋轉(zhuǎn)高頻電流注入到估計的旋轉(zhuǎn)坐標系

圖3 n=2000r/min時脈振高頻電流注入到兩相靜止αβ坐標系

圖4 n=100r/min時旋轉(zhuǎn)高頻電流注入到估計的旋轉(zhuǎn)坐標系

圖5 n=100r/min時脈振高頻電流注入到兩相靜止αβ坐標系

4 結(jié) 語

[1] 肖燁然，劉剛，宋欣達，等.基于改進滑模觀測器的永磁同步電機無位置傳感器I/F起動方法[J].電力自動化設備，2015，35(8)： 95-102.

[2] 許波，朱熀秋，姬偉，等.基于FIR優(yōu)化濾波的旋轉(zhuǎn)高頻信號注入法及其應用[J].儀器儀表學報，2012，33(3)： 588-595.

[3] 田兵，安群濤，孫東陽，等.基于磁飽和效應的表貼式永磁同步電機初始位置檢測方法[J].電工技術(shù)學報，2016，31(1)： 155-164.

[4] 于艷君，柴鳳，歐景，等.基于旋轉(zhuǎn)高頻信號法的IPMSM無位置傳感器控制[J].電工技術(shù)學報，

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[5] 劉毅，賀益康，秦峰，等.基于轉(zhuǎn)子凸極跟蹤的無位置傳感器永磁同步電機矢量控制研究[J].中國電機工程學報，2005，25(17)： 121-126.

[6] 魯家棟，劉景林，衛(wèi)麗超.永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法[J].電工技術(shù)學報，2015，48(7)： 24-28.

[7] 王高林，張國強，貴獻國，等.永磁同步電機無位置傳感器混合控制策略[J].中國電機工程學報，2012，32(24)： 103-109.

[8] LIU J M, ZHU Z Q. Novel sensorless control strategy with injection of high-frequency pulsating carrier signal into stationary reference frame[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2014,50(4)： 2574-2583.

[9] 劉剛，肖燁然，孫慶文.基于改進反電勢積分的永磁同步電機位置檢測[J].電機與控制學報，2016，20(2)： 36- 42.

[10] 王冉珺，劉恩海.永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置的檢測方法[J].電機與控制學報，2012，16(1)： 62-66.

[11] CHEN J L, LIU T H. An IPMSM position control system using high frequency injection sensorless technique[C]∥IECON 2012—38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, 2012： 3676-3681.

[12] 邱鑫，黃文新，卜飛飛.內(nèi)置式永磁同步電機寬轉(zhuǎn)速范圍無位置傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電工技術(shù)學報，2014，29(9)： 92-99.

[13] LUO X, TANG Q, SHEN A, et al. PMSM sensorless control by injecting hf pulsating carrier signal into estimated fixed-frequency rotating reference frame[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2016,63(4)： 2294-2303.

[14] AGRAWAL J, BODKHE S. Low speed sensorless control of PMSM drive using high frequency signal injection[C]∥ 2015 Annual IEEE India Conference (INDICON), 2015： 1-6.

[15] WALAMBE R A, JOSHI V A, APTE A A, et al. Study of sensorless control algorithms for a permanent magnet synchronous motor vector control drive[C]∥Industrial Instrumentation and Control (ICIC), 2015 International Conference on, Pune, 2015： 423- 428.

Operation Research on Two Kinds of High-Frequency Signal Injection Method Combined with Coordinate System*

DUPing,GUANZhenhong,WANGTao,ZHANGYu

(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Based on the saliency tracking idea, the rotating high-frequency current signal injected into the estimated synchronous rotating coordinate system and the high-frequency pulsating current signal injected into the two-phase stationary coordinate system, which were used in permanent magnet synchronous motor operation control system without position sensor were discussed. The mathematical models of two new high-frequency injection method in rotor position estimation strategy were presented and the spatial position of the rotor demodulation principles using the two new combined high frequency injection method were established. Comparative study of simulation results showed that the pulsating high-frequency current signal injection method combination with the two-phase stationary coordinate system had simpler control structure system and better performance of rotor position estimation.

no position sensor; high-frequency current injection; rotor position; synchronous roating reference frame; two-phase stationary coordinate system

國家自然科學基金面上項目(51477146)

杜 平(1992—)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。 關(guān)振宏(1967—)，男，副教授，研究方向為電力牽引與傳動控制。

TM 351

A

1673-6540(2017)02- 0028- 05

2016-07-13