注入高頻脈振電壓的永磁同步電機I/F控制方法

邱建琪 周成林 史涔溦

摘?要：針對傳統的開環I/F控制運用在低速區時存在的給定電流不可控、電機運行效率低、易失步的問題，提出一種新型的無位置傳感器I/F控制方法。該方法將改進算法的高頻脈振電壓注入法運用在傳統的開環I/F控制中，對采樣得到的三相電流進行信號處理以獲取所需的軸系夾角信息，經由PI控制器對給定電流的幅值進行閉環調節，同時對給定電流的電角速度進行閉環補償。實驗結果表明，在該方法下表貼式永磁同步電機可根據負載變化對給定電流幅值和電角速度進行動態調節，使其運行在最大轉矩電流比狀態，且具有漸進穩定性，提高了電流利用率，增強了電機抗負載擾動能力。

關鍵詞：表貼式永磁同步電機;無位置傳感器控制;高頻注入法;I/F控制;最大轉矩電流比

中圖分類號：TM 351

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2019）07-0001-08

Abstract：For the disadvantages of the traditional open loop I/F control method in the low speed region， such as uncontrollable current， inefficiency and prone to lose synchronism， a new I/F control method of sensorless surface permanent magnet synchronous motor （SPMSM） was proposed. The improved pulsating high frequency voltage injection method was adopted in the traditional open loop I/F control method. The sampled threephase current was processed to obtain the shaft angle， which was used as feedback for PI controller. And the amplitude of the given current was closedloop regulated by PI controller. At the same time， the electrical angular velocity of the given current was compensated. Experimental results indicate that SPMSM adjusts the amplitude and the electrical angular velocity of the given current dynamically when the load changes， and it operates in the asymptotic stable maximum torque per Ampere （MTPA） condition. The utilization ratio of current and the ability of motor to resist load disturbance are improved by the new I/F control method.

Keywords：surface permanent magnet synchronous motor （SPMSM）; sensorless control; high frequency injection method; I/F control method; maximum torque per ampere（MTPA）

0?引?言

永磁同步電機（permanent magnet synchronous motor，PMSM）具有功率密度大、功率因數高、調速范圍寬、動態響應快的優點，在電動汽車、大容量艦船電力推進系統等高性能交流傳動領域中有著巨大的應用前景[1-2]。為了實現高性能的PMSM矢量控制，多采用機械式位置傳感器獲取實時準確的轉子位置信息，這也帶來了成本過高、安裝困難、可靠性低等缺陷[3]。因此研究低成本、高可靠性的PMSM無位置傳感器控制方法具有重要的意義。

PMSM無位置傳感器控制方法按照其適用的轉速范圍不同，可分為低速運行控制方法和中高速運行控制方法。其中中高速運行控制方法是通過電機旋轉反電動勢獲取轉子位置信息，主要有模型參考自適應法[4]、擴展卡爾曼濾波器法[5]、滑模觀測器法[6-7]等。

低速運行的控制方法大多是利用電機的凸極特性獲取轉子位置信息，有高頻旋轉注入法[8]、高頻脈振注入（pulsating high frequency voltage injection，PHFVI）法[9]、高頻方波注入法[10]等。文獻[8]注入的為雙向高頻旋轉信號，減小了定子電阻的影響，提高了位置估計準確度。文獻[9]將高頻脈振信號注入到兩相靜止坐標系中，提高了估計系統的穩定性，但也存在依賴電機參數的問題。文獻[10]將注入高頻方波信號的頻率提高到開關頻率的一半，去除了傳統方波信號注入法中濾波器的使用，減少了時間延遲，但為了高信噪比提高的注入電壓幅值限制了基波控制的電壓利用率。

然而，在低速范圍內普遍采用的高頻注入法都需要對反饋電流處理得到位置誤差角信息，再通過轉子位置觀測器估算出轉子位置角，算法較復雜。因此，有學者在低速區采用了開環的I/F控制方法，該方法不依賴于電機參數，算法簡單，電機啟動過程中無過沖電流。通過將低速區的I/F控制方法和中高速區的觀測器類無位置傳感器控制方法進行復合，實現了全速度范圍內的PMSM無位置傳感器控制[11-13]。但是，文獻[11-12]采用的開環I/F控制方法中給定電流為固定值，電流不可控，電機運行效率低。文獻[13]則根據特定電機的轉矩特性，離線調試擬合出電流頻率比曲線，不具有普適性。

為解決上述問題，本文提出了一種適用于表貼式永磁同步電機（surface permanent magnet synchronous motor，SPMSM）的雙閉環I/F控制方法。該方法將PHFVI法運用在傳統的開環I/F控制中，利用反饋電流得到位置誤差角信息，通過PI控制器對給定電流幅值進行閉環控制，同時對給定電流的電角速度進行實時閉環補償。無需轉子位置觀測器，改進了基本的PHFVI法的算法，可根據實際負載變化的情況動態地調節給定電流幅值和電角速度，提高了電流利用率和電機抗負載擾動能力，且能使SPMSM運行在最大轉矩電流比（MTPA）狀態。

1?傳統的開環I/F控制方法

I/F控制方法是一種轉速開環、電流閉環、給定電流為固定值的控制策略，避免了起動階段出現過沖電流。圖1為開環I/F控制方法框圖。

該方法去除了基本的高頻脈振電壓注入法中的轉子位置觀測器，簡化了算法，相較于傳統的開環I/F控制，拓寬了電機穩定運行轉矩角區域，提高了電機的抗負載擾動能力，同時也使得電機能穩定運行在MTPA狀態，提高了I/F控制效率。

4?實驗驗證

為了驗證本文提出的基于改進PHFVI法的雙閉環I/F控制方法在低速區的運行效果，搭建了如圖6所示的SPMSM驅動實驗平臺，對電機的起動階段至穩態運行以及突加突減負載進行了對比實驗。主控芯片采用的是TI公司的TMS320F28035，開關頻率為10 kHz。所用電機為額定轉速3 000 r/min的4對極SPMSM。將SPMSM與一臺永磁同步發電機同軸連接，通過永磁同步發電機的三相輸出至整流器再連接負載電阻，釋放出SPMSM產生的能量。改變負載電阻的阻值，可以調節SPMSM的負載轉矩。以下所有雙閉環I/F控制方法中注入的高頻脈振電壓的幅值均為20 V，頻率均為1 000 Hz。

本實驗采用2種方式采集所需數據：通過泰克TPS2024型示波器記錄三相電流數據并處理;通過RAM實時存儲電機轉速、轉子軸系夾角、虛擬軸系給定電流等數據，待電機停機后再將數據導出處理。

圖7給出了帶載電機分別在開環I/F控制和雙閉環I/F控制方法下由起動到轉速300 r/min的運行過程。由圖可見，電機轉速能跟蹤給定的轉速曲線，且波形較為平穩。

圖10分別為開環I/F控制和電角速度未補償的單閉環I/F控制下，于1.5 s突加一倍負載的電機轉速和電流波形。在開環以及只有給定電流幅值閉環的狀態下，若突加負載，電機將進入失步狀態。由此可見在這2種方法下，電機的抗負載擾動能力不強。

5?結?論

本文提出了一種基于改進PHFVI法的雙閉環I/F控制方法，將算法改進了的高頻脈振電壓注入在傳統的開環I/F控制方法中，可根據負載的變化動態地調節δ軸給定電流幅值和電角速度，使得夾角θerr收斂至0°，即轉矩角為90°。和傳統的開環I/F控制方法對比，提高了電流利用率，加強了抗擾動能力，電機運行在最大轉矩電流比狀態。實驗結果證明了基于改進PHFVI法的雙閉環I/F控制優于傳統的開環I/F控制。

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（編輯：姜其鋒）