基于永磁同步電機(jī)的脈振高頻電壓注入法控制策略的研究

◇甘肅電器科學(xué)研究院 李博浩 天水電氣傳動(dòng)研究所集團(tuán)有限公司 溫 歡

針對(duì)永磁同步電機(jī)在受電弓的控制中，在其負(fù)載處于低速或者零速狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)失控的問(wèn)題提出了永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的階段控制方法。首先規(guī)定受電弓的升、降弓過(guò)程為升降階段，在現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上采用空間脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過(guò)傳統(tǒng)的矢量控制策略完成升降階段的工作。其次借助帶通濾波器和高通濾波器實(shí)現(xiàn)一種基于脈振高頻電壓注入的位置傳感器控制策略，實(shí)現(xiàn)在低速或者零速狀態(tài)下的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。最后通過(guò)仿真得出該方法的正確性與有效性。

1 引言

為解決低速或零速帶來(lái)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)失效問(wèn)題，引入脈振高頻電壓注入法[3]，即在靜止坐標(biāo)系下向電機(jī)的定子注入頻率高于基波的脈振電壓，通過(guò)帶通濾波器（BPF）與高通濾波器（SRFHPF）分別獲得高頻電流信號(hào)和轉(zhuǎn)子的位置信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)的低速或零速狀態(tài)下伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

通過(guò)研究相控磁體控制系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[4]，將該伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)首次用于主動(dòng)控制高速列車(chē)受電弓[5-6]，由于列車(chē)?yán)檬茈姽奶蓟迮c架空線之間的接觸摩擦來(lái)獲得電能[7]。因此，受電弓與網(wǎng)絡(luò)的接觸壓力必須保持在一定范圍內(nèi)，以確保火車(chē)的良好通行能力。如果接觸壓力過(guò)高，則碳滑板會(huì)嚴(yán)重磨損。如果接觸壓力太低，則很容易從格柵上產(chǎn)生電弧并燒毀碳滑板和接觸網(wǎng)。為了確保列車(chē)的穩(wěn)定電流，將永磁同步電動(dòng)機(jī)用作受電弓驅(qū)動(dòng)器，而不是變速箱的氣壓控制。基于永磁同步電動(dòng)機(jī)的高精度快速反應(yīng)伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，受電弓的碳滑板與架空線之間的壓力始終保持在合理范圍內(nèi)。有效降低脫網(wǎng)率，并減少碳滑板上的磨損。通過(guò)理論分析和軟件仿真，驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。

2 脈振高頻電壓激勵(lì)下三相PMSM的電流響應(yīng)

針對(duì)傳統(tǒng)的矢量控制[8]系統(tǒng)在解決轉(zhuǎn)子低速或者出現(xiàn)短時(shí)間的零速問(wèn)題時(shí)，由于有用信號(hào)功率和噪聲功率的比值過(guò)小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子速度與位置不能精確地預(yù)算與檢測(cè)，為了解決該問(wèn)題使轉(zhuǎn)子速度與位置的檢測(cè)達(dá)到預(yù)期效果，引入脈振高頻電壓注入法，即通過(guò)帶通濾波器將三相繞組中的高頻電流信號(hào)進(jìn)行處理得到轉(zhuǎn)子的速度與位置。

脈振高頻電壓注入法[9-10]就是根據(jù)傳統(tǒng)的矢量控制在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸軸與靜止坐標(biāo)軸軸之間，設(shè)定轉(zhuǎn)子的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸軸，轉(zhuǎn)子位置角度估計(jì)值為θ，實(shí)際值為ω，那么轉(zhuǎn)子的估計(jì)誤差角度，即，其中轉(zhuǎn)子位置角度的估計(jì)值與實(shí)際值在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子位置角度的估計(jì)值與實(shí)際值在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸之間的關(guān)系

當(dāng)電機(jī)處于低速或者零速的狀態(tài)時(shí)，三相永磁同步電機(jī)(PMSM)作為純感性負(fù)載，其反電勢(shì)忽略不計(jì)[11]，采用高頻電壓注入法時(shí)，其電壓方程在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸d-q軸上的表示：

根據(jù)式（1）與（2），將脈振高頻電壓注入在估計(jì)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸軸中，其在軸中高頻電壓與電流的分量為，在軸中高頻電壓與電流的分量為，其關(guān)系為：

3 基于跟蹤觀測(cè)器的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法

根據(jù)以上公式推導(dǎo)，基于跟蹤觀測(cè)器的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法[12]的脈振高頻電壓信號(hào)注入法的原理圖如圖2所示，要想得到轉(zhuǎn)子的位置與速度信息就要對(duì)估計(jì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸軸的軸的電流進(jìn)行高頻化處理，使電流通過(guò)帶通濾波器(BPF)得到高頻電流成份，根據(jù)得知，高頻電流不僅與而且與有關(guān)，將高頻電流分量與高頻正弦信號(hào)相乘，然后通過(guò)低通濾波器（LPF）濾出保留低頻部分，因此通過(guò)一定的信號(hào)處理后使高頻電流有關(guān)，最后得到轉(zhuǎn)子位置估計(jì)器的輸入信號(hào)：

圖2 脈振高頻電壓信號(hào)注入法的原理圖

4 永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的階段控制策略研究與設(shè)計(jì)

受電弓作為鐵道機(jī)車(chē)的受流裝置，其驅(qū)動(dòng)力控制是否符合要求直接決定著弓網(wǎng)磨耗的程度，如果驅(qū)動(dòng)力過(guò)大導(dǎo)致弓網(wǎng)的接觸壓力過(guò)大致使弓網(wǎng)磨耗過(guò)大，如果驅(qū)動(dòng)力過(guò)小導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸壓力過(guò)小致使離線率的增大。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)力的良好控制使弓網(wǎng)接觸壓力在一定范圍之內(nèi)，有利于弓網(wǎng)的良好運(yùn)行。

當(dāng)與接觸線接觸受流時(shí)由于弓頭的位移移動(dòng)范圍小，（由于弓頭與接觸線接觸受流時(shí)其位移移動(dòng)范圍小），電機(jī)轉(zhuǎn)子的位移及其速度均處于低速甚至零速狀態(tài)，采用注入脈振高頻電壓的方法，其中低通濾波器（LPF）的階數(shù)設(shè)置為1，通帶邊緣頻率設(shè)置為50Hz。高通濾波器（BPF）階數(shù)設(shè)置為2，低通與高通帶邊緣頻率分別設(shè)置為1150Hz與1320Hz。設(shè)置電機(jī)在低速甚至零速狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)速為50r/min，在受電弓與接觸網(wǎng)相互接觸時(shí)，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與估計(jì)轉(zhuǎn)速基本一致，如圖3所示。電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置實(shí)際值在短時(shí)間內(nèi)均準(zhǔn)確無(wú)誤達(dá)到了估計(jì)值，如圖4所示。仿真表明永磁同步電機(jī)采用脈振高頻電壓注入法時(shí)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際值能夠準(zhǔn)確地到達(dá)系統(tǒng)的估計(jì)值，很大程度上解決了電機(jī)輸出值及時(shí)響應(yīng)弓網(wǎng)壓力的波動(dòng)的問(wèn)題。

圖3 轉(zhuǎn)速的實(shí)際值與估計(jì)值

圖4 轉(zhuǎn)子位置的實(shí)際值與估計(jì)值

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)的研究借助帶通濾波器和高通濾波器實(shí)現(xiàn)一種基于脈振高頻電壓注入的位置傳感器控制策略，實(shí)現(xiàn)在低速或者零速狀態(tài)下對(duì)受電弓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。最后通過(guò)仿真得出該方法的正確性與有效性