3 高频注入法

3高频注入法内插式永磁同步电机无速度传感器控制黄雷赵光宙浙江大学摘要:对于内插式永磁同步电机提出了一种包含零速在内的全速度范围内均能实现转子位置/速度准确检测的无传感器复合方法。在高速范围，通过对扩展反电势的估算以得到转子位置和速度，低速时采用高频信号注入法进行转子位置检测。仿真研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，两种方法的结合既能在低速时准确地观测出转子的空间位置和速度，也能保证高速运行时较快的动态响应，适合于全速范围内电机的无传感器运行。关键词:无传感器控制扩展反电势高频信号注入法内插式永磁同步电机SpeedSensorlessControlofInteriorPermanentMagnetSynchronousMotorHuangLeiZhaoGuangzhouAbstract:Ahybridrotorpositionself-sensingapproachforinteriorPMSMwasinvestigatedinthispaper.Inthehighspeedrangethemethodofextended-EMFestimationisusedandinthelowandzerospeedrangesthehighfrequencysignalinjectionmethodisusedtogetthepositionoftherotor.Experimentalresultsshowthatthehybridrotorpositionself-sensingapproachcanpreciselyestimatingtherotorpositionandspeedatthelowspeedrange,andcanachievefastdynamicresponseatthehighspeed.ThereforetheproposedschemeissuitableforthesensorlessvectorcontrolofaPMsynchronousmotorinawidespeedrange,includingzero-speed.Keywords:sensorlessextendedEMFHighfrequencysignalinjectioninteriorpermanentmagnetsynchronousmotor数的变化不敏感,鲁棒性好，但因信号处理过程较1引言复杂，影响动态性能，较为适合低速运行。目前，无位置/速度传感器控制研究可以分为为了实现包括零速在内全速度范围内电机转[1-2][3-6]两类:基波励磁法和高频信号注入法。基子位置/速度的有效检测，本文中将两种方法相结波励磁法主要基于电机的基波动态模型，具体方合，即低速时采用旋转高频电压信号注入法实现法有:利用定子端电压和电流的直接计算法，观转子位置和速度的精确检测，高速时采用反电势测器基础上的估算方法，模型参考自适应方法和估算方法确保快速的动态响应。仿真研究验证了人工智能理论基础上的估算方法等。这种方法的有效性。利用基波反电势的估算方法实现简单，在电2扩展反电势估算方法机高速运行时，这类方法具有良好的动态性能，图1中，d-q为同步旋转坐标系，d轴与转子但对电机参数变化敏感，鲁棒性差，零速或低速N极对齐，实际位置角为。坐标系为估算,,,,时会因反电势过小或根本无法检测而失败，因此,的旋转坐标系。为估算的转子位置，为估,,多适用于中高速段运行。M算位置误差。高频信号注入法基于检测电机的凸极效应，在d-q旋转坐标系中IPMSM的电压方程为:通过在电机中注入特定的高频电压(电流)信号，RpLL，,,vi，，再检测其对应的电流(电压)信号以确定转子的，，，，0，，drqdd(1),，,,,,,,,,凸极位置。由于是依赖外加持续高频激励来显示viKLRpL，,,qq,,，，rErdq，，，，，，凸极性，与转速无关，使得这种凸极跟踪方法能够解决低速甚至零速下转子位置的估计，而且由于追踪的是转子的空间凸极效应，因此对电机参1其中，e，，,,sin,，，,ee,,，,,()()KLLii,,,,,,γδrEdqrdq,,cos,,e，，，，,,,sin，，,(6),Eex,,cos,,，，由式(5)，时刻坐标系下的实际电nT,,,流可表示为图1坐标系定义TTTT，，，，vvii为旋转坐标系下电压;式中:dqdq，，，，为旋转坐标系下电流;为定子电阻;为定子RLssTT,电感;为微分算子;为转子角速度(电角度);pTTrVi，，，，v,vvi,ii式中:，，γδ,,γδ,,，，，，KL为反电势常数;为轴电感;为轴电感。qLdEdq1001,将式(1)变换到静止坐标系下，得到，，，，,,,,，T是采样周期。J,I,IJ,,,,1001，，，，RpLpL，vi，，,sin,，，，，，，,,,,,r,，K,,,,,,,E,,另外，估计的电流可以通过估计的扩展反电vipLRpL，cos,,,,,r，，,,,，，，，，，势e得到γδM(2)TT，，L,,RTTq，，，，vvii式中:为静止坐标系下电压;iIJi()1(1)(1)nTnTn,,,,,,ITJiγδi,,,,,,M,,MγδγδM，，，，LLdd,,，，LLL,，cos2,为静止坐标系下电流;，,01TT，,,,ve(1)(1)nnVeγδ,,L=(L+L)/2LL,sin2,LLL,,cos2,γδMγδM(8)0dq,,1,01LLdd，。LLL,,()/21dq式(2)中包含有，项，其中将增加2,2,,实际电流与估计电流之间的误差为计算的难度，可通过适当的变换使得其消除。,,,iii()()()nnnΔiiγδγδiMγδγδγδMγδ考察式(1)可以看出:的出现是因为电感2,T矩阵不对称所致。因而，将d-q轴下IPMSM的，，,,,,,ee(1)(1)nn(9)eeγδγδMγδMγδ，，L电压方程重写为dT,,,,e(1)nΔeγδγδLd可以得到扩展反电势的估算表达式为Ld(10)e(n),e(n,1),,i(n)Mγ,Mγ,γδT由式(6)得EKLLii,，,,,,()()其中，(4)exrEdqrdq[7],,,e称为扩展反电势(extendedEMF,EEMF)。M,(11),()arctann,,,,将式(3)变换到坐标系下，得,,,,,eM,,,RpLL，,,vi，，，，，，drq,,,,,,,，,KKdt(12)Mpi,e,，e,,,,,,γδLRpL，,vi,,rqd，，，，,,,，，通过PI调节后趋近于零，趋近于实,,M际转速。(5)2[4]。通过适当的滤波器滤去无关信号后，被跟,,的积分得到。转子位置角可以通过rM踪的是一个相位由转子或磁通角调制的旋转电流3高频注入法矢量。为了准确地跟踪转子空间位置，采用外差算法解调空间凸极调制的负相序分量，如图3所示。将一组三相平衡的高频电压信号直接迭加在对信号进行处理，可得到如下矢量角误差表达:电机的基波激励上。假设高频注入电压的角频率ss,,,,,,,,,ititcos(2)sin(2),v为，幅值为，则在静止d-q两相坐标系中注qsinridsinri__isi(19)入的高频电压信号可表示为sin(22),,,,rrs，，,vcos(t)这样，通过调节矢量角的误差使之趋于零，，，qsiij,tsi(13)v,,v,ve,,siqdsisi,,s,,就可使转子位置的估计值收敛于真实值。当,,sin(t)vrr，i，,,，dsi，::取的微分时，就能获得转子角速度:,,rr:d:(20),,,rrdt图2凸极跟踪法的转子位置自检测原理图高频注入信号频率远高于电机基波频率，故图3采用外差过程的转子位置跟踪观测器高频激励下的永磁电机模型可简化为s高频信号注入法的优点是电机能在低速时实diqdsiss(14)v,L现无位置传感器运行，凸极追踪检测又使得这种qdsiqdsdt方法对参数的变化不敏感，对外界的干扰也具有在转子速d-q坐标系中，电机定子电感可以很好的鲁棒性。表示为L0，，4仿真研究qrL(15)L,s,,qd0Ld，，为验证本文提出的IPMSM无位置传感器控在静止d-q坐标系中，式(3)转化为制算法的可行性和有效性，对一台内插式永磁同步电机进行了仿真研究，电机参数为:额定电压LLL，,Δcos(2)Δsin(2),,，，srrL(16)L,qds为220V;额定电流为3A;额定功率为400W;,,,,Δsin(2)Δcos(2)LLL,,，，rr额定转速为3000r/min;额定转矩为0.64N?m;LLL,，()/2,,,LLL()/2式中:为平均电感;dqqd定子每相电阻为1.51Ω;d轴电感为0.0048H;q为半差电感;为定子(A相轴线)与转子(d,r轴电感为0.0096H;主磁极磁通为0.1073Wb;轴)间的空间电位置角。-32极对数为2;转动惯量为0.244×10kg?m。根据式(14)、式(16)，可求得高频激励下永磁图4为转速300r/min时采用高频注入法转子同步电机的电流响应为速度和位置的实测值与估算值，可见采用在低速时j((),,,tt,,，π/2)j(2()π/2)iriii=eeii，(17)qdiqdiipin能准确估计转子位置和速度。图5为1500r/min稳式(17)中正、负相序电流分量的幅值分别为态时转子速度和位置的实测值与估算值，采用扩展，，，，vvLL,ii反电势方法在高速能准确估计转子位置和速度。(18)ii,,,,,,,ipin2222,,,,,,iiLLLL，,，，,，,,图6为选择两种方法的速度切换区间为80从式(18)可以看出，只有负相序电流分量r/min，空载时电机起动到30r/min，1s时转速指j(2()/2),,,t，,ri令变为600r/min，2s时转速指令30r/min，该过的相角中包含有转子的位置信iein程的仿真波形。从上到下的仿真波形依次为:转息子速度的测量值、转子速度的估算误差和转子位3置的估算误差。由于30r/min,600r/min的速度区间包含了速度切换区间，因此仿真结果表明，这种基于旋转高频电压信号注入法和反电势估算法相结合的转子位置检测方法能够在两种方法之间实现平滑的切换，证明了该方法的可行性。(b)转子位置的实测值与估算值图5转子速度和位置的实测值与估算值(1500r/min)(a)速度的实测值与估算值图6速度指令在30r/min,600r/min之间切换时的仿真结果5结论本文提出了一种基于扩展反电势估算和高频(b)转子位置的实测值与估算值电压信号注入法相结合的内插式永磁同步电动机图4转子速度和位置的实测值与估算值(30r/min)无传感器方法。扩展反电势估算方法在电机低速运行存在一定问题，但其动态响应快，适合于高速运行需要;旋转高频电压信号注入法对参数变化不敏感，对外界干扰也有很好的鲁棒性，能在低速时准确地检测转子的位置和速度，有利于实现低速时电机的无位置传感器运行。仿真表明，两种方法的结合能够在全速范围内有效地检测出转子的空间位置和速度。参考文献1林平，胡长生，李明峰，张仲超等(基于模型参考(a)速度的实测值与估算值自适应系统算法的速度估算核的研制[J](中国电机工程学报，2004，24(1):118-1232邹继斌，徐永向，于成龙(正弦波无刷直流电机的新型转子位置检测方法[J](中国电机工程学报，2002，22(12):47-493LorenzRD(PracticalIssuesandResearchOpportunitiesWhenImplementingZeroSpeedSensorlessControl[C](Shenyang:ProceedingsoftheFifthInternationalConferenceonElectricalMachinesandSystems，200144秦峰，贺益康(两种高频注入法的无传感器运行研究[J](中国电机工程学报，2005，25(5):116-1215WangLimei，GuoQingding，LorenzRD(SensorlessControlofPermanentMagnetSynchronousMotor[C](Beijing:ProceedingsofPowerElectronicsandMotionControlConference，20006DegnerMW，LorenzR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