摘 要：本文針對(duì)面貼式永磁同步電機(jī)(surface mounted permanent magnet synchronous motor, SPMSM)，研究了零速和低速下無(wú)位置傳感器控制。首先，理論分析了SPMSM 飽和凸極性的基本原理，闡述了基于脈振高頻電壓注入法轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的基本原理，研究了磁極極性判斷的方法，進(jìn)而，提出了一種脈振高頻電壓注入法和轉(zhuǎn)子擾動(dòng)觀察法相結(jié)合的初始位置檢測(cè)方法。該方法首先利用脈振高頻電壓注入法進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的初步檢測(cè)，然后在估算的交軸上注入一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷簲_動(dòng)量，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)微小的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，利用估算轉(zhuǎn)速的方向來(lái)判斷磁極的極性。相較于傳統(tǒng)方法，無(wú)需在電機(jī)直軸上注入較大的電壓脈沖，對(duì)永磁體不會(huì)造成增磁或去磁效應(yīng)。最后，對(duì)所提方法進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法可以有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)任意位置的初始位置檢測(cè)、起動(dòng)及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī) 無(wú)位置傳感器 高頻信號(hào)注入 初始位置檢測(cè)
1.引言
永磁同步電機(jī)(PMSM)無(wú)論是采用矢量控制(SVC)或是直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)，都需要精確檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。通常，利用機(jī)械式傳感器(光電編碼盤(pán)和旋轉(zhuǎn)變壓器等)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，它的使用增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，降低了可靠性，也限制了PMSM 在某些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用。因此，PMSM 無(wú)位置傳感器控制一直是研究熱點(diǎn)[1-6]。
PMSM 無(wú)位置傳感器控制從原理上可以劃分為兩類，一類方法是基于基波模型，包括磁鏈估計(jì)法、模型參考自適應(yīng)法和滑模觀測(cè)器法等[7-10]。這類方法基于反電勢(shì)估計(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，因此不能適用于零速和低速階段。另一類是基于諧波模型，包括旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)注入法和脈振高頻信號(hào)注入法[11-12]。這類方法通常在電機(jī)三相繞組上注入特定的電壓(電流)信號(hào)，利用電機(jī)的凸極性，從其電流(電壓)響應(yīng)中分離出轉(zhuǎn)子的位置信息。該類方法對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化較不敏感，具有良好的魯棒性，能夠較好地實(shí)現(xiàn)低速和零速下的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。相比于內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)(IPMSM)，面貼式永磁同步電機(jī)(SPMSM)因其直軸和交軸電感近似相等，不具備物理結(jié)構(gòu)上的凸極性，實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器控制的難度更大。有學(xué)者提出利用直軸電感存在飽和特性，來(lái)構(gòu)造出電機(jī)的凸極性，以實(shí)現(xiàn)面貼式永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制[13-14]。
本文在分析了SPMSM 飽和凸極性的基礎(chǔ)之上，研究了脈振高頻電壓注入法基本原理，進(jìn)而提出了一種轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)方法。該方法利用脈振高頻電壓注入法進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的初步檢測(cè)，在此基礎(chǔ)上，在估算的交軸上注入一個(gè)電壓擾動(dòng)量，使得電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)微小轉(zhuǎn)動(dòng)，然后根據(jù)估算轉(zhuǎn)速的方向判斷磁極極性，并作出補(bǔ)償。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的初始位置檢測(cè)和低速無(wú)位置運(yùn)行。
2.SPMSM 飽和凸極性
對(duì)于SPMSM，由于永磁體磁導(dǎo)率近似等于氣隙，通常情況下交、直軸電感相等;但由于永磁體的磁路特性,使得在一定情況下電機(jī)的直軸磁路比交軸磁路容易飽和，導(dǎo)致直軸電感比交軸電感小，此時(shí)SPMSM呈現(xiàn)出一定的飽和凸極性，這就是電感飽和效應(yīng)[15]。SPMSM 的氣隙磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)、定子電流磁場(chǎng)合成產(chǎn)生的。其中，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)為ψ f ，直軸磁路的ψ − i特性曲線可近似為圖1所示。直軸磁路的工作點(diǎn)由永磁體自身決定，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，為了增加永磁體的使用率，增加電機(jī)的功率密度，一般使得電機(jī)的永磁體工作在臨界飽和點(diǎn)，如點(diǎn)A 所示。由于永磁體的飽和效應(yīng)，此時(shí)在通入相等的正負(fù)向直軸電流時(shí)，通入正向電流時(shí)磁鏈的增加值將小于通入負(fù)向電流時(shí)磁鏈的減小值。若定義Ld + 為直軸正向電感， Ld − 為直軸負(fù)向電感，有如下關(guān)系式：
3.脈振高頻電壓法注入法基本原理
3.1 脈振高頻注入法基本原理
忽略磁滯和渦流損耗，SPMSM 電壓方程的標(biāo)準(zhǔn)形式為
從式(6)可以看出，估計(jì)坐標(biāo)系ˆ q 軸上的響應(yīng)電流的幅值與估算位置誤差相關(guān)。當(dāng)估計(jì)位置與實(shí)際位置足夠相近時(shí)， ˆiqh接近于零。因此，通過(guò)檢測(cè)包含位置估算誤差信息的軸高頻響應(yīng)電流，經(jīng)適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理提取其高頻響應(yīng)電流的幅值信號(hào)f (Δθ )，作為調(diào)節(jié)器的輸入。調(diào)節(jié)器的輸出作為估計(jì)的轉(zhuǎn)速和位置的反饋信號(hào)，在調(diào)節(jié)器的作用下，使得其輸入信號(hào)即高頻響應(yīng)電流的幅值為零，即使得估算位置誤差為零。調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖3所示
綜上所述，電機(jī)無(wú)位置控制在初始位置檢測(cè)時(shí)有兩個(gè)收斂位置，一個(gè)是Δθ = 0，一個(gè)是Δθ =π ，需要對(duì)這兩種情況進(jìn)行區(qū)別，即一般文獻(xiàn)所述的初始位置檢測(cè)時(shí)的磁極極性判斷。目前已有的方法是在完成初次位置估算后，利用直軸的正負(fù)向電感不同，通過(guò)在直軸上注入等幅等寬的正負(fù)脈沖電壓，根據(jù)其響應(yīng)電流的上升或者下降時(shí)間來(lái)判斷磁極極性。本文提出了一種方法來(lái)判斷轉(zhuǎn)子的磁極極性，該方法通過(guò)在交軸上注入一個(gè)轉(zhuǎn)矩分量，使得電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)微小角度的擾動(dòng)，通過(guò)判斷其估算速度的方向來(lái)判斷轉(zhuǎn)子磁極的極性。
在完成初始位置估算后，在估算的交軸上注入一個(gè)正向脈沖分量。當(dāng)估算位置為Δθ =0時(shí)，此時(shí)注入信號(hào)將產(chǎn)生一個(gè)正向的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，估算位置跟蹤實(shí)際位置，故估算轉(zhuǎn)速為正。當(dāng)估算位置為Δθ =π ，此時(shí)在估算位置上注入正向的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，相當(dāng)在實(shí)際位置上注入一個(gè)負(fù)向的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，電機(jī)將反轉(zhuǎn)，估算位置跟蹤實(shí)際位置，所以得到的估算轉(zhuǎn)速將負(fù)。因此通過(guò)判斷估計(jì)轉(zhuǎn)速的方向就可以判斷磁極極性。
4.仿真研究
為了驗(yàn)證所提的初始位置判斷方法及脈振高頻電壓注入法的正確性，在MATLAB 中搭建了仿真模型，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示。SPMSM 參數(shù)如下：額定功率400W，額定電流為2.2A，直軸電感為8mH，交軸電感為8mH，每相電樞繞組的電阻為3.2Ω，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.42 kg·cm2。
仿真時(shí)長(zhǎng)為1s，給定轉(zhuǎn)速為100rpm，在0-0.1s 完成初始位置初次估計(jì)，在0.1-0.15s 在交軸上的擾動(dòng)信號(hào)為一個(gè)斜坡信號(hào)，該斜坡信號(hào)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)使得電機(jī)估計(jì)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)估算轉(zhuǎn)速變化的正負(fù)方向，來(lái)判斷磁極極性，并進(jìn)行估算位置的補(bǔ)償。0.2s后完成初始位置估算，控制系統(tǒng)的速度環(huán)和電流環(huán)開(kāi)始工作，進(jìn)行無(wú)位置傳感器控制。文中，用于脈振高頻電壓注入的直軸電壓信號(hào)幅值為20V，頻率為1000Hz;用于轉(zhuǎn)子擾動(dòng)觀測(cè)法的交軸注入電壓為0 到1V 斜坡擾動(dòng)量。
6.結(jié)論
本文針對(duì)脈振高頻電壓注入無(wú)位置傳感器控制方法進(jìn)行研究，分析了電機(jī)飽和凸極效應(yīng)，并推導(dǎo)了脈振高頻電壓注入法的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上提出了一種基于脈動(dòng)高頻電壓注入和轉(zhuǎn)子擾動(dòng)觀察相結(jié)合的初始位置判斷方法，并對(duì)電機(jī)的初始判斷方法進(jìn)行理論分析。該方法利用脈振高頻電壓注入法完成位置的初步估算后，再給電機(jī)估算的交軸上注入一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷簲_動(dòng)量，使電機(jī)產(chǎn)生一個(gè)微小的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，利用估算的速度來(lái)判斷電機(jī)的磁極極性。該方法無(wú)需再直軸上注入較大正負(fù)脈沖電流，對(duì)永磁體影響較小，并且控制簡(jiǎn)單。仿真和實(shí)驗(yàn)證明，該方法，可以快速精確的獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的低速無(wú)位置傳感器控制。
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