永磁同步电机无速度传感器矢量控制调速技术研究_产品与技术_机械工业北京电工技术经济研究所

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永磁同步电机无速度传感器矢量控制调速技术研究

作者: ​崔晓钢 赵四化  来源:​ (深圳技师学院) 时间:2020-11-20


摘要:永磁同步电机(PMSM)具有高效率、高功率、高转矩密度以及宽调速范围等特点,在机器人、工业伺服、铁路牵引以及新能源汽车等领域得到越来越广泛的应用。在永磁同步电机运行过程中,对传感器控制精度提出了较高的要求,而传统速度传感器存在系统应用环境要求、安装精度、成本升高等问题,为了使上述问题得到有效解决,文章对无速度传感器矢量控制技术在永磁同步电机中的应用进行了探究。

关键词:永磁同步电机;无速度传感器;控制技术;滑模观测器

前言

永磁同步电动机是在电励磁三相同步电动机的基础上研发而来,用永磁体取代电励磁,省去了集电环、励磁绕组和电刷,由于其定子与电励磁三相同步电动机相同,因此被称之为永磁同步电动机。如今,在各种调速系统中,永磁同步电动机得到了广泛的应用,并对其调速性能提出了较高的要求。

在传统调速系统中,主要借助各种电涡流传感器、编码器、霍尔传感器等来检测速度,作为反馈信号将测得的转速传输至控制系统。调速系统性能需求越高,则对控制精度要求越高,从而对速度传感器所提出的要求也越高。

以往的传感器调速系统存在如下不足:(1)高分辨率、高精度的位置和速度传感器购买成本比较高,增加了调速系统的投入成本;(2)在电机轴上安装传感器,往往会出现同心度问题,如果安装不合理,会对转速检测产生不利影响;(3)不能在高湿、高温等恶劣条件下工作,而且环境条件的变化会对传感器的工作精度产生比较大的影响;(4)增大电机轴向体积,增加电机日常维护的难度,大大降低系统的机械鲁棒性。

为了使上述问题得到有效的解决,人们希望研发出一种成本低、可靠性高、不需要传感器的控制产品,无速度传感器控制技术开始得到社会各界的重视,并逐渐成为永磁同步电机调速控制领域的主要研究方向。

2永磁同步电机的矢量控制

永磁同步电机矢量控制技术将交流电机通过数学变换与直流电机进行等效,获得与直流电机相媲美的控制效果。

该技术的基本原理为通过Clark变换将ABC定子三相静止坐标系与αβ定子两相静止坐标系之间进行变换,然后通过Park变换将αβ定子两相静止坐标系与dq转子两相旋转坐标系之间进行变换,通过对定子电流在d轴和q轴上所产生的分量进行控制实现对电机转矩进行控制,从而达到预期的控制效果,如图1所示。

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1  ABC坐标与DQO坐标变换

目前永磁同步电机常用的电流控制方法包括COSψ=1控制、id=0控制、最大转矩/电流控制、恒磁链控制、最大输出功率控制、弱磁控制等。其中,id=0控制又被称之为转子磁场定向控制,其属于恒转矩调速方式,主要是在定子电流幅值保持在一定的基础上,尽量确保电机以最大转矩输出。通常情况下,由于d轴电流id=0,从而导致电机的d轴电枢反应消失,致使永磁体不会被退磁,这样一来电磁转矩就只与q轴电流iq存在密切的相关性,大大提高了电流的利用率。实际上,在永磁同步电机的定子电流与励磁磁动势之间所产生的空间磁场磁动势会出现正交现象,此时所有的电流都会被用于产生电磁转矩。

2描述的是PMSM矢量控制系统框图,其由双闭环构成,内环为电流环,外环为转速环,电流环借助id=0控制方式进行控制。

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2   PMSM矢量控制系统框图

3 基于滑模观测器的永磁同步电机无速度传感器控制

在永磁同步电机运行过程中,滑模变结构控制属于特殊的非线性控制,其一般表现在控制的不连续性,可以随着时间的变化来使系统“结构”开关。与常规控制技术相比,这种控制技术的主要特点在于系统“结构”的不固定性,而且在动态运行过程中,可以根据系统状态来进行有目的的变化,以确保在一定特性下,使系统按照设定的状态轨迹来做高频率、小幅度的上下运动,即所谓的“滑模”运动。实际上,这种“滑模”运动与系统扰动及参数无关,从而使滑模控制具有对扰动及参数变化不灵敏、响应快速、物理实现简单、无需系统在线辨识等优点,并具有较强的鲁棒性,因此在永磁同步电机无速度传感器控制可以取得很好的控制效果。

滑模观测器通过分析电机的数学模型,对感应电动势进行直接估算,以此来估算电机转速和转子位置角。

永磁同步电机数学模型:

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感应电动势方程:

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由式(1-2)可知,永磁同步电机转子位置与感应电动势的相位有关,即感应电动势包含转子转速及位置信息。

为了避免实际感应电动势和估计感应电动势之间存在的误差,将两者之间存在的误差作为滑模观测器的主要观测对象,可构造如下滑膜观测器方程:

image.png

式中,“”表示估计值。

通过式(1)减去式(3),可以得到永磁同步电机的电流误差方程:

image.png

式中,k表示滑模观测器的增益,image.png,均属于观测误差。

通过对(4)进行观测发现,如果滑模观测器观测误差为0,即image.png,可以得到如下方程式:

image.png

从而实现对转子位置和转子速度进行精确估计。

基于滑模观测器无速度传感器控制系统框图如下:

image.png

3 基于滑模观测器无速度传感器控制系统框图

由于永磁同步电机的转速变化率低于电流的变化率,并且具有比较高的采样频率,从而可以有效消除相关误差的影响,进而提高无速度传感器的控制效果。在计算过程中,保持电流误差动态方程(4)稳定,就可以确保整个滑模观测器稳定,从而确保永磁同步电机的稳定性。

结束语

虽然基于滑模观测器的无速度传感器控制实现了对永磁同步电机进行有效的控制,而且稳态精度较高、鲁棒性较强,可以实现电机的正反转控制,但是当电机在启动过程中,反电动势很小,很难通过SMO估算电机的位置和转速,调速范围有限。因此,往往采用软启动方式,低速状态下让电机运行在开环状态,转速达到SMO可以估算的下限时再切换到闭环模式运行,实现宽转速范围的无位置传感器技术。

另外,当逆变器死区时间增大时,将会导致实际转子位置角和估计转子位置角之间出现相位差。虽然基于自适应滑模观测器引入了锁相环,可以由锁相环完成相位差补偿,并降低永磁同步电机对死区时间的敏感度,但是并不能够完全避免死区时间的影响,因为死区时间的增大往往会增加锁相环锁定相位的时间,降低系统的动态响应速度,此时就需要结合实际情况来对无速度传感器控制技术进行合理选择。

综上所述,在永磁同步电机运行过程中,可以结合实际情况选择与之相对应的无速度传感器控制技术,这样不仅可以确保永磁同步电机的稳定运行,而且还可以提高其运行效率。

参考文献

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(收稿日期:2020-02-14)

 


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