基于单电流传感器的永磁同步电机矢量控制.pdf
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1、:./.基于单电流传感器的永磁同步电机矢量控制王海清 李世孝(.海军装备部 甘肃 兰州 .甘肃省航空电作动重点实验室 甘肃 兰州)摘 要:永磁交流伺服驱动系统一般需要霍尔传感器采集电机转子位置信息和三相绕组电流信息 针对现代电机控制过程中至少需要使用 个电流或位置传感器的问题将改进后的电流重构技术与滑模控制技术相结合实现了基于单电流传感器对永磁同步电机的 控制 其中改进的电流重构技术仅通过测量电压源逆变器的母线电流来实现通过算法优化最终利用一个电流传感器实现了闭环控制此举提高了系统可靠性降低了系统成本关键词:矢量控制电压源逆变器电流重构无位置传感器直流母线电流中图分类号:文献标识码:文章编号:
2、()(.):.:引 言在永磁同步电机的闭环控制系统中需要检测绕组相电流作为反馈信号 为了获得电机的相电流传统的方法是在电机绕组端使用两个或三个电流传感器来检测每相绕组电流 近年来许多学者开始尝试通过分析逆变器直流母线上的电流采样值来提取重构三相绕组的电流值基于逆变器直流母线采样法的三相电流重构技术首先由英国的.提出 然而传统的重构技术存在的问题是当输出电压矢量幅值较小或电压矢量位于扇区边界时重构误差会比较大 因此众多研究人员提出了一些算法来解决当前的盲区重构问题 在文献中研究者提出修改电压矢量并引入一个预测状态观察器以减少电流重构的盲区 此外采用三个独立的自适应电流观察器的方法对低调制比区域的
3、相电流重构有很好的效果 上述方法采用了观测器这大大增加了控制算法的复杂性 在文献中作者提出通过改变 波脉冲相位来调整电压矢量作用的时间从而改善相电流重构盲区该方法从一定程度上减小了重构盲区无位置传感器控制技术可以替代电机转子位置检测组件 的无位置传感器控制一般使用电机的数学方程来估计包含磁极位置信息的磁通链路或反向电动势然后计算转子位置当电机以中高速运行时通常使用包含转子位置信息的电机反电动势来估算转子位置 这种方法在工程设计中更容易实现因此得到了广泛的应用 模型参考自适应系统建立了参考模型和可调模型然后将两个模型输出之间的差值应用于适当的调节律但该方法在感应电动机中应用更为广泛 扩展的卡尔曼
4、滤波方法将参数误差作为噪声将估量值作为状态变量利用递归方法对系统噪声进行滤波得到准确的空间状态值 但是通过这种方法获得的电机转子位置信息的计算量会较大 根据 坐标系中电机的数学模型建立滑模观测器将定子估算电流与测量电流的差作为开关函数该开关函数用于机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)电力与装备收稿日期:作者简介:王海清()男青海平安人高级工程师研究方向:航空产品质量可靠性研究通信作者:李世孝()男湖北天门人硕士研究生研究方向:电机及其控制技术研究在不同的结构之间切换系统以产生滑动模式最终收敛到开关表面上的一个稳定点笔者重点将基于直流母线采样的三相电流重构技术与基于滑模观测器的无位置传感器
5、控制技术相结合进行研究这种方法对降低系统的硬件成本和实现传统系统故障后的备用方案具有重大意义 例如在航空航天装备或军事装备的电机驱动系统中当位置传感器或单相电流传感器出现故障时只需要在软件层级切换到该文提出的解决方案即可使系统正常工作 相电流重构在电机的矢量控制系统中通常采用基于 的控制策略 根据逆变器中 个功率管的开关状态可以将基本电压矢量分为 个空间电压矢量和 个零电压矢量而每个输出电压矢量都可根据冲量定理由其中两个基本电压矢量组合作用得到 永磁同步电机伺服驱动系统通常采用图 所示的拓扑结构图 基于单个电流传感器的 驱动电路拓扑结构 在每个基本电压矢量的动作过程中六个功率管的开关状态是固定
6、的 此时直流母线电流与电机绕组的相电流之间存在一定的对应关系 将每相桥臂功率管导通的状态定义为“”功率管关断的状态定义为“”因此当三个上桥臂功率管状态为()时电流从 相绕组流入从、相绕组流出即此时直流母线电流与 相电流一致 当三个上桥臂功率管状态为()时电流从 相和 相绕组流入从 相绕组流出即直流母线电流与 相电流相同通过分析八个基本电压矢量开关状态下的电流回路得到了相应的结果 直流链路电流与相电流之间的关系如表 所列表 不同开关状态下母线电流与绕组相电流的关系开 关电 流开 关电 流 在实际电路系统中存在许多非理想因素如死区时间、功率器件的开关延迟、转换器的最小采样保持时间等 同时为了避免上
7、下桥臂直通引起的短路在工程应用中经常在同一桥臂的上下开关管的驱动信号中引入一定的死区时间 而且当功率管接收到驱动信号后功率管本身的开通和关断都有一定的延迟分别记录为 和 如图 所示为考虑功率管死区时间和开关延迟的 波形 从图 可以看出以 相桥臂的开通和关断为例实际电压输出信号与给定驱动信号之间的最大时差为 图 考虑功率管死区时间和开关延迟的 波形 当电压被施加到电机绕组时由于绕组中存在电感电流不能瞬间上升到一个稳定的值电流的建立和稳定时间 是无法消除的 当电流达到稳定值后数模转换装置开始采样和转换这里最小采样保持时间为 综上所述如果需要精确的电流采样必须确保基本电压矢量状态的动作时间不小于最小
8、时间值 这个最小时间 满足式()中的条件 ()以上阐述了基本电压矢量需要一个最小的维持时间以确保能够精确地完成电流采样 但当输出电压矢量位于扇区边界区域时将会出现其中一个基本电压矢量作用时间过小的情况 另外当电机工作在小载荷工况时输出电压矢量将位于低调制比区域此时两个基本电压矢量作用时间均较短空间矢量输出图如图 所示图 空间矢量输出图 当一个给定的电压矢量(输出电压矢量)位于第一扇区并且接近基本电压矢量 时基本电压矢量作用时间将很短无法满足当前的电流采样条件电力与装备 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用将 相桥臂的驱动信号向右移动一段时间后得到可以满足采样时间条件的电压矢量的 此时采集的
9、母线电流即为 相电流依此类推可以完成三相电流的重构 相桥臂驱动信号向右移动前的波形如图 中虚线所示平移后的波形为实线所示图 信号平移图 这种改变电压脉冲位置使有效电压矢量的作用时间大于 的方法称为脉冲位移法 以下公式证明了脉冲位移法在解决电流重构问题时不会引起给定电压矢量幅值和相位的变化 假设给定的电压矢量为 那么任何 是由 个电压矢量合成如式()所列:()()()()()()()()/()其中:()忽略两个零向量并将方程式()引入到方程式()中:()()()()()()()()()()()/()()()()()()()()()()()()/()将时间项合并:()()()()()()()()(
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