永磁同步电机低速域改进高频脉振注入控制_吕德刚.pdf
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1、第 27 卷第 6 期2022 年 12 月哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报JOUNAL OF HABIN UNIVESITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol.27No.6Dec.2022特约稿件永磁同步电机低速域改进高频脉振注入控制吕德刚,姜国威,纪堂龙(哈尔滨理工大学 大型电机电气与传热技术国家地方联合工程研究中心,哈尔滨 150080)摘要:针对零低速情况下,永磁同步电机高频脉振注入无位置传感器控制系统在转子位置信息提取时信号误差较大的问题,提出采用二阶广义积分器来代替传统控制方法所采用的低通滤波器来进行转子位置信息的提取,并结合自抗扰控制方法,提高高频脉振注
2、入方法的精度。以实际所需提取信号的频率为输入量,选取表贴式永磁同步电机,采用传统电机双闭环控制结合场定向控制进行仿真。选取 DSP 最小系统板作为控制板,结合驱动板和电机搭建电机实验平台进行实验,通过对比改进前后实验结果,得出改进后的控制方法能够更好的减小转速误差以及转子位置信息误差,使电机估计转速与估计转子位置更能接近实际给定值的结论。关键词:表贴式永磁同步电机;高频脉振注入;矢量控制;无位置传感器DOI:10 15938/j jhust 2022 06 004中图分类号:TM351文献标志码:A文章编号:10072683(2022)06003209Improved High Frequen
3、cy Pulse Injection Control Inlow SpeedDomain of Permanent Magnet Synchronous MotorL De-gang,JIANG Guo-wei,JI Tang-long(Key Lab of National and Local United Engineering for Electric and Heat Transfer Technology of Large Electrical,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)Abstra
4、ct:For zero cases at low speed,high frequency pulse vibration injection of sensorless permanent magnetsynchronous motor control system in the rotor position information extraction problem of error signal,and second-order generalized integrator is proposed to replace the traditional control method ad
5、opted by the low-pass filter forrotor position information extraction,and combining the immunity control method,improve to the accuracy of highfrequency pulse vibration injection method.Taking the actual frequency of the extracted signal as the inputquantity,the table-mounted permanent magnet synchr
6、onous motor was selected,and the traditional motor doubleclosed-loop control combined with field directional control was used for simulation.Selecting DSP minimum systemboard as panel,in combination with the driven plate and motor set up experimental platform experiment,bycomparing the results befor
7、e and after improvement,it is concluded that the improved control method can betterreduce the speed and rotor position information error,making the motor estimated speed and rotor position closer toa given value conclusion.Keywords:surface mount permanent magnet synchronous motor;high frequency puls
8、e injection;vectorcontrol;position sensorless收稿日期:2022 08 09基金项目:国家自然科学基金(51107023)作者简介:姜国威(1998),男,硕士研究生;纪堂龙(1997),男,硕士研究生通信作者:吕德刚(1976),男,博士,教授,博士研究生导师,E-mail:lvdegang619126 com0引言永磁同步电机适用于调速范围大、精度要求高的场合,具有结构简易,动态相应快,电机可靠性高等优点1 6。目前传统永磁同步电机控制系统需要在电机转轴上安装位置传感器来进行信息回馈,由于安装位置传感器会降低系统稳定性和可靠性,针对以上问题提出采
9、用无位置传感器控制技术来改进现有控制方法。目前在零低速领域,高频脉振注入法得到了广泛的应用7 10。文 11分析了逆变器非线性导致了包含转子位置信息的电流信号畸变,并研究了离线处理数据的查表法和基于逆变器开关器件的电流相关电阻特性法。文 12在处理转子位置信息时增加了对 PWM 死区问题的处理,滤除在提取转子位置信息中包含的 6 次谐波,提高转子位置信号的精度。文 13提出一种无滤波器高频脉振注入算法来提取转子位置信息。文 14提出在检测转子初始位置时通过注入一个脉冲信号来获取转子初始位置,并且在计算转子位置信息时使用基于二次插值法滤波进行位置观测。高频脉振注入控制方法的核心是提取转子位置信息
10、,提取信息的精度直接影响到控制效果,在提取转子位置信息时误差不可避免,为了进一步降低转速误差,本文选取二阶广义积分器来提取位置信息,并结合自抗扰控制进一步减小转子位置信息误差,并进行仿真和实验研究。1永磁同步电机的数学模型永磁同步电机按照永磁体摆放方式可以分为表贴式和内置式,首先建立永磁同步电机在旋转坐标系下的电压方程:Ud=id+ddtd eqUq=iq+ddtq+ed(1)式中:Ud、Uq分别为 d、q 坐标系下的电压分量,id、iq为 d、q 坐标系下的电流分量。磁链方程如下:d=Ldid+fq=Lqiq(2)式中:Ld和 Lq为交直轴电感分量;f为永磁体磁链。将磁链方程带入电压方程中可
11、得:Ud=id+Ldddtid eLqiqUq=iq+Lqddtiq+e(Ldid+f)(3)由于交直轴电压存在耦合现象,需要进行定子前馈解耦,可得:Ud=id+LdddtidUq=iq+Lqddtiq(4)在完成定子电压解耦之后,需要根据机械运动方程来求解 e,公式如下:Jdmdt=Te TL Bm(5)式中:Te为电磁转矩;TL为负载转矩;B 为阻尼系数;J 为转动惯量;m为机械角速度。上式中阻尼系数影响很小,通常忽略,可得电磁转矩公式如下:Te=32pniq id(Ld Lq)+f(6)式中 pn为电机极对数。2高频脉振注入法2 1传统高频脉振注入原理高频脉振注入法向直轴注入高频正弦电压
12、信号后,电机产生饱和凸极效应,电机定子侧响应的高频电流信号中将会包含转子位置信息,将检测到的高频响应电流信号通过坐标转换得到估计轴系旋转坐标系下的交轴分量,再通过对响应高频电流进行一系列滤波处理然后进行幅值调制,经过处理后可以得到包含转子位置信息的位置估计误差信号,将得到的误差信号作为输入信号输出给转子位置观测器就能计算出估计的电角速度和位置信息15 18。实际轴和估计轴的关系如图 1 所示,图中 e为估计轴转子位置,定义 e=e e为转子位置误差角。33第 6 期吕德刚等:永磁同步电机低速域改进高频脉振注入控制图 1实际轴与估计轴位置关系Fig.1Position relation betw
13、een actual axisand estimated axis由图 1 可以推出实际轴与估计轴的关系为id=(idcose iqsine)iq=(idsine+iqcose)(7)其变换矩阵为T2r/2 r=cose sinesinecose(8)取逆变换矩阵:T2 r/2r=cosesine sinecose(9)则估计 dq轴与实际 dq 轴的电流关系为idhiqh=T2r/2 ridhiqh(10)在高频激励信号下idhiqh=T2 r/2r1/Zdh001/Zqhudhuqh=1ZqhZdhZavg Zdifcos2eZdifsin2eZdifsin2eZavg Zdifcos2e
14、udhuqh(11)式中 Zavg=(Zdh+Zqh)/2,Zdif=(Zdh Zqh)/2 分别为平均阻抗和半差阻抗。在估计 d、q轴的 d轴注入高频电压信号:udhuqh=Uhcos(ht)0(12)式中:Uh为高频电压幅值;h为高频电压角频率。结合式(3)和式(4)可得:idh=UhcoseZdhZqh(Zavg Zdifcos2e)iqh=UhcoseZdhZqhZdifsin2e(13)由式(13)可以看出,得到的估计交直轴电流均包含转子位置信息,但是由于直轴电流分量上还存在直流分量,相较于交轴电流分量不易于提取所需的转子位置信息,所以采用处理交轴电流分量的方法来获取转子位置信息。首
15、先进行幅值调制:iqh2sin(ht)=Uhsin(2ht)ZdhZqhZdifsin2e(14)再经过低通滤波器可以获得位置估计误差信号:f(e)=LPF(iqh2sin(ht)=UhZdifZdhZqhsin2e(15)当转子位置误差角 e较小时,可将 f(e)和e近似看成正比:f(e)=kerre(16)式中 kerr为正常数。把上述信号作为输入信号输出给转子位置观测器,计算出转子位置信息作为双闭环控制的反馈信号,回馈给 PI 控制器。2.2改进高频脉振注入对上述传统高频脉振注入使用低通滤波器造成滤波效果不好导致转子位置信息误差较大的问题,做出如下改进:首先使用二阶广义积分器来代替低通滤
16、波器对基波信号进行提取。二阶广义积分器(second-order general integrator(SOGI)是近些年发展起来的一种新型滤波器结构,结构如图 2 所示。图 2二阶广义积分器Fig.2Second order generalized integrator图中 x 为输入信号,y1、y2为输出信号,r为给定频率,k 为可调节的比例参数。43哈尔滨理工大学学报第 27 卷输出信号 y1、y2的传递函数为H1(s)=y1x=krss2+krs+2r(17)H2(s)=y2x=k2rs2+krs+2r(18)SOGI 的输出信号 y1可以在输入信号 x 中提取频率为 r的谐波并且抑制
17、其他频率的谐波,达到提取特定频率谐波的功能,根据这一特性,同时取输出信号 y1与输入信号 x 相减可以得到消除了频率为r谐波的输出信号 y2,达到剔除特定频率谐波的功能。而且 SOGI 在作为提取特定频率谐波的工具时,存在一个内环调节,可以避免阶跃信号对输出信号 y1的影响。为了验证 SOGI 的滤波效果,搭建如图 3 的仿真模型。图 3SOGI 滤波效果验证Fig.3SOGI filtering effect verificationSine Wave1 为频率为 10 Hz 幅值为 1 的正弦信号,Sine Wave2 为频率为 50 Hz 幅值为 1 的正弦信号,给定频率 r为 20 r
18、ad/s。使用加法器使两种信号耦合作为输入信号通入 SOGI 中,利用示波器观察滤波前后效果,通过改变比例参数 k 观察滤波效果,来取得合适的 k 值,不同 k 值对应的滤波特性如图 4 6 所示。图 4k 取 0.1Fig.4k for 0.1图 5k 值取 1Fig.5k for 1图 6k 值取 5Fig.6k for 5由仿真结果图可以看出,SOGI 的输出信号不包含频率为 50 Hz 的谐波信号,能够有效的提取出与给定频率 r相同频率的基波信号,并且几乎不存在相位延迟的问题。说明 SOGI 不仅可以很好的提取出目标次数谐波,而且相位基本上一致,具有良好的滤波特性。同时 k 的取值可以
19、改变 SOGI 的动态响应速度,当 k 值过小时,会产生动态响应慢的问题,如图 4 在 1 s 时仍不能达到较好的滤波效果,同时 k 的取值过大时,会产生稳态响应误差大的问题,如图 6 能够很明显的看出虽然取得较大的 k 值可以让 SOGI 输出信号很快的跟踪到基波信号,但是后续会产生输出波形畸变,信号谐波含量大的问题。综合上述分析 k 值取 1。针对 PI 控制器对误差消除总是存在时间延迟的问题,提出使用自抗扰控制器来代替转速外环的PI 控制器19。为了与 PI 控制实现等效,使用一阶自抗扰控制即可实现,如图 7 所示。53第 6 期吕德刚等:永磁同步电机低速域改进高频脉振注入控制图 7一阶
20、自抗扰控制器结构图Fig.7Second order generalized integrator由于自抗扰控制调参困难,高志强教授在 2006年美国控制会议上发表了相关文章,提出了带宽法20,简化了自抗扰控制的调参,也是现在使用最多的方法。自抗扰控制可以将所有形式的控制对象都可以写成:?y=bu+f1(y,t)(19)式中 y 为系统输出;为系统的外扰;t 为系统的时变;b 为控制量的增益是系统的固有参数。在控制中无法准确估计 b 的真实值,对他的估计值称为 b0,我们可以通过处理将 b 估计不准的部分算入系统的总扰动中,如公式(20):?y=b0u+bu b0u+f1(y,t)=b0u+f
21、1(y,t)(20)为了能够等效 PI 控制器,首先将线性扩张状态观测器(LESO)写成矩阵的形式,并且把设计好的 u带入可得:?z1?z 2=11 20z1z 2+b0102u y(21)u=(c(r z1)z2)/b0(22)?z1?z 2=1 kp0 20z1z 2+kp102r y(23)z1(s)z2(s)=kps+1+kp1s+1+kp 2kps2+(1+kp)s2s+2kps2+(1+kp)sr(s)y(s)(24)可以利用 MATLAB 推出 U 的传递函数:U(s)(s)=kps2+1kps+2kpb0s2+(b01+b0kp)sU(s)Y(s)=(1kp+2)s+2kpb0
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