徐 萌,王艷陽,高 潔,米彥青
基于雙鎖相環(huán)的永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置估算方法
徐 萌1,王艷陽1,高 潔1,米彥青2
(1.中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院,天津 300300;2.天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院,天津 300072)
針對永磁同步電機(permanent magnetic synchronous motor, PMSM)無位置傳感器控制中轉(zhuǎn)子初始位置難以精確估算的問題,提出了一種基于注入變頻方波電壓的雙鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子位置估算的方案。首先對電機施加振幅相同方向相反的低頻方波電壓判別轉(zhuǎn)子極性。然后提高方波電壓頻率至3 kHz,使用一種新型的雙鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子位置估算值進行適應(yīng)性誤差補償,以提高估算精度。最后保持高頻信號注入進行電機空載、負載啟動,全程無需中斷和改變注入信號。實驗表明,該方法對轉(zhuǎn)子初始位置估算誤差最大不超過3.73°,平均估算時間為0.18 s,估算過程中電機保持靜止。當電機啟動時,雙鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)估算時間縮短18 ms,最大補償角度為38.39°。估算過程未引入電機敏感參數(shù),系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和快速性。
永磁同步電機;信號注入法;轉(zhuǎn)子初始位置;雙鎖相環(huán);誤差補償;無位置傳感器控制
近年來,隨著民航局節(jié)能減排工作的不斷推進,機場特種車輛“油改電”進入全面推廣階段。永磁同步電機具有功率密度高、動態(tài)響應(yīng)快、過載能力強和高效節(jié)能等優(yōu)點[1],適用于機場低速平穩(wěn)的特殊工況,廣泛應(yīng)用于機場電動牽引車、擺渡車等特種車輛的純電力驅(qū)動系統(tǒng)[2]。永磁同步電機(permanent magnetic synchronous motor, PMSM)自身具有非線性和強耦合的特點[3],轉(zhuǎn)子位置的準確辨識對PMSM的高性能控制至關(guān)重要,如果角度信息不準確則無法施加合適的磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子,但是傳統(tǒng)的機械位置傳感器存在安裝成本高和可靠性低等問題,因此無位置傳感器控制逐漸成為PMSM的新型控制方式。文獻[4]使用改進的滑模觀測器進行轉(zhuǎn)子位置跟蹤,減少了參數(shù)估算誤差,但此方法只適用于中高速階段。反電動勢較弱的零低速階段,尤其是零速下的轉(zhuǎn)子位置的準確估算是PMSM高性能控制的關(guān)鍵問題之一,精準的轉(zhuǎn)子初始位置是電機成功啟動的前提條件[5]。
目前,在無位置傳感器控制中,轉(zhuǎn)子初始位置角主要通過外加激勵信號估算,由于PMSM的凸極特性,產(chǎn)生的響應(yīng)電流會包含轉(zhuǎn)子位置信息[6]。凸極性可以通過兩種方式獲得:一種是電機本身的凸極結(jié)構(gòu)存在的凸極性[7],常見于內(nèi)置式永磁同步電機;另一種是通過對表貼式永磁同步電機施加高頻信號,人為地制造磁路飽和,產(chǎn)生的“飽和凸極性”使交直軸電感差異增大,凸極性較弱的電機也能進行轉(zhuǎn)子位置估算[8-9]。
高頻脈振電壓注入法是將高頻正弦電壓注入到軸,采集軸高頻響應(yīng)電流并進行濾波處理后,使用鎖相環(huán)(phase-locked loop, PLL)進行轉(zhuǎn)子位置估算[10-11]。文獻[12]對單鎖相環(huán)的環(huán)路濾波器加裝了非線性飽和度模塊,提高了濾波性能和鎖相精度。高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法將高頻正弦電壓注入到軸,通過分離高頻響應(yīng)電流的正負序分量提取轉(zhuǎn)子位置角[13-14],但是基于高頻正弦信號注入的角度解調(diào)算法較為復(fù)雜,而且濾波器的存在會帶來時延,動態(tài)響應(yīng)較慢。高頻方波信號調(diào)制簡單,在信號解調(diào)過程中無需過多的濾波[15],在很大程度上簡化了信號處理流程。文獻[16]使用高頻方波注入法進行轉(zhuǎn)子初始位置估算,并且對軸電感變化引起的誤差進行補償。文獻[17]提出了一種無濾波器的鎖相環(huán)解耦轉(zhuǎn)子初始位置的方法,最大估算誤差為7.6°。文獻[18]通過正交鎖相環(huán)對逆變器等非線性誤差進行補償,提高了估算的準確性,但是未考慮鎖相環(huán)本身帶來的時間延遲。文獻[19]提出了一種軟鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)準確獲得電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子角度信息,但依賴反電動勢進行計算。在以上方法中,依然存在時延帶來的轉(zhuǎn)子位置估算不準確的問題。
此外,由于PMSM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對稱性,在對轉(zhuǎn)子位置估算完成后還需要進行極性判斷[20],通常通過注入正負電壓信號[21]后測量軸的響應(yīng)電流幅值或分析二次諧波[22-23]進行極性判斷,但這些方法會帶來注入信號中斷和改變注入信號類型的問題,給信號調(diào)制帶來困難,增加了轉(zhuǎn)子初始位置估算和啟動的時間。
針對轉(zhuǎn)子位置估算不準確和極性判斷復(fù)雜的問題,本文提出了一種連續(xù)信號注入,使用雙鎖相環(huán)(double phase-locked loop, DPLL)結(jié)構(gòu)估算轉(zhuǎn)子初始位置的方法。首先向PMSM注入低頻的方波信號進行極性判斷,然后提高注入方波電壓的頻率,使用一種新型的雙鎖相環(huán)結(jié)構(gòu),將PLL的輸出與相電流進行二次鎖相,對濾波器等環(huán)節(jié)引起的時延進行相位補償,結(jié)合極性判斷結(jié)果給出精確的轉(zhuǎn)子初始位置值,最后保持方波電壓注入對電機進行空載、負載啟動。仿真實驗和電機硬件實驗證明了轉(zhuǎn)子位置估算精度的改善和估算時間的縮短,驗證了方法的可行性。
建立永磁同步電機坐標系如圖1所示。
圖1 永磁同步電機坐標系示意圖
PMSM在三相坐標系下的電壓方程為
式(1)在坐標系下可寫為
圖2 高頻方波信號示意圖
其中電壓表示為
高頻方波信號的注入形式為
圖3 鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖
鎖相環(huán)的濾波器環(huán)節(jié)會不可避免地帶來時延,轉(zhuǎn)子角度估算值滯后于相電流相位,在估算過程中造成誤差。為了減小這一影響,本文提出了一種雙鎖相環(huán)結(jié)構(gòu),將PLL輸出的估算角度與相電流重構(gòu),二次鎖相得到角度誤差補償。
式中,。重構(gòu)后的信號與誤差補償電流同相位。
2.寒山詩的文化特征:寒山詩融合了中國儒釋道多重文化,思想深刻、內(nèi)容豐富。著名學(xué)者錢學(xué)烈指出,寒山詩熔鑄了儒、道、釋三大哲學(xué)體系,是作者百余年生活經(jīng)歷的真實記錄,也是他由儒入道,由道入佛,由佛入禪,這一新路歷程的形象反映。她把寒山詩分為自敘詩、風俗詩、隱逸詩和禪佛詩,并認為自敘詩和風俗詩,大都打上了儒家思想的烙??;隱逸詩則浸潤老莊,頗俱仙風道骨,是藝術(shù)水平最高者;禪佛詩為釋家禪林稱道,至有“詩僧”之名。[7]
雙鎖相環(huán)誤差補償結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。
轉(zhuǎn)子位置角估算完成后,由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對稱性,還需要進行轉(zhuǎn)子極性判斷。如圖6所示,由于流過繞組的電流與轉(zhuǎn)子磁場同向時具有增磁作用,PMSM工作點會發(fā)生移動,因此采用正反兩個方向的直流電壓矢量注入PMSM,測量并比較瞬態(tài)響應(yīng)電流峰值,當電壓與軸同向時,電流幅值較大,因此可以判斷轉(zhuǎn)子極性。
圖5 雙鎖相環(huán)誤差補償結(jié)構(gòu)圖
圖6 d軸磁飽和特性曲線
但是上述流程需要在高頻電壓注入后額外注入一次不同的電壓信號,這種位置檢測流程有兩個缺點:1) 注入信號需要中斷和更換類型;2) 高頻信號對永磁體的增磁作用可能影響極性判別信號的響應(yīng),造成辨別失敗。
本文使用變頻率信號注入,并對轉(zhuǎn)子初始位置判斷流程進行改進,首先使用低頻方波電壓進行轉(zhuǎn)子的極性判斷,再提高注入信號的頻率至3 kHz進行轉(zhuǎn)子位置的辨識,這種注入策略無需中斷注入信號,也不會引入噪聲干擾。變頻方波電壓時序圖如圖7所示。
圖7 變頻方波電壓時序圖
圖8 轉(zhuǎn)子位置估算系統(tǒng)框圖
為了驗證本文提出方法的效果,對一臺內(nèi)置式永磁同步電機建立仿真模型進行實驗,參數(shù)如表1所示。
表1 永磁同步電機參數(shù)
給定轉(zhuǎn)速為0,即靜止狀態(tài)下,注入幅值為80 V、時序如圖7所示的變頻方波電壓進行極性判斷和轉(zhuǎn)子初始位置估算,仿真時間為0.5 s。
設(shè)定轉(zhuǎn)子初始角度為207°(27°+180°),估算過程如圖11所示。
圖9 轉(zhuǎn)子初始角度27°時的估算過程
兩次計算過程中,DPLL估算過程的電機轉(zhuǎn)速波形如圖12所示,在估算過程中基本保持了靜止,轉(zhuǎn)子初始位置估算值有效,對電機的平穩(wěn)啟動不會造成影響。
圖10 極性判斷及注入信號變化過程
圖11 轉(zhuǎn)子初始角度207°時的估算過程
圖12 雙鎖相環(huán)估算過程中電機轉(zhuǎn)速波形
圖13為0°~360°的全范圍轉(zhuǎn)子位置估算結(jié)果,平均估算時間(不含極性判斷)0.18 s。估算誤差如圖14所示,估算誤差最大不超過3.73°。轉(zhuǎn)子初始位置估算過程中電機保持靜止狀態(tài)。
圖13 雙鎖相環(huán)對不同轉(zhuǎn)子初始位置的估算結(jié)果
圖14 雙鎖相環(huán)估算誤差
完成轉(zhuǎn)子初始位置估算后,將電機啟動至轉(zhuǎn)速200 r/min,以驗證初始位置檢測的正確性。圖15為使用DPLL結(jié)構(gòu)時電機空載啟動過程的轉(zhuǎn)速波形,啟動過程平滑穩(wěn)定,在0.26 s后達到給定轉(zhuǎn)速。
圖15 使用雙鎖相環(huán)時電機空載啟動轉(zhuǎn)速波形
圖16對比了兩種鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)在空載啟動過程中對轉(zhuǎn)子位置的跟蹤效果,DPLL對誤差進行補償,位置估算比PLL快18 ms,速度提升90%,低速階段DPLL位置跟蹤效果更好。啟動過程中的相電流波形如圖17所示。
圖16 空載啟動時轉(zhuǎn)子位置
圖17 使用雙鎖相環(huán)時電機空載啟動相電流波形
圖18為負載啟動時兩種結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子位置的跟蹤效果,DPLL相比PLL響應(yīng)速度更快。圖19為使用雙鎖相環(huán)時電機負載啟動轉(zhuǎn)速波形,由圖19可以看出,電機在0.147 s達到給定轉(zhuǎn)速。圖20 為使用雙鎖相環(huán)時電機負載啟動相電流波形。對比圖17與圖20可以看出,由于負載的不同,相電流幅值發(fā)生變化,其相位與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)。
表2為兩種結(jié)構(gòu)的實驗結(jié)果對比。從轉(zhuǎn)子初始位置估算來看,DPLL相比PLL平均估算時間縮短20 ms,最大估算誤差減小5.63°,更有利于電機的快速平穩(wěn)啟動。電機啟動時,DPLL對轉(zhuǎn)子位置跟蹤更緊密,在空載和負載啟動時,DPLL估算的時延更小,轉(zhuǎn)子位置估計值更接近轉(zhuǎn)子位置真實值,能夠更快、更穩(wěn)定地達到給定轉(zhuǎn)速。
圖18 負載啟動時轉(zhuǎn)子位置
圖19 使用雙鎖相環(huán)時電機負載啟動轉(zhuǎn)速波形
圖20 使用雙鎖相環(huán)時電機負載啟動相電流波形
表2 實驗結(jié)果
以一臺表1所示參數(shù)的內(nèi)置式永磁同步電機為實驗對象,以STM32F405為控制核心,對本文提出的方法進行硬件實驗驗證。
圖21為轉(zhuǎn)子初始位置估算過程曲線和軸響應(yīng)電流曲線。
圖21 初始角度為27°時的估算過程
圖22為電機從靜止啟動至轉(zhuǎn)速為200 r/min時,雙鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)子位置的跟蹤效果。
圖22 啟動時轉(zhuǎn)子位置與電流波形
本文針對永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置估算不準確的問題,提出了一種雙鎖相環(huán)結(jié)構(gòu),對單鎖相環(huán)的計算結(jié)果進行誤差補償,提高了對轉(zhuǎn)子初始位置估算的準確性和啟動后對轉(zhuǎn)子位置的跟蹤能力。針對信號注入流程進行了改進,從靜止狀態(tài)的極性判斷、轉(zhuǎn)子初始位置估算至啟動過程無需中斷注入信號和改變信號類型,簡化了估算流程,縮短了電機從靜止到啟動所需時間。
仿真和實驗證明,本文提出的信號注入流程和雙鎖相環(huán)結(jié)構(gòu),在靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)子初始位置計算、空載啟動和負載啟動的情況下,都對轉(zhuǎn)子位置估算保持了良好的效果,降低了時間延遲,誤差補償過程未引入敏感參數(shù),系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效運行。
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Rotor initial position estimation method of PMSM based on a double phase-locked loop
XU Meng1, WANG Yanyang1, GAO Jie1, MI Yanqing2
(1. College of Electronic Information and Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China;2. School of Electrical and Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)
In sensorless control of a permanent magnet synchronous motor (PMSM), the initial position estimation is difficult. An accurate estimation method based on square-wave voltage injection with frequency conversion and double phase-locked loop is proposed. First, the polarity of the rotor is determined by applying a low frequency square wave voltage in the opposite direction of the same amplitude. Then, the frequency is increased to 3 kHz, and a double phase-locked loop is used to compensate the rotor position adaptively to improve estimation accuracy. Finally, it keeps signal injection for PMSM start-up with no-load and load experiments. The injected signal is not interrupted nor changed during the whole process. Experiments show that the maximum error is less than 3.73°, and the average estimate time is 0.18 s. The motor remains stationary. When the PMSM is started up, the double phase-locked loop shortens the time by 18 ms compared with the PLL and the maximum compensation angle is 38.39°. The estimation process does not introduce sensitive parameters, and the system has good stability and speed.
PMSM; signal injection method; rotor initial position; double phase-locked loop; error compensation; sensorless control
10.19783/j.cnki.pspc.211616
國家自然科學(xué)基金項目資助(51707195);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費中國民航大學(xué)專項資助(3122013D018)
This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51707195).
2021-11-29;
2022-01-04
徐 萌(1968—),女,碩士,副教授,研究方向為航空機電設(shè)備故障診斷;E-mail: xumeng1968@126.com
王艷陽(1996—),男,碩士研究生,研究方向為永磁同步電機及其控制;E-mail: 2020022212@cauc.edu.cn
高 潔(1984—),女,通信作者,博士,講師,研究方向為電機及其控制。E-mail: jiegao@cauc.edu.cn
(編輯 魏小麗)