基于磁鏈觀測(cè)器的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)
唐挺，梁暉
(北京交通大學(xué)，北京100044)
摘要：將改進(jìn)型積分器作為永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)的磁鏈觀測(cè)環(huán)節(jié)，通過(guò)定子磁鏈觀測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM磁極位置的估計(jì)，結(jié)合矢量控制構(gòu)成無(wú)位置傳感器矢量控制系統(tǒng)。該改進(jìn)型積分器消除了純積分器帶來(lái)的初值不準(zhǔn)確、直流偏移等問(wèn)題，又可以獲得比低通濾波器更優(yōu)的性能。仿真結(jié)果表明，PMSM無(wú)位置傳感器矢量控制系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)勝能好，抗干擾能力強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；無(wú)位置傳感器；磁鏈觀測(cè)器；矢量控制；仿真
中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)08—0040—03
0 引言
永磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMSM)具有體積小、重量輕、功率因數(shù)高、效率高、低速力矩特性好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代交流傳動(dòng)系統(tǒng)中。PMSM的運(yùn)動(dòng)控制需要精確的轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向。在傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，通常采用旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器來(lái)檢測(cè)速度和轉(zhuǎn)子位置。這些傳感器給電機(jī)的運(yùn)行帶來(lái)了一系列的問(wèn)題，加大了電機(jī)的尺寸，降低了系統(tǒng)的可靠性，增加了調(diào)速系統(tǒng)的成本。因此，采用無(wú)位置傳感器控制技術(shù)就成為PMSM調(diào)速系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。
目前，各國(guó)學(xué)者已經(jīng)提出了很多電機(jī)轉(zhuǎn)子速度和磁極位置的估算方法。按其理論上的特點(diǎn)，大致分為：(1)基于PMSM基本電磁關(guān)系估算轉(zhuǎn)速的方法。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)相應(yīng)快，但是對(duì)電機(jī)參數(shù)的魯棒性差；(2)基于電機(jī)凸極效應(yīng)的估計(jì)方法。該方法不依賴于電機(jī)的基波方程和參數(shù)，可在全速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)位置估計(jì)，但需要額外的硬件電路，增加了系統(tǒng)成本和不穩(wěn)定性；(3)基于各種觀測(cè)器技術(shù)的位置辨識(shí)方法。這種方法動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn)定性高、參數(shù)魯棒性強(qiáng)，然而算法復(fù)雜，計(jì)算量很大，受到計(jì)算機(jī)和微處理器計(jì)算速度的限制；(4)人工智能理論基礎(chǔ)上的估算方法。它們不需要系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，并且可被應(yīng)用于非線性系統(tǒng)。但是復(fù)雜的算法、繁重的計(jì)算量及對(duì)系統(tǒng)控制所需的專家知識(shí)卻大大限制了這些方法在實(shí)際中的應(yīng)用。
本文采用了一種改進(jìn)的磁鏈觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈的觀測(cè)和磁極位置的估計(jì)，構(gòu)成了新型的無(wú)位置傳感器PMSM SVPWM系統(tǒng)。仿真表明，系統(tǒng)對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化有良好的魯棒性，在較低速范圍區(qū)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，取得良好效果。
1 PMSM的數(shù)學(xué)模型
為建立PMSM的d—q軸數(shù)學(xué)模型，首先作如下假設(shè)：忽略電動(dòng)機(jī)的鐵心飽和；不計(jì)電動(dòng)機(jī)中的渦流和磁滯損耗；電動(dòng)機(jī)的電流為對(duì)稱電流，從而得到以下簡(jiǎn)化的電壓、磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程。
式中：ud、uq、id、iq、Ψd、Ψq、Ld、Lq分別為d—g軸定子電壓、電流、磁鏈、電感，R為定子電阻，p為極對(duì)數(shù)ωm為轉(zhuǎn)子角速度，ωe為機(jī)械角速度，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Ψ0為永磁體磁鏈，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B為阻尼系數(shù)，p為相分算子。如圖l所示。
2磁鏈觀測(cè)器原理
PMSM磁鏈模型傳統(tǒng)上采用U-I模型：
這種模型最為簡(jiǎn)單和常用，它在高速域精度高，很有優(yōu)勢(shì)，但在低速域因積分式中的Ris項(xiàng)的誤差使模型精度嚴(yán)重下降。同時(shí)，由于采用純積分器來(lái)估計(jì)定子磁鏈，存在直流偏移和初始值問(wèn)題，且永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上有初始激磁，轉(zhuǎn)子磁極定位方法不可避免地帶來(lái)轉(zhuǎn)子激磁的初始值在幅值和相位上的不準(zhǔn)確。因此，本文引入了一種新型的改進(jìn)型積分器來(lái)觀測(cè)定子磁鏈。該改進(jìn)型積分器不但適合于同步電機(jī)控制中磁鏈給定為一恒值，而且適合于磁鏈估計(jì)存在初始條件不準(zhǔn)確的因素。
帶飽和限幅反饋的改進(jìn)積分器結(jié)構(gòu)如圖2所示。
該觀測(cè)器是專門為交流電機(jī)磁鏈估計(jì)而設(shè)計(jì)的。在交流電機(jī)控 |
