黃肇，袁旭龍，王曉芳
(邵陽學(xué)院，湖南邵陽422004)
摘要：依據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，提出一種模型參考自適應(yīng)辨識(shí)算法來估算轉(zhuǎn)子的位置。永磁同步電動(dòng)機(jī)無位置傳感器的調(diào)速系統(tǒng)采用空間矢量脈寬調(diào)制策略以減小逆變器輸出電壓的諧波成分，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
仿真結(jié)果證實(shí)了型參考自適應(yīng)辨識(shí)算法對(duì)轉(zhuǎn)子位置跟蹤準(zhǔn)確．系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性，是實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制的一種實(shí)用方法。
關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；模型參考自適應(yīng)；空間矢量脈寬調(diào)制；魯棒性
O引 言近年來，永磁同步電動(dòng)機(jī)由于具有高可靠性、高轉(zhuǎn)矩慣量比、高效率和高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制需要精確的轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)去實(shí)現(xiàn)磁場定向，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檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度。然而，額外的傳感器、連接器、電纜等增加了系統(tǒng)的成本，『而且降低了系統(tǒng)的可靠性[1-2]。元傳感器技術(shù)是目前交流傳動(dòng)的一大發(fā)展方向，適用于一些特殊的應(yīng)用場合。因此，越來越多的學(xué)者將目光放在無速度傳感器控制系統(tǒng)的開發(fā)。
永磁同步電動(dòng)機(jī)無位置傳感器的調(diào)速系統(tǒng)采用空間矢量脈寬調(diào)制策略，以減小逆變器輸出電壓的諧波成分，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。估算轉(zhuǎn)子位置角的主要有兩大類：第一類主要是利用永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系并檢測出定子電流幅值，根據(jù)其電流幅值在空間上的各相差異性估計(jì)出轉(zhuǎn)子實(shí)際位置；第二類是間接地從永磁同步電動(dòng)機(jī)的反電勢中提取位置信息，這種方法具有良好的動(dòng)態(tài)性能，但是在低速時(shí)轉(zhuǎn)子位置很難估算[3-4]。文獻(xiàn)[5—6]采用定子磁鏈估計(jì)法，磁鏈由反電勢積分求得，但是由于積分器的漂移問題，得到的磁鏈值會(huì)有積分誤差。文獻(xiàn)[7—8]
采用卡爾曼濾波器估計(jì)法，可以從隨機(jī)噪聲信號(hào)中得到****觀測，但采用這一算法計(jì)算量較大，需要高速、高精度的DsP，使得永磁同步電動(dòng)機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的硬件成本提高。文獻(xiàn)[9-10 ]采用滑模觀測器估算法，可以選擇合適的反饋值來估算轉(zhuǎn)子位置，但受電機(jī)參數(shù)的影響較大。鑒于此，本文提出一種模型參考自適應(yīng)辨識(shí)算法來估算轉(zhuǎn)子的位置。依據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系檢測出id、iq通過模型參考自適應(yīng)控制的可調(diào)模型檢測出id、iq，再利用模型參考自適應(yīng)辨識(shí)算法估算出ωr。
仿真結(jié)果證實(shí)了模型參考自適應(yīng)辨識(shí)算法對(duì)轉(zhuǎn)子位置跟蹤準(zhǔn)確，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性，是實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)元位置傳感器控制的一種實(shí)用方法。
1永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型
基于MRAs和sVPwM的永磁同步電機(jī)無位置傳感器的控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，為了采用MRAs觀測器法實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢查，先建立PMsM在d—q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，定子電壓、電流通過坐標(biāo)變換得到vd、vq和id、iq，再充分利用永磁同步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，建立MRAs觀測器來實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的無位置傳感器的控制技術(shù)。最后永磁同步電動(dòng)機(jī)無位置傳感器的調(diào)速系統(tǒng)采用svPwM以減小逆變器輸出電壓的諧波成分，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)．
永磁同步電動(dòng)機(jī)把永磁體作為轉(zhuǎn)子，三相a、bc對(duì)稱繞組作為定子，在定子三相繞組中通以相位相差120。的二相電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的定子磁場，該磁場與永磁體勵(lì)磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。通常按照轉(zhuǎn)子dq坐標(biāo)系進(jìn)行定向，其電壓方程如下：
式中：J為慣性系數(shù)f為摩擦系數(shù)；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；tem為電磁轉(zhuǎn)矩；∞為轉(zhuǎn)子機(jī)械速度，ω=pωr；p為磁極極對(duì)數(shù)。
矢量控制實(shí)際上是對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)定子電壓
于是，電機(jī)轉(zhuǎn)矩僅僅包括電磁轉(zhuǎn)矩Tem，定子電流合成矢量與g軸電流相等，這就與直流電動(dòng)機(jī)的控制原理一樣，只要能夠檢測出轉(zhuǎn)子位置(d軸)，使三相定子電流的合成矢量位于q軸上就可以r。圖1給出id=O時(shí)的電流控制方式的系統(tǒng)框圖。
2空間矢量PwM調(diào)制
svPwM控制策略采用逆變器空間電壓矢量的切換以獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而在不高的開關(guān)頻率時(shí)，提高了電壓型逆變器的電壓利用率和永磁同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，同時(shí)減小了電壓型逆變器輸出電壓的諧波成分，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[1]。對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的三相進(jìn)行分析和控制時(shí)，若引入Park矢量，會(huì)將3個(gè)標(biāo)量(二維)變換為1個(gè)矢量(二維)：設(shè)以直流側(cè)中點(diǎn)O作為參考點(diǎn)，則上管導(dǎo)通
三相電壓源型逆變器由六個(gè)功率開關(guān)器件組成。如果不考慮死區(qū)時(shí)，逆變器的上橋臂和下橋臂的開關(guān)呈互逆狀態(tài)，所以只用上橋臂的三個(gè)功率開關(guān)器件來描述逆變器的工作狀態(tài)就足夠了。如果把上橋臂的功率開關(guān)器件的導(dǎo)通狀態(tài)用“1”表示，關(guān)斷狀態(tài)用“0”表示，那么上橋臂的三個(gè)功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)共有八種組合，構(gòu)成了對(duì)應(yīng)的電壓空問矢量，分別表示為：s1(100)、s2(1lO)、s3(OlO)、s4(011)、s5(001)、s6(101)、s0(000)、s7(111)，這8個(gè)矢量就是基本空間電壓矢量，如圖3所示。從逆變器的正常工作看，前六個(gè)工作狀態(tài)是有效的，稱為有效矢量，有效矢量長度均等于2/3Vdc，而s0(000)、s7(111)兩個(gè)工作狀態(tài)是無效的，變換器輸出的電壓空間矢量等于零，所以稱為零矢量。
根據(jù)矢量合成原理可知，空間矢量PwM技術(shù)是將電壓矢量u近似分解成與這-矢量相鄰的兩個(gè)基本矢量來合成。這樣就可以得到8個(gè)基本矢量的作用時(shí)間，由作用時(shí)間便可確定IcBT的動(dòng)作時(shí)間，從而產(chǎn)生PwM控制信號(hào)。一個(gè)勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量在三相空間A、B、c軸上的投影是三相對(duì)稱的正弦變量。由于變換器實(shí)際所能產(chǎn)生的矢量有限，不可能輸出角度連續(xù)變化的空間矢量。為獲得旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量，只有利用各種矢量作用時(shí)間的不同，來等效合成所需的矢量。以第1扇區(qū)為例，用最近的兩個(gè)相鄰有效矢量u1、u2和零矢量合成參考矢量u，等效矢量按平均值平衡原則合成，如圖3所示，沒需合成的參考電壓為u，則有：
4仿真與結(jié)果
本文基于Matlab／simulink 7 O對(duì)永磁同步電動(dòng)i機(jī)無傳感器矢量控制進(jìn)行了仿真研究。sVPwM開關(guān)頻率為20 kHz。仿真中使用的永磁同步電動(dòng)機(jī)將模型參考自適應(yīng)觀測器和空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電動(dòng)機(jī)無速度傳感器矢量控制中，完成永磁同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)及無傳感器閉環(huán)運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)。從圖6和圖7可以看出，模型參考自適應(yīng)速度觀測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確觀測轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，估計(jì)轉(zhuǎn)速及位置能較好地跟蹤實(shí)際值變化，具有較好的抗擾動(dòng)能力。由圖8可以看出，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電流迅速達(dá)到****值，然后穩(wěn)定在正常值；當(dāng)突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電流經(jīng)過一個(gè)輕微的振動(dòng)過程后穩(wěn)定在一個(gè)新值。由圖9可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)迅速達(dá)到****值(15 N·m)，然后快速穩(wěn)定在正常值(3 N·m)，在350 s時(shí)突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩3 N.m，電磁轉(zhuǎn)矩同電流值一樣經(jīng)過一個(gè)輕微的振蕩過程，然后穩(wěn)定在一個(gè)新值(1 N·m)。電流iq與電磁轉(zhuǎn)
5結(jié)語
本文根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，提出了一種基于模型參考自適應(yīng)觀測器算法，米估算面貼式永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置的轉(zhuǎn)子磁場定向的無位置傳感器控制方法。仿真結(jié)果表明，模型參考自適應(yīng)狀態(tài)觀測器能夠在較高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)追蹤實(shí)際信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子速度的觀測，從而實(shí)現(xiàn)了無速度傳感器磁場定向控制。通過仿真證明了所提方案的可行性。 |
