永磁同步电机的无传感器控制策略

2009,36(8)控制与应用技术 EMC A永磁同步电机的无传感器控制策略吴 奇, 程小华(华南理工大学电力学院,广东广州 510640)摘 要:机械传感器应用存在的诸多缺陷,使无传感器控制技术成为研究热点。

介绍了多种常见的估算永磁同步电机转子位置和转速的方法,并指出了各种方法的优缺点。

分析了无传感器技术研究现状和今后的研究发展趋势。

关键词:永磁同步电机;无传感器控制;位置检测中图分类号:TM301.2 TM351 文献标识码:A 文章编号:1673-6540(2009)08-0029-04Sensorless Control of Per m anentM agnet SynchronousM otorW U Q i, C HENG X i a o-hua(Co llege of E lectric Pow er,South China Un i v ersity of Techno l o gy,Guang zhou510640,Ch i n a)Abstrac t:In orde r to reso l ve the va rious defects for usi ng m echanica l sensors,sensorless contro l techno l ogy be-come a research ho tspo t.T he v arious m ethods o f t he esti m a ti on about the positi on and speed of P M S M roto r are pres-ented,and po i nted out the advantages and disadvantages of them.The sta t us and the deve l op m ent trend of the re-search about the sensor l ess are g i ven.K ey word s:perman en t magne t s ynch ron ous m otor(P M S M);sensorless contro;l positi on detection0 引 言永磁同步电动机(P M S M)因其高转矩惯性比、高能量密度和高效率等优点被广泛应用于国防、工业控制和日常生活等领域。

传统的P M S M 控制系统通常采用电磁或光电传感器来获取所需的转子位置和转速信号。

传感器的安装、电缆连接和环境限制等问题,带来了系统成本增加、体积增大、可靠性降低、易受环境影响等缺陷[1-2]。

为了解决机械传感器带来的各种问题,许多学者开展了无传感器控制技术研究,其主要思想是利用电机绕组中的有关电信号,通过适当的方法估算出转子的位置和转速,实现转子位置的自检测。

无传感器控制技术可以有效地解决机械传感器带来的诸多问题,使系统结构简化,成本降低,对提高系统可靠性有重要意义,已成为电机驱动领域的研究热点。

1 基波激励法在各种转子位置和速度的检测方法中,大多通过检测基波反电势来获得转子的位置信息,但采用的具体方法有所不同,大致可分为以下几种。

(1)基于数学模型的开环估计[2]。

该方法基于电机的电磁关系从电机的动态方程直接推导出转速或者位置角的关系表达式,并利用检测到的定子三相端电压和电流计算出转子位置角和转子角速度。

文献[3]中提出一种方法:在定子二相静止坐标系中,通过定子电压、电流得到实轴、虚轴的定子磁链值,根据二相磁链反正切值可得当前时刻的定子磁链位置,由定子磁链的变化率可得到电机的转速。

该方式用到的电机参数不多,所以受参数影响较小,但电机必须工作在功率因数cos =1的方式下才能实现转子位置估计。

开环估计法一方面简单直观,动态响应快,几乎没有延时问题。

另一方面,数学模型虽然可以有多种选择,但无论采用什么数学模型,都涉及电机参数,而电机参数在电机运行时是动态变化的。

虽然对定子电阻和电感等参数可以进行在线辩识,但辩识的实现也需要复杂的技术。

因此,开环29控制与应用技术 EMCA2009,36(8)估计技术很难用于高精度伺服驱动系统。

(2)锁相环技术(PLL)。

在无传感器控制中,由于转子的位置不能测得,也就不能获得dq 坐标中的定子电流(i d,i q)及电压(u d,u q),因此dq坐标系下的数学模型对转子位置和速度估计是没有实用价值的。

在这种情况下,选择一个可控的参考坐标d q 用于无传感器控制,它不是同步旋转坐标,而是定向于已知的估计位置 r,并可按确定的控制规律自行调整的坐标,将这个作为 估计坐标 。

该估计坐标与同步旋转坐标之间存在一个差值 ,对其采用适当的控制方法,能够自行调节 ,使假设的坐标与转子dq坐标趋于一致,即可正确估计转子的位置和速度。

该估计方法一方面构成的控制系统相对简单,由于采用PLL调节器,提高了系统的估计精度和稳定性,并能获得良好的稳态特性;另一方面,保证其估计精度的核心是对位置偏差 准确估计,但位置偏差 的数学模型仍然要受电机参数变化的影响,虽然采用闭环控制,但还没有完全摆脱对电机参数的依赖。

文献[4-6]都从检测得到的电压、电流,基于电机模型计算出电机的转子位置偏差,采用锁相环结构对转子位置进行跟踪估算,得到较为满意的结果。

基于检测感应电动势,运用锁相环技术来估计转子速度和位置的方法,在低速情况下,扩展电动势很小,定子电阻和电感的不准确和变化对估计结果的准确性有很大影响。

该方法不适合于静止和低速运行时的无传感器控制。

(3)模型参考自适应(MRAS)。

MRAS辩识的基本思想是将不含未知参数的方程作为参考模型,将含有待估参数的方程作为可调模型,两个模型具有相同物理意义的输出量。

两个模型同时工作,并利用其输出量的差值根据合适的自适应律来实时调节待估参数,以达到可调模型跟踪参考模型的目的。

自适应律的设计通常以超稳定与正性动态系统理论为基础,系统和速度的渐进收敛也由Popov的超稳定性原理来保证。

在实际应用中,可将转子速度 r作为待估参数,两模型的共同输出量可以是定子电流也可以是定子磁链,这取决于所选择的模型,因此该控制方法的性能和所选的模型与自适应律有关。

文献[7,8]都以定子电流作为共同的输出,对MRAS应用于永磁同步无传感器控制进行了研究。

在此基础上,文献[9]特别针对i d=0的矢量控制策略研究了一种基于矢量控制的MRAS 的速度辨识方案,它只利用q轴的估算电流与实际电流之差作为误差信号,经过PI调节器得到估计转速,结构简单,容易实现。

(4)自适应状态观测器[10-12]。

状态观测器的实质是状态重构,其原理是重新构造一个新系统,利用原系统中可直接测量的输入量和输出量作为其输入信号,并使其输出信号x (t)在一定的提法下等价于原系统的状态x(t)。

状态观测器主要用来实时观测非线性动态系统的状态或参数,观测的方式是用电机的数学模型来预测(估计)电机的状态,而这个估计状态要被连续的以反馈校正方式进行校正。

该方法首先将输出变量定义为观测器的状态量,观测器的输出与实际电机检测值作比较,用其误差来纠正观测器的估计值。

具体方法是在状态估计方程中加一个校正项,包含有状态估计误差(状态估计值和测量值的偏差),于是该校正项就相当于一个误差补偿器,由它产生对状态估计方程的校正输入,由此构成了闭环状态估计,这样由状态估计方程(电机数学模型)加之校正环节就构成了状态估计器。

状态观测器位置估计法已在很多电机上得到应用。

(5)扩展卡尔曼滤波(EKF)[13-16]。

EKF是线性系统状态估计的卡尔曼滤波算法在非线性系统的扩展应用,是一种非线性系统的随机观测器,其优点是当出现系统和测量噪声时,仍能对系统状态进行准确估计。

EKF适用于高性能伺服驱动系统,可以在很宽的速度范围内工作,甚至在很低的速度下完成转速估计,也可以对相关状态和某参数进行估计。

另外,滤波器增益能够适应环境而自动调节,所以EKF本身就是一个自适应系统。

采用EKF估计法算法复杂,计算量大,需要计算功能强大的数字信号处理器(DSP)芯片支持;滤波器模型复杂、涉及因素多,很难确定实际系统的噪声级别和算法中的卡尔曼增益,且受电机参数的影响较大。

虽然可以在很宽的速度范围内运行,甚至可以降至很低的速度,但是在零速附302009,36(8)控制与应用技术 EMC A近,系统会散失控制能力,因为此时定子电压变得很小,其测量误差和电机模型的不确定性将会突出,这会导致状态估计误差增大。

(6)滑模观测器[17-20]。

滑模观测器是利用滑模变结构控制系统对参数扰动鲁棒性强的特点,把一般状态观测中的控制回路修改成滑模变结构的形式。

滑模变结构控制的本质是滑模运动,通过变结构变换开关以很高的频率来回切换,使状态的运动点以很小的幅度在相平面上运动,最终运动到稳定点。

滑模运动与控制对象的参数变化及扰动无关,因此具有很好的鲁棒性。

但是滑模变结构控制在本质上是不连续的开关控制,因此会引起系统抖动,在低速时将会引起比较大的转矩脉动。

在对位置或速度估计时会含有高次谐波,这是滑模观测器的不足之处,也影响了它在高性能伺服控制中的直接应用。

因此去抖动的同时仍然保证系统的鲁棒性是需要解决的问题。

2 高频信号注入法基于基波激励的方法虽然实施简单,但在零速或低速时会因反电势过小或根本无法检测而失败,故多只适用于高转速运行。

高频信号注入法为解决这一问题提供了有效途径。

这种方法的基本原理是:向电动机定子注入高频电压信号,使其产生幅值恒定的旋转磁场或者产生沿着某一轴线脉动的交变磁场,这个轴线可以是静止的,也可以是旋转的。

如果转子具有凸极性,这些磁场一定会受到凸极转子的调制作用,结果在定子电流中就会呈现与转子位置或速度相关联的高频载波信号,从这些载波中进一步提取出转子的位置或速度信息,由此确定位置或速度。

高频信号注入法从注入信号的不同,可以分为旋转高频信号注入法和脉动高频信号注入法。

(1)旋转电压注入法[21-22]。

旋转电压注入法是向电机在基波激励的基础上再迭加三相对称的高频正弦电压信号,在电机内产生旋转磁场,其旋转速度要远高于转子旋转速度,一定会受到转子凸极周期性的调制,调制结果自然要反映在电流上,使定子高频电流成为包含有转子位置信息的载波电流,进行调制处理后即可从中提取出相关的转子位置信息,以此来构成各种闭环控制。

该方法具体的高频电流载波调制方法有矢量变换和外差法,但从低幅度负序电流分量中获取转子位置自检测系统较为复杂,转子估算角度需作相位补偿,且转子位置信息提取过程的算法对其系统的动态性能影响较大。

旋转高频电压注入法利用电机的凸极性,因此主要用于凸极率较大的内埋式P M S M 。