PMSM无传感器初始位置检测及低速运行研究,PMSM无传感器初始位置检测及低速.doc

PMSM无传感器初始位置检测及低速运行研究,PMSM无传感器初始位置检测及低速 电子技术研发Electronics RD电子技术1039698issn1000-0755xx10005PM SM无传感器初始位置检测及低速运行研究王莉娜(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院)摘要目前，永磁同步电机(PMSM)无位置传感器运行研究受到广泛关注。 文章采用一种基于高频方波信号注入的方法实现PMSM无位置传感器启动以及低速运行。 首先详细分析了高频方波信号注入检测原理，然后对注入的高频方波信号以及电流采样模式进行了改进。 在估计的两相旋转坐标系轴向注入频率等于逆变器开关频率的高频方波电压信号，通过巧妙的安排定子电流采样模式，根据检测到的定子电流并结合注入的方波电压信号即可获得转子位置信息；采用L uenberger观测器对转子位置信息进行观测，以获得较为平稳准确的电机转速和转子角度估计值；利用电机的磁路饱和特性，实现基于高频方波信号注入法的PMSM无位置传感器转子初始位置检测。 所提出的改进方法不依赖于准确的电机参数，不需要使用任何滤波器，信号处理过程简单易实现。 仿真结果验证了该方法的正确性。 关键词永磁同步电机；无传感器控制；高频方波注入；Luenberger观测器郝强R esearch onP MS MS ensorless Initial Position Insp ectionan dL OWS peed Op eration一一一Wang Lina Hao Qiang(School ofAutomationScience andElectrical Engineering，Beihang University)A bstra ctN owaday s，the PMS Msensorless controlattracts moreand more attentionfrom many researchersA methodbased onhigh f r equency square wave injection algorithmis usedin t h ePM SMsensorless startand lowspeed operion controlin thispaperThe principleof square waveinjection methodis analyzedin detail f irstlyThen animproved hi曲frequencysquarewave voltageis injectedinto thestator of the motorin t h eaxial directionofth eestim atedtw o-pha serotating coordinate，and th estator currentsare measured toextract the rotor positioninformation with th ehelp of the injectedsigna1Then aLuenberger observeris intr oducedto observetherotorposition toobtain steadyand aurateestim atedv alues of thespeed andang leofthe m otorT heproposed methodis independentof motor parametersand nofilter isinv olvedT husthe signalprocessing issimple andeasy torealizeS imulations have verif ied thevalidity ofthemethodK eywords PMSM；sensorless control；high frequencysquarewaveinjection；Luenberger observer0引言与传统的PM SM控制策略相比，无位置传感器控制减少了机械式位置速度传感器，更能满足高可靠性、低成本、以及高温高湿等恶劣环境运行等特殊要求?，具有良好的发展前景，因而已经成为电机控制研究领域的热点之一。 目前，PMSM无速度传感器低速运行控制算法主要是基于高频信号注入检测法l2J。 该方法不依赖于电机参数，适合于电机无速度传感器低速运行。 传统的高频信号注入法，向电机定子绕组中注入高频正弦信号，通过检测定子电流中的高频信号成分获取转子位置信息_3J。 这种方法信号处理过程复杂，对硬件电路要求较高，并且需要使用滤波器，会带来时间延迟和幅值畸变，工程实现复杂。 16为了解决这一问题，文献信号代替高频正弦信号注入到电机中，并给出了几种可以注入的方波类型。 这种注入方法无需对高频电流响应进行解调和滤波，很大程度上简化了信号处理过程。 文献j在文献_4基础上，提出采样电流提出了用高频方波平均化处理方法，一定程度上改善了定子电流突变时转子位置估计误差较大的情况。 但是以上文献在个注入信号周期内只进行两次电流采样，当电机运行于转速阶跃以及负载阶跃变化等动态过程时电流变化较快，导致转子位置观测滞后，观测误差较大，影响电机运行的动态性能。 基于以上分析，本文改进注入的高频方波信号以及定子电流采样模式，提出一种新的注入、检测方法，有效提高了转子位置观测的速度和精度；针对一电子技术研发Electronics RD电子技术内置式PMSM采用最大转矩电流控制方式以获得最佳控制效果；并且通过此方法获得转子初始位置，以实现PMSM无传感器启动。 最后在Matlab软件提供的Simulink环境下搭建仿真模型，仿真结果验证了此算法的正确性和有效性。 1高频方波信号注入原理PM SM在两相旋转d-q坐标系下的电压方程为式中g轴电流，R为定子电阻，轴电感，为永磁磁链，当注入电压信号频率远高于电机运行基波频率时，忽略该高频注入信号引起的定子电阻压降、旋转电压及反电势J，式 (1)在高频段时可简化为f lJ Uq分别表示d、g轴电压，、分别表示、分别为电机为电机运行电角速度。 n北=向以估计转速旋转的L q坐标系中注入高频电压引起的定子高频电流响应式中，、bq分别为向d轴和g轴注入的高频电压，AO=0-0为估计旋转坐标系L q与实际旋转坐标系之间的夹角。 将g坐标系下的各量变换到两相静止一坐标系昙=c。 o ins0一so s O、若令U d=，U q0，即只向估计旋转坐标系d轴注入幅值为的方波信号，如图1所示。 当估计转子位置误差收敛到足够小时，即AO0，代入 (3)、 (4)两式可得图1注入的高频方波信号(参见右栏)dtip)+V(c)?d-lj,4硼os0 (5)17采样时间(开关周期一0t一注入信号周期将式 (5)离散化，设采样周期为，且两次采样io、i的差值分别为A i。 、A i。 (A ip)1=_+V(c io ns0)即电机转子位置信息可以根据和A i取0=arctan(Aip)c6获 (7)2改进的高频方波信号注入法在第二节分析的传统高频方波信号注入法基础上，本文改进了注入信号及电流采样模式，提高注入信号频率和电流采样频率。 改进的注入高频方波信号及电流采样模式如图2所示。 “J I注入信号周期(”关周期)采样时间点一O t一七一2J+2七l七1七1-3例2改进的注入两频方波信号在第七个采样时刻，定子电流增量由k时刻采样值与第k-2时刻采样值做差得到。 当注入信号Ud=V，即第七和l Ai(k)=(k)一(七一2)1Aia(k)ip(k)一(七一2)l(+1)=(后+1)一(七一1)lAip(k+1)=(+1)一(当注入信号Ud-V，即第斛2和斛3时刻1时刻 (8)fq、一1)gR，、舶，爱宝瞄、，O一一O电子技术研发Electronics RD电子技术表1matlab仿真所用电机参数定子电阻d轴电感q轴电感永磁磁链O33lQ21mH41mH03537Wb转动惯量极对数00252kg。 m4空载条件下，给定500rpm启动电机，并于05s将转速给定由500rpm阶跃到一500rpm，图6为观测转速与实际转速曲线，图7为电机输出转矩，图8为传统方波信号注入法(详见第2节)与本文改进的方波信号注入法观测到的转角误差，图9为以上两种方法观测的转速误差。 由图6#11图7可知，在转速给定阶跃瞬间观测转角转速误差较大，但随后迅速减小，给定转速阶跃01s后观测转角转速以及电机输出转矩进入稳定，采用无位置传感器控制算法能够准确跟踪给定转速，实现电机正常运行，超调量小，动态效果较好。 由图8可以看出当电机稳定运行时，采用改进的方波信号注入法观测转角与实际转角误差在003rad左右，明显小于采用传统的方波信号注入法时的006rad；由图9可知当电机处于转速阶跃等动态响应过程时，改进方波信号注入法得到的观测转速最大误差值比传统的方波信号注入法Jx20rpm；右，说明本文改进的方法能够更好地适应电机的快速响应需求。 转速蓄lf f观测转速1螂、于k歪?图6转速阶跃时观测转速和实际转速图7转速阶跃时电机输出转矩图8转速阶跃时观测转角与实际转角误差图9转速阶跃时观测转速与实际转速误差(参见右栏)19转角8时间(S)图7转速阶跃时电机输出转矩一参传统方法观测转角误差改进方法观测角差2oo l5O100蓬。 口050时间(S)图8转速阶跃时观测转角与实际转角误差图9转运阶跃时观测转速与实际转速误差42负载阶跃仿真结果电机给定转速300rpm，于02s由空载突加15Nm负载，O6s再次减为空载。 图l0为传统方波注入法观测转速与实际转速曲线，加减载瞬间电机转速波动40rpm左右，图11为采用改进的方波注入法得到的观测转速与实际转速曲线，加减载瞬间电机转速电子技术研发Electronics RD电子技术为10kHz的方波电压信号，持续03s；进行转子极性判断时，向瑚依次注入幅值分别为IO VI J1O g、持续时间均为002s的脉冲电压信号。 图15为给定转子初始角一丌3，获得的转子初始位置预估值波形；图16为转子磁极极性判断时获得的踟电流波形，由图可知一，故=o=一10475rad图17为给定转子初始角3I3，获得的转子初始位置预估值波形；图18为转子磁极极性判断时获得的由电流波形，由图可知+ 图19为给定转子初始角02内，每隔6进行一次仿真，获得的观测值与实际值的差值。 由图中可以看出，观测误差没有大于0O01rad，说明高频方波信号注入的方法能够有效进行转子初始位置检测，并且估计精度较高，可以保证电机无传感器顺利启动。 (电角度)范围转角邕电流一e、J l时间(s)图15给定转子初始角为3时转子初始位置预估值一11I 1、士1I1-一-t1f一J-，1，-一_7t f-l、f、二，、-，、一1ff_?f卜-?一0343031032033O35时间(s)036037038039O4图l6给定转子初始角为3时转子极性判断图17给定转子初始角为丌3时转子初始位置预估值图18给定转子初始角为3时转子极性判断图19O2范围内转子初始角观测误差(参见右栏)21转角一一e电流一专13l1j-I一1一j1j?时(s)图17给定转子初始角为“3时转子初始位置预估值一一r r一，?f-l，|f一，f30310320I33034035时问(s)03603703803904图18给定转子初始角为3时转子极性判断图19O2范围内转子初始角观测误差5结论针对PMSM无位置传感器低速运行，本文对传统的高频方波注入信号和电流的采样模式提出了改进，提高注入信号频率等于开关频率，并将定予电流的采样频率设置为注入信号频率的四倍，有效提高了转子位置观测速度。 仿真结果表明该方法在电机匀速运行、转速阶跃变化、负载阶跃变化时均可实现对电机位置转速的有效观测，与传统的高频方波信号注入法相比观测误差有明显减小；并且本方法可以直接应用到转子初始位置检测，实现PM SM无位置传感器正常启动运行。 电子技术研发Electronics R&D电子技术参考文献1王高林，于泳，李刚，等无传感器内置式永磁同步电机低速运行转子位置鲁棒观测器J中国电机工程学报，xx，32 (15)84902金光哲，徐殿国，高强，等高频注入电压预估同步电机转子位置检测方法J中国电机工程学报，xx，34 (9)137613833王高林，杨荣峰，李刚，等基于高频信号注入的IPMSM无位置传感器控制策略J电工技术学报，xx，27 (11)62684Y oonY D，Sul SK，Morimoto S，et a1Highbandw idthsensorless algorithmfor AC machines based on squarewavetype voltageinjectionJIE EE Transactio nso nIndustry Applicatio ns，201l，47 (3)136113705A ndreescuG，Schlezinger CE nhancementsensorless controlsy stemfor PMS Mdrives usingsquarewave signalinjectionCPower ElectronicsElectricalDrivesAutomation andMoti on(SPEEDAM)，xxIntem ationalSy mposiumo nIE EE，xxl508一l5l16刘颖，周波，冯瑛，等永磁同步电机低速无传感器控制及位置估计误差补偿J电工技术学报，xx，27 (11)38457Bimal KBose现代电力电子学与交流传