兰忠键、金卫、高杰、陈洪楷
珠海格力电器股份有限公司 广东省珠海市 519070
摘要：本文提出了一种新的无需高频信号注入或特殊脉宽调制（PWM）模式的非静止永磁同步电机（PMSM）速度估计策略。该方法基于具有转子位置误差信息的驱动系统d轴电流调节器输出电压。转子速度可通过转子位置跟踪比例积分（PI）控制器估计，该控制器将位置误差控制为零。对于零速和低速运行，转子位置跟踪控制器的PI控制器增益根据估计的转子速度变化。
关键词：高速永磁；同步电动机；无速度传感器；失量控制
引言：永磁同步电动机（PMSM）在许多工业应用中，正逐渐取代传统的直流电动机。这是由于永磁电机具有紧凑、高效、坚固、高功率密度等优点而成为可能。然而，为了获得准确的转子位置信息，永磁同步电机驱动器需要一个位置传感器。
1.高速永磁同步电动机无速度传感器
第一代无传感器控制是基于反电势积分的转子磁链定向。这些方法需要电机的电气参数，并且由于反电动势信息过低而在低速和零速时发生故障。最近，人们开发了更简单有效的算法，如高频注入法和恒频模式法。高频注入法利用电机的阻抗差，即使在低速和零速时也能成功地获得位置信息。然而，高频激励通常需要一种信号处理技术，并且可能引起不期望的副作用，例如转矩振荡、谐波损耗和噪声。它还限制速度范围低于100赫兹由于提取注入的信号。在恒定频率模式法中，通过处理高速范围内daxis PI电流调节器的输出电压和恒定幅度的电流来估计速度，同时从启动到低速范围注入预模式频率。该方案在高速范围内提供了非常精确和鲁棒的速度信息。然而，它需要一个额外的过渡算法，并且不能在低速区域执行矢量控制。本文提出了一种新颖的无高频信号注入或特殊PWM模式的隐极永磁同步电机速度估计策略。该方法基于驱动系统的d轴电流调节器输出电压，其中包含与转子位置误差有关的信息。转子速度可以通过转子位置跟踪PI控制器来估计，该控制器将位置误差控制在零。对于零速和低速运行，转子位置跟踪控制器的PI增益根据估计的转子速度具有可变结构。[1]
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图1 定频模式法总体控制结构框图
然后，在零转速下，转子位置和速度具有迟滞的动力学特性，因为该区域的变化增益很低。为了提高PI控制器在零速时的带宽，在控制系统中采用了环路恢复技术。从相位裕度、带宽分配等频域指标对控制系统进行了分析，推导了PI整定公式。[2]
2.高速永磁同步电动机无速度传感器失量控制
2.1转子位置跟踪
PI控制器可以将位置误差控制在零。在零速和低速区域，位置误差值较大，因此起动可能会从静止状态失败。但是，它在高速区域（区域II）有效。通常情况下，可以选择比控制器极点快2到6倍的估计器极点。这是为了确保估计器误差的延迟比期望的动态更快。因此，转子位置跟踪PI控制器的带宽比转速控制器的带宽要高。可以看到所提出的位置跟踪PI控制器的带宽根据估计速度而变化。这意味着电机反电动势电压的大小与转子速度成正比，在低速区域它非常小。然后，在零转速时，转子的位置和速度具有迟滞的动力学特性，因为该区域的变化增益极低。转子位置跟踪PI控制器的带宽被设置为750 rad/s。减小K将把环路带宽提高到较低的速度区域。例如，如果K为1，则无传感器环路增益将在5r/min以上变为750rad/s。根据该结果，设计者可以容易地确定具有所需带宽的可能工作范围。为了提高该区域的带宽，引入超前补偿器来恢复低速区域的环路动力学。这可以改善低速区域的转子速度估计动态性。[3]
利用Matlab/Simulink在一台400W永磁同步电机上进行了实验。速度控制器和转子位置跟踪PI控制器的带宽分别设置为150rad/s和750rad/s。当K设置为1时，相位裕度为50o。电流和速度控制回路的采样周期分别为100μs和500μs。负载惯性与电机耦合，惯性比为10:1。从0到500[r/min]的速度指令变化时的估计和实际速度。
2.2速度指令
从顶部开始，描述用于监控的速度指令、估计速度和实际速度。在低速和高速范围内，估计速度正确地遵循速度指令。表示建议的无传感器方案对500 r/min步进速度指令的响应。在这个测试中，所提出的算法并没有失去它的估计能力。在100%负载转矩条件下，5r/min转速指令下所提出的无传感器方案的响应。从顶部开始，描述了速度指令、估计速度、用于监控的实际速度、位置误差和负载转矩。转子位置估计误差在瞬态和稳态时都被限制在接近零的范围内。[4]
3.强化试验
该算法已被编程并安装到一台商业化的600w无转子凸极永磁同步电机上，该电机与仿真试验中使用的电机相同。PWM-VSI逆变器由20kHz开关IGBT模块组成，控制板采用数字信号处理器tms320vc33120mhz控制。750-W直流电机与600-W永磁同步电机耦合，以施加负载转矩。速度控制器和转子位置跟踪PI控制器的带宽分别设置为100 rad/s和300 rad/s。相位裕度为50o，K设置为10，控制模式切换为25r/min。电流和速度控制回路的采样周期分别为50μs和1ms。从这个测试中，值得一提的是，提出的无传感器PI估计器提供了令人满意的瞬态性能，即使在3.3赫兹的速度。这种改进主要是由于基于频域分析推导了PI增益公式，并考虑了常数K的影响选择了期望带宽。
结束语：为了提高PI控制器在零速度附近的带宽，控制系统采用了aloop恢复技术。该方法只需要永磁体的磁链，对参数估计误差和变化不敏感。设计人员可以很容易地确定可能的工作范围与所需的带宽和执行矢量控制。
参考文献：
[1]孙宇新,唐敬伟,施凯, 等.改进型MRAS无速度传感器的无轴承异步电机矢量控制[J].控制理论与应用,2019,36(6):939-950.
[2]杨婷.基于参数辨识的MRAS无位置传感器矢量控制系统[D].湖南:湖南大学,2017.
[3]宁振华.基于高频注入法IPMSM无速传感器矢量控制研究[D].湖南:湖南大学,2014.
[4]邬大为,阮毅.异步电机无速度传感器的几种估算转速方法的比较和分析[C].//中国电机工程学会%中国电工技术学会%上海市电机工程学会%上海市电工技术学会.上海市电机工程学会上海市电工技术学会2006年学术年会论文集.2006:78-81.