摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制運(yùn)用在低速區(qū)時(shí)存在的給定電流不可控、電機(jī)運(yùn)行效率低、易失步的問題，提出一種新型的無位置傳感器I/F控制方法。該方法將改進(jìn)算法的高頻脈振電壓注入法運(yùn)用在傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制中，對(duì)采樣得到的三相電流進(jìn)行信號(hào)處理以獲取所需的軸系夾角信息，經(jīng)由PI控制器對(duì)給定電流的幅值進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，同時(shí)對(duì)給定電流的電角速度進(jìn)行閉環(huán)補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在該方法下表貼式永磁同步電機(jī)可根據(jù)負(fù)載變化對(duì)給定電流幅值和電角速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使其運(yùn)行在最大轉(zhuǎn)矩電流比狀態(tài)，且具有漸進(jìn)穩(wěn)定性，提高了電流利用率，增強(qiáng)了電機(jī)抗負(fù)載擾動(dòng)能力。

　　關(guān)鍵詞：表貼式永磁同步電機(jī);無位置傳感器控制;高頻注入法;I/F控制;最大轉(zhuǎn)矩電流比

　　推薦閱讀：《防爆電機(jī)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1959年，由佳木斯防爆電機(jī)研究所主辦。本刊立足于電機(jī)行業(yè)的發(fā)展，為促進(jìn)我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，首推最新成果。

　　0 引 言

　　永磁同步電機(jī)(permanent magnet synchronous motor，PMSM)具有功率密度大、功率因數(shù)高、調(diào)速范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車、大容量艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)等高性能交流傳動(dòng)領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用前景[1-2]。為了實(shí)現(xiàn)高性能的PMSM矢量控制，多采用機(jī)械式位置傳感器獲取實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息，這也帶來了成本過高、安裝困難、可靠性低等缺陷[3]。因此研究低成本、高可靠性的PMSM無位置傳感器控制方法具有重要的意義。

　　PMSM無位置傳感器控制方法按照其適用的轉(zhuǎn)速范圍不同，可分為低速運(yùn)行控制方法和中高速運(yùn)行控制方法。其中中高速運(yùn)行控制方法是通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)反電動(dòng)勢(shì)獲取轉(zhuǎn)子位置信息，主要有模型參考自適應(yīng)法[4]、擴(kuò)展卡爾曼濾波器法[5]、滑模觀測(cè)器法[6-7]等。

　　低速運(yùn)行的控制方法大多是利用電機(jī)的凸極特性獲取轉(zhuǎn)子位置信息，有高頻旋轉(zhuǎn)注入法[8]、高頻脈振注入(pulsating high frequency voltage injection，PHFVI)法[9]、高頻方波注入法[10]等。文獻(xiàn)[8]注入的為雙向高頻旋轉(zhuǎn)信號(hào)，減小了定子電阻的影響，提高了位置估計(jì)準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)[9]將高頻脈振信號(hào)注入到兩相靜止坐標(biāo)系中，提高了估計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但也存在依賴電機(jī)參數(shù)的問題。文獻(xiàn)[10]將注入高頻方波信號(hào)的頻率提高到開關(guān)頻率的一半，去除了傳統(tǒng)方波信號(hào)注入法中濾波器的使用，減少了時(shí)間延遲，但為了高信噪比提高的注入電壓幅值限制了基波控制的電壓利用率。

　　然而，在低速范圍內(nèi)普遍采用的高頻注入法都需要對(duì)反饋電流處理得到位置誤差角信息，再通過轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器估算出轉(zhuǎn)子位置角，算法較復(fù)雜。因此，有學(xué)者在低速區(qū)采用了開環(huán)的I/F控制方法，該方法不依賴于電機(jī)參數(shù)，算法簡(jiǎn)單，電機(jī)啟動(dòng)過程中無過沖電流。通過將低速區(qū)的I/F控制方法和中高速區(qū)的觀測(cè)器類無位置傳感器控制方法進(jìn)行復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了全速度范圍內(nèi)的PMSM無位置傳感器控制[11-13]。但是，文獻(xiàn)[11-12]采用的開環(huán)I/F控制方法中給定電流為固定值，電流不可控，電機(jī)運(yùn)行效率低。文獻(xiàn)[13]則根據(jù)特定電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，離線調(diào)試擬合出電流頻率比曲線，不具有普適性。

　　為解決上述問題，本文提出了一種適用于表貼式永磁同步電機(jī)(surface permanent magnet synchronous motor，SPMSM)的雙閉環(huán)I/F控制方法。該方法將PHFVI法運(yùn)用在傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制中，利用反饋電流得到位置誤差角信息，通過PI控制器對(duì)給定電流幅值進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)對(duì)給定電流的電角速度進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)補(bǔ)償。無需轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器，改進(jìn)了基本的PHFVI法的算法，可根據(jù)實(shí)際負(fù)載變化的情況動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)給定電流幅值和電角速度，提高了電流利用率和電機(jī)抗負(fù)載擾動(dòng)能力，且能使SPMSM運(yùn)行在最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)狀態(tài)。

　　1 傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制方法

　　I/F控制方法是一種轉(zhuǎn)速開環(huán)、電流閉環(huán)、給定電流為固定值的控制策略，避免了起動(dòng)階段出現(xiàn)過沖電流。圖1為開環(huán)I/F控制方法框圖。

　　該方法去除了基本的高頻脈振電壓注入法中的轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器，簡(jiǎn)化了算法，相較于傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制，拓寬了電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)矩角區(qū)域，提高了電機(jī)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力，同時(shí)也使得電機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行在MTPA狀態(tài)，提高了I/F控制效率。

　　4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證本文提出的基于改進(jìn)PHFVI法的雙閉環(huán)I/F控制方法在低速區(qū)的運(yùn)行效果，搭建了如圖6所示的SPMSM驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)電機(jī)的起動(dòng)階段至穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以及突加突減負(fù)載進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。主控芯片采用的是TI公司的TMS320F28035，開關(guān)頻率為10 kHz。所用電機(jī)為額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min的4對(duì)極SPMSM。將SPMSM與一臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)同軸連接，通過永磁同步發(fā)電機(jī)的三相輸出至整流器再連接負(fù)載電阻，釋放出SPMSM產(chǎn)生的能量。改變負(fù)載電阻的阻值，可以調(diào)節(jié)SPMSM的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。以下所有雙閉環(huán)I/F控制方法中注入的高頻脈振電壓的幅值均為20 V，頻率均為1 000 Hz。

　　本實(shí)驗(yàn)采用2種方式采集所需數(shù)據(jù)：通過泰克TPS2024型示波器記錄三相電流數(shù)據(jù)并處理;通過RAM實(shí)時(shí)存儲(chǔ)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子軸系夾角、虛擬軸系給定電流等數(shù)據(jù)，待電機(jī)停機(jī)后再將數(shù)據(jù)導(dǎo)出處理。

　　圖7給出了帶載電機(jī)分別在開環(huán)I/F控制和雙閉環(huán)I/F控制方法下由起動(dòng)到轉(zhuǎn)速300 r/min的運(yùn)行過程。由圖可見，電機(jī)轉(zhuǎn)速能跟蹤給定的轉(zhuǎn)速曲線，且波形較為平穩(wěn)。

　　圖10分別為開環(huán)I/F控制和電角速度未補(bǔ)償?shù)膯伍]環(huán)I/F控制下，于1.5 s突加一倍負(fù)載的電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流波形。在開環(huán)以及只有給定電流幅值閉環(huán)的狀態(tài)下，若突加負(fù)載，電機(jī)將進(jìn)入失步狀態(tài)。由此可見在這2種方法下，電機(jī)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力不強(qiáng)。

　　5 結(jié) 論

　　本文提出了一種基于改進(jìn)PHFVI法的雙閉環(huán)I/F控制方法，將算法改進(jìn)了的高頻脈振電壓注入在傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制方法中，可根據(jù)負(fù)載的變化動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)δ軸給定電流幅值和電角速度，使得夾角θerr收斂至0°，即轉(zhuǎn)矩角為90°。和傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制方法對(duì)比，提高了電流利用率，加強(qiáng)了抗擾動(dòng)能力，電機(jī)運(yùn)行在最大轉(zhuǎn)矩電流比狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于改進(jìn)PHFVI法的雙閉環(huán)I/F控制優(yōu)于傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制。

　　參 考 文 獻(xiàn)：

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