基于单电流传感器的永磁同步电机矢量控制.pdf

:./.基于单电流传感器的永磁同步电机矢量控制王海清 李世孝(.海军装备部 甘肃 兰州 .甘肃省航空电作动重点实验室 甘肃 兰州)摘 要:永磁交流伺服驱动系统一般需要霍尔传感器采集电机转子位置信息和三相绕组电流信息 针对现代电机控制过程中至少需要使用 个电流或位置传感器的问题将改进后的电流重构技术与滑模控制技术相结合实现了基于单电流传感器对永磁同步电机的 控制 其中改进的电流重构技术仅通过测量电压源逆变器的母线电流来实现通过算法优化最终利用一个电流传感器实现了闭环控制此举提高了系统可靠性降低了系统成本关键词:矢量控制电压源逆变器电流重构无位置传感器直流母线电流中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言在永磁同步电机的闭环控制系统中需要检测绕组相电流作为反馈信号 为了获得电机的相电流传统的方法是在电机绕组端使用两个或三个电流传感器来检测每相绕组电流 近年来许多学者开始尝试通过分析逆变器直流母线上的电流采样值来提取重构三相绕组的电流值基于逆变器直流母线采样法的三相电流重构技术首先由英国的.提出 然而传统的重构技术存在的问题是当输出电压矢量幅值较小或电压矢量位于扇区边界时重构误差会比较大 因此众多研究人员提出了一些算法来解决当前的盲区重构问题 在文献中研究者提出修改电压矢量并引入一个预测状态观察器以减少电流重构的盲区 此外采用三个独立的自适应电流观察器的方法对低调制比区域的相电流重构有很好的效果 上述方法采用了观测器这大大增加了控制算法的复杂性 在文献中作者提出通过改变 波脉冲相位来调整电压矢量作用的时间从而改善相电流重构盲区该方法从一定程度上减小了重构盲区无位置传感器控制技术可以替代电机转子位置检测组件 的无位置传感器控制一般使用电机的数学方程来估计包含磁极位置信息的磁通链路或反向电动势然后计算转子位置当电机以中高速运行时通常使用包含转子位置信息的电机反电动势来估算转子位置 这种方法在工程设计中更容易实现因此得到了广泛的应用 模型参考自适应系统建立了参考模型和可调模型然后将两个模型输出之间的差值应用于适当的调节律但该方法在感应电动机中应用更为广泛 扩展的卡尔曼滤波方法将参数误差作为噪声将估量值作为状态变量利用递归方法对系统噪声进行滤波得到准确的空间状态值 但是通过这种方法获得的电机转子位置信息的计算量会较大 根据 坐标系中电机的数学模型建立滑模观测器将定子估算电流与测量电流的差作为开关函数该开关函数用于机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)电力与装备收稿日期:作者简介:王海清()男青海平安人高级工程师研究方向:航空产品质量可靠性研究通信作者:李世孝()男湖北天门人硕士研究生研究方向:电机及其控制技术研究在不同的结构之间切换系统以产生滑动模式最终收敛到开关表面上的一个稳定点笔者重点将基于直流母线采样的三相电流重构技术与基于滑模观测器的无位置传感器控制技术相结合进行研究这种方法对降低系统的硬件成本和实现传统系统故障后的备用方案具有重大意义 例如在航空航天装备或军事装备的电机驱动系统中当位置传感器或单相电流传感器出现故障时只需要在软件层级切换到该文提出的解决方案即可使系统正常工作 相电流重构在电机的矢量控制系统中通常采用基于 的控制策略 根据逆变器中 个功率管的开关状态可以将基本电压矢量分为 个空间电压矢量和 个零电压矢量而每个输出电压矢量都可根据冲量定理由其中两个基本电压矢量组合作用得到 永磁同步电机伺服驱动系统通常采用图 所示的拓扑结构图 基于单个电流传感器的 驱动电路拓扑结构 在每个基本电压矢量的动作过程中六个功率管的开关状态是固定的 此时直流母线电流与电机绕组的相电流之间存在一定的对应关系 将每相桥臂功率管导通的状态定义为“”功率管关断的状态定义为“”因此当三个上桥臂功率管状态为()时电流从 相绕组流入从、相绕组流出即此时直流母线电流与 相电流一致 当三个上桥臂功率管状态为()时电流从 相和 相绕组流入从 相绕组流出即直流母线电流与 相电流相同通过分析八个基本电压矢量开关状态下的电流回路得到了相应的结果 直流链路电流与相电流之间的关系如表 所列表 不同开关状态下母线电流与绕组相电流的关系开 关电 流开 关电 流 在实际电路系统中存在许多非理想因素如死区时间、功率器件的开关延迟、转换器的最小采样保持时间等 同时为了避免上下桥臂直通引起的短路在工程应用中经常在同一桥臂的上下开关管的驱动信号中引入一定的死区时间 而且当功率管接收到驱动信号后功率管本身的开通和关断都有一定的延迟分别记录为 和 如图 所示为考虑功率管死区时间和开关延迟的 波形 从图 可以看出以 相桥臂的开通和关断为例实际电压输出信号与给定驱动信号之间的最大时差为 图 考虑功率管死区时间和开关延迟的 波形 当电压被施加到电机绕组时由于绕组中存在电感电流不能瞬间上升到一个稳定的值电流的建立和稳定时间 是无法消除的 当电流达到稳定值后数模转换装置开始采样和转换这里最小采样保持时间为 综上所述如果需要精确的电流采样必须确保基本电压矢量状态的动作时间不小于最小时间值 这个最小时间 满足式()中的条件 ()以上阐述了基本电压矢量需要一个最小的维持时间以确保能够精确地完成电流采样 但当输出电压矢量位于扇区边界区域时将会出现其中一个基本电压矢量作用时间过小的情况 另外当电机工作在小载荷工况时输出电压矢量将位于低调制比区域此时两个基本电压矢量作用时间均较短空间矢量输出图如图 所示图 空间矢量输出图 当一个给定的电压矢量(输出电压矢量)位于第一扇区并且接近基本电压矢量 时基本电压矢量作用时间将很短无法满足当前的电流采样条件电力与装备 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用将 相桥臂的驱动信号向右移动一段时间后得到可以满足采样时间条件的电压矢量的 此时采集的母线电流即为 相电流依此类推可以完成三相电流的重构 相桥臂驱动信号向右移动前的波形如图 中虚线所示平移后的波形为实线所示图 信号平移图 这种改变电压脉冲位置使有效电压矢量的作用时间大于 的方法称为脉冲位移法 以下公式证明了脉冲位移法在解决电流重构问题时不会引起给定电压矢量幅值和相位的变化 假设给定的电压矢量为 那么任何 是由 个电压矢量合成如式()所列:()()()()()()()()/()其中:()忽略两个零向量并将方程式()引入到方程式()中:()()()()()()()()()()()/()()()()()()()()()()()()/()将时间项合并:()()()()()()()()()()()()()最后可以得到参考电压的表达式如式()所列:()根据式()可知给定的电压矢量 是只由脉冲宽度、决定 脉冲位移不会改变脉冲的宽度所以给定的电压矢量不会改变仍然以第一扇区为例当给定的电压矢量处于低调制比区域时基本电压矢量的作用时间 和 太短需要同时将 相桥臂的驱动信号向左移动一定时间 相桥臂的驱动信号向右移动一段时间 在这种情况下脉冲移位的难度便增加了文章介绍了一种基于传统 算法进行等效脉冲移位的方法 在 中通常将给定的直流分量与三角波进行比较以产生 脉冲 传统的 算法在一个 周期内给定值是固定的如果要实现脉冲的向左或向右位移则从研究三角波开始沿着中心点将三角波分成两部分在实现向左位移 时给定的比较值需要在 输出期间进行修改三角波的左半部分给定值需要减去 当三角波的右半部分到达固定点时给定值需要增加 图 中展示了 波左移的情况右移同理图 波左移位理论图 无位置传感器控制技术在永磁同步电机无位置传感器控制领域国内外的研究者已经取得了巨大的突破和进步并在实际应用中得到了体现 使用滑模观测的无位置传感器控制算法在可变结构控制理论的基础上被用来观察电机转子位置和转速此结构简单且易于设计在传统的滑动模式控制过程中由于开关的不连续和空间滞后会使锯齿波在滑模表面切换时引起抖振 而抖振信号会引入干扰从而影响控制的精度严重时会引起系统的振荡或不稳定等问题 文中提出了一种新的滑模穿越模式从而削弱了连续滑动模式中的抖振问题 新的函数是一个平滑函数它可以使滑动切换变得连续 改进的滑膜观测器结构框图如图 所示图 改进型滑模观测器 新的函数可由式()表达:机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)电力与装备()()反电动势可由式()表达:()()()式中:为一个常量在传统的滑模观测器中由于开关函数是一个符号函数预算的反向电动势并不连续因此需要添加低通滤波 然而在添加低通滤波后预估的转子位置会存在一定的相位滞后因此需要添加相关的相位补偿这增加了模型和算法的复杂性 由于锁相环具有良好的频率和相位跟踪性能文章将改进的滑模结构得到的反电动势和锁定角构成了一个锁相环以确定电机的转子位置和转速 锁相环框架如图 所示图 锁相环框架 采用锁相环后省略了传统滑模观测的滤波电路简化了系统模型降低了算法的复杂性提高了估算精度在传统的永磁同步电机控制系统中电流检测装置和位置传感器是完成闭环矢量控制的基本硬件组成 文章将相电流重构技术与无位置传感器控制技术结合在一起搭建出低成本、更简单的矢量控制系统 系统的结构框图如图 所示图 改进后系统架构框图 从图 可以看到从逆变器的直流母线获得电流信息后通过相电流重构技术获得完整的三相电流信息 然后将三相电流通过坐标变换直接提供到滑模观测器 最后通过改进的滑模观测器可以获得准确的电机转子位置信息 仿真和实验结果为了验证文章所述方案的合理性建立了一种改进的永磁同步电机矢量控制系统模型 使用的永磁同步电机的技术参数如表 所列表 永磁同步电机具体参数参 数数 值参 数数 值极对数磁通量/.定子电导/.直流电压/定子阻抗/.额定转速/(/)在上述参数之外也应注意 波的频率 为 死区时间 设置为.最小采样时间设置为 根据相电流重构技术的原理逆变器的直流侧母线电流包含三相电流信息 图 是直流母线的电流波形 当前直流总线的曲线并不平坦而是包含了三相电流信息的包络线图 直流链路电路曲线 图 是根据不同开关状态下母线电流与绕组相电流之间的对应关系而从直流母线中分离出来的定子 相绕组电流图 相电流重构曲线 图 是一个 相重构电流与 相实际电流的对比 通过改进传统的相位电流重构算法可以得到一个完整的三相位电流曲线如图 所示图 相重构电流对比实际电流电力与装备 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用图 三相电流重构波形图 以上结果验证了文章提出的相位电流重构算法的有效性 图 显示了使用一种基于滑模观测器的改进型无位置传感器控制方法 图 是一个电机转子位置角估算值与实际值的比较图图 是估算的电机转速与实际值之间的比较图 需要注意的是电机负荷在.时设置为 但电机速度很快再次稳定 图 是估计速度的误差曲线图 电机转子位置角估算值与实际值的比较图图 电机转速估算值与实际值的比较图图 估计速度的误差曲线 以下结果展示了无位置传感器控制技术和相电流重构技术相结合后的永磁同步电机运行情况 图 显示了该控制方案中的电机输出转矩图 是电机速度与时间的关系图 电机负载也在.被设置为 从结果图中可以看出在施加负载后电机的转矩和速度可以再次稳定图 输出转矩图 电机转速与时间关系图 结 语文章介绍了基于 调制技术的永磁同步电机矢量控制的相电流重构原理 在此基础上通过引入脉冲位移改进了相位电流重构技术 然后将改进的基于滑模观测器的无位置传感器控制技术与相电流重构技术相结合建立了一种新型永磁同步电机矢量控制系统 并通过仿真结果证明了该矢量控制系统的有效性 更重要的是虽然系统中传感器的数量减少了但 在运行中的性能表现依然较好参考文献:.():.():.():.():.:.(下转第 页)机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)电力与装备对比表、可以看出虽然使用小波包能量熵也取得了较好的诊断效果但使用 能量熵作为输入向量时诊断模型的准确率和运行时间均优于使用小波包能量熵 另外 相比小波包的另一个优点是可以直观地看出振动信号在时频平面的分布并且可以根据信号特点选择合适的 和 改善了标准 变换时频分辨率固定的缺点也避免了小波包分解选择小波基函数的困难表 不同分类器使用小波包能量熵的故障分类结果分类器故障类别准确率/运行时间/.结 论文章对标准 变换进行了改进参考小波包能量熵思想从改进 变换模型矩阵中提取能量熵作为特征量输入 模型进行电磁斥力机构高压真空断路器机械故障诊断 研究结果表明()提出的 时频分辨率高振动信号经过 后可直观看出信号在时频平面的能量分布且不同状态下的可区分度较高()提出的故障诊断模型取得了较好的诊断效果其中 和 均达到了的准确率并且准确率和效率均优于传统的小波包能量熵为小样本下高压真空断路器机械故障诊断提供了一种新的思路参考文献:.():.刘亚芳.高压断路器事故调查.国际电力():.吴振升王 玮杨学昌等.基于分形理论的高压断路器机械振动信号处理.高电压技术():.孙来军胡晓光纪延超.一种基于振动信号的高压断路器故障诊断新方法.中国电机工程学报():.陈伟根邓帮飞杨彬.基于振动信号经验模态分解及能量熵的高压断路器故障识别.高压电器():.黄 建胡晓光巩玉楠.基于经验模态分解的高压断路器机械故障诊断方法.中国电机工程学报():.:.():.():.():.周竹生陈友良.含可变因子的广义 变换及其时频滤波.煤田地质与勘探():.徐建源张彬林莘等.能谱熵向量法及粒子群优化的 神经网络在高压断路器机械故障诊断中的应用.高电压技术():.():.(上接第 页)./.:.():.李世孝.永磁同步电机单电流传感器矢量控制.沈阳:沈阳工业大学.薛斐.基于 芯片的永磁同步电机控制器设计.长春:吉林大学.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)电力与装备