永磁同步电动机无传感器控制通过注入高频脉冲载波信号估算定频旋转参考系外文翻译资料

 2021-11-23 10:11

英语原文共 10 页

永磁同步电动机无传感器控制通过注入高频脉冲载波信号估算定频旋转参考系

罗鑫,唐启鹏,沈安文和张侨,成员,电气和电子工程师协会

摘要——为了永磁同步电动机无传感器控制,广泛地使用高频脉冲载波信号注射方法是基于跟踪转子的显著性。它面临着收敛时间长,潜在的启动失效,系统稳定性有限的问题。不同于传统的方案,该方法是一个直接估算的方法。高频脉冲载波电压被注入到估算定频旋转参考系除了估算的同步参考系。使用这种方法,空间显著性跟踪观测器是极其重要的常规的无传感器控制,简化了控制结构,提高了系统的稳定性。此外,从注入的高频脉冲载波信号的响应中直接获得转子位置信息,从而避免了跟踪观测器的潜在收敛故障。此外,为了提高转子位置估计的精度,推导了所提出的无传感器控制策略中存在的系统延迟补偿问题。对于磁极性检测,还研究了一种具有高信噪比和低振动的有点的新方法。最后,对永磁同步电机的实验结果表明,采用无位置传感器控制策略能够准确地获得转子位置稳定、动态性能良好的转子位置。

关键词——固定频率,高频脉冲载波信号注入,永磁同步电机,无传感器

1.介绍

永磁同步电机被广泛地应用由于其高扭转密度、功率密度和效率。为了实现永磁同步电机的磁场定向控制,需要转子位置和相电流的信息。通常情况下,转子位置是通过机械传感器获得的。不过,这些传感器有几个缺点比如额外的成本、轴向尺寸、可靠性低和抗干扰性。因此,许多文献一直专注于转子位置估计完成无传感器控制[1]-[10],[26]。

无传感器控制技术可大致分为两类:基于基本模型和机械显著性的技术。基于基本模型的方法可以进一步引入基于反电动势的方案[3],[6]-[8]和基于磁链的方案[9]。尽管这些方法有着简单、易操作的优点,在中高速地区有很好的表现,但是他们通常遭受无法启动的问题困扰。对于基于机器显著性的方法,必须注入附加的高频信号,以产生包含转子位置信息的反射。根据注入信号的类型,它们可以被大致分为静止参考坐标系旋转注入[10]-[14]和在估计的同步参考系的脉冲注入[12]-[19]。零或低速无传感器控制的能力使这些方法非常的有吸引力。

两种形式的注入方案[12]-[14]进行了比较。脉冲注入方法更加精确[12],对功率器件死区效应[14]不敏感。所以,、脉冲注入方法引起了广泛的关注。在[15]里,介绍了无传感器安全操作区域,并适当考虑了模拟到数字转换的量化误差。当机器在无传感器安全操作区域内运行时,可以保证无传感器操作的性能。在[16]中提出了一种具有正态分布绕组的横向叠层磁阻同步电机的有效高频模型,它为同步电机和断路器的高频行为提供了深入的指导,为实现低速和零速度下的稳定位置估计提供了实用的指导。在[17]中提出了一种无速度传感器的电流源定心馈电IPM驱动器的无传感器方法,该方法提高了注入信号大的动态响应,并且防止了注入信号的任何夹紧。为了解决无传感器控制SPMSM的特定问题,基于多凸点机械的特性,提出了一种[18]的多信号注入方法。在[19]里,分析了延迟和定子电阻的影响。研究发现,小的无补偿延迟角会在转子位置估计中产生一个考虑到的误差角。在这种情况下,跟踪观测器可能变得不稳定,失去其在跟踪转子位置的效率。在[20]里,提出了一种将高频脉冲载波信号注入静止参考系的新型无传感器控制策略。尤其在[21]里,无传感器矢量控制方法具有空间旋转高频电压注入的独特椭圆形状,提出了一个新的锁相环的方法作为一个调解方法,其输入是一个高频电流分量相乘的信号。采用这两种创新的调解/调制技术,可在额定驱动或再生载荷下从零到额定转速运行。此外,它还能对逆变器死机时间起到鲁棒性。

总结现有的文献,对于基于高频注入的无传感器控制方法,“跟踪方法”被广泛用于估计转子位置,如果估计的同步参考帧在实际同步参考帧上对齐,从位置-载波信号响应,这是有效的。但它们可能面临收敛时间长、启动失败、系统稳定性有限的问题,提出了一种将注入脉冲高频电压注入估计固定频率旋转参考帧的策略,而不是在纸上的跟踪方法。然后转子位置信息可以直接从注入的高频载波的响应中提取出来,然而,估计转子位置有的角度模糊,因此机器的显著性在一个单一的电气过程中经历两个周期时期。因此,为了获得精确的转子位置,一种高频载波电压沿估计转子位置方向注入的新型磁极检测方法被提出。这样的磁极检测有着信噪比高和易操作的优点。最终,实验结果表明所提出的无传感器控制策略可以准确地获得具有良好稳态和动态性能的转子位置。

本文内容安排如下。在第二部分,分析传统的高频脉冲载波注入方法。在第三部分,对所提出的无传感器策略的过程进行了详细的分析和描述。此外,还讨论了系统延迟补偿和定子电阻。在第四部分,基于机器的磁饱和效应,提出了一种简单而又可靠的磁极检测方法。在第五部分,实验结果验证了所提出的无传感器控制策略和磁极检测方法的有效性。最后一部分得出了结论。

传统高频脉冲载波信号注入方法

永磁同步电动机的基本模型在(1a)同步参考帧d-q中描述。这个术语()通过磁通量的变化率代表反电动势被诱导。当转子速度足够低且注入频率比当前基本频率足够高,反电动势由于太小以至于可以被忽略。所以,永磁同步电机基本模型低速运行时可以认为是一个简单的R-L负载,可以用同步参考帧d-q中(1b)描述电压方程。

= (1a)

(1b)

分别是d轴电压,q轴电压,d轴电流,q轴电流,d轴电阻,q 轴电阻,d轴电感,q轴电感,转子转速,无定子电流的转子磁体磁链和时间导数。通常是相等的,标记为。

脉冲电压矢量表示为(2),被注入估计的d轴

(2)

其中上标表示估计的同步参考帧;分别是注入电压矢量的频率和振幅。减少的高频电流可以如下推导:

(3)

在(3)中,是估计d轴和实际d轴之间的估计误差。是与相关联的常量值。方程(3)揭示当估计同步参考帧接近实际同步参考帧,估计q轴的感应电流将变为零。

估计q轴电流乘以假设同步信号。之后,低通滤波器用于获得转子位置估计误差作为(4)。

(4)

最后,转子位置信号可以通过信号处理算法将调整为零获得,比如如锁相环和观测器。然而通过(4)观察有四个可能值使值接近零。的歧义或许会导致收敛时间长或跟踪观测器的潜在收敛失效。跟踪观测器收敛失效将导致启动失败进一步使系统不稳定。此外,由于追加闭环跟踪方法,应该仔细设计附加闭环的适当参数,以确保系统的稳定性,这将增加系统的复杂性。

传统的信号处理算法是基于“跟踪方法”的。“跟踪方法”的原理是用估计角跟踪实际转子位置,如图1(a)所示。与同步频率有关,与估计同步频率有关。便于分析三个信号处理算法的频率之间的关系,关系如图1(b)所示。当转子低速运行或速度为零时,同步频率和估计同步频率远小于注入频率。因此,能与通过低通滤波器去耦。图1(b)中的频率轴在低通滤波器截止频率的基础上,能分为保留部分1和过滤部分2。因为是近似的,所以不能用传统的脉冲载波注入方法解耦,跟踪算法(锁相环和观测器)用于获得转子位置。

(a)

(b)

图1.传统高频脉冲载波信号注入方法原理。(a)估计同步参考帧和实际参考帧的关系。(b)载波电流频率在正常坐标系的组成部分。

基于固定频率旋转参考系提出高频脉冲载波信号注入方法

尽管传统脉冲载波电压注入方法有一个简单的物理原理,但是它有可能面临收敛时间长和潜在的启动失败。此外,跟踪方法的附加闭环会损害系统稳定性。与传统的脉冲载波信号注入方法的跟踪思想不同,提出了一种将注入脉冲高频电压注入攻击的固定频率旋转参考系的策略,从而改进了启动和稳定性。

图2 移动从部分一到部分二

图3 固定频率旋转参考系和实际同步参考系的关系

提出高频注入方法

通过把从部分一移动到部分二,只有保持在部分一,如图2所示。由于部分二中这个信号通过低通滤波器被过滤,转子位置信息能直接从高频载波响应中提取,移动过程是通过使用估计的固定频率旋转参考系来取代估计同步参考系进行,如图3所示。是d*与实际轴的角。是参考系的旋转频率。上标*表示固定频率旋转参考系。

脉冲载波电压信号被注入到d*轴。将注入电压转化到d-q同步参考系i,e, (5)

其中

可以被看作是两个不同频率电压的总和。因此,当永磁同步电动机视为一个线性系统时,高频载波响应电流通过叠加成减少。

响应电流通过减少可表示为

(6)

在(6)中,是与关联的常量值。转化(6)回到d*—q*参考系i.e。

(7)

同样地,响应电流在d*-q*参考系中通过减少,表示为

(8)

是与关联的常量值。

然后,把(7)式与(8)式相加,总高频载波响应电流为

(9)

式(9)乘以,我们得到

(10)

利用低通滤波器提取含有转子位置信息的低频信号,即

(11)

式(11)可以写成

(12)

其中

其中偏移角与相关。如果可以进行预检测和补偿,则可以得到转子方向位置在(13)中。的范围,代表之前的估计转子位置磁极性检测。实际转子位置等于或()。然后,利用磁极性检测方法获得转子位置。原信号处理如图4所示。

图4 简化信号处理框图

(13)

该方法直接从注入高频脉冲载波信号的响应中获得转子位置信息,而不是基于观测器的收敛过程。该方法避免了跟踪观测器收敛时间长或潜在的收敛的失效。

此外,在整个信号处理过程中,只有一个低通滤波器代替了观测器的闭环控制器,简化了控制结构,提高了系统的鲁棒性。然而,由于高频电压注入估计的定频旋转参考系而不是估计的同步d轴,因此该方法产生的转矩脉冲可能大于传统的汇聚脉冲法。幸运的是,该方法产生的转矩脉冲在高注入频率下发生了变化,对基波的性能影响不大。

参数设计

在提出的无传感器控制方案中,需要设计四个频率()。其中,不仅决定了转子位置估计的精度,而且限制了最大可用。为了便于分析,本文提出额解决方案中提到的高频信号可以分为两种类型:1)注入信号和采样信号;2)信号处理过程中需要滤波的信号。

第一类频率是存在的,一般需要由数字信号处理器(DSP)构造或采样,当前采样频率与脉宽调制(PWM)开关频率相同。因此,第一类频率的最大值受PWM开关频率的限制下。为了保证注入信号的完整性和平滑性,在注入载波信号周期中,采样点要尽可能的多。根据工程经验,第一种频率的最大值小于PWM频率的十六分之一。第二类频率需要测量。为了有效地滤除第二类频率,第二类频率的最小值需要是的10倍。此外,为了准确地获得转子位置,应该比大10倍。图5表示频率分别是第二类频率的最小值,第一类频率最大值,PWM换流器频率和无关频率。它们之间的关系如下:

(14)

图5 采用提出的频率分量法向坐标系

表1

频率成分

表1列出了这两种频率,。通过分析响应电流和注入高频信号,得到了第一类频率。第二类频率提取自(10).在第一类频率下,。在第二类频率中,是中最小的。

为了扩大无传感器控制的速度范围,选择这些参数的目的是为了得到的最大值由(14)可知,的最大值取决于。将带入(14)得到

(15)

图6 线性规划曲线。(a)。(b)。

(c)。(d)。(e)。(f)。

再用线性规划分析(15).根据不同的情况,给出了相应的线性规划曲线,如图6所示。阴影部分是每种情况下的有效区域。点A、B、C、D、E、F分别是最优点。

最优点A和B为。最优点C和D为。最优点E和F为。比较这些最优点A、B、C、D、E、F,得到时的极值。则根据(14),最大允许速度为,即,最大允许转速为。

影响或延迟

在上一节中,我们推导了没有系统延迟的高频响应电流(9)。但是实际上由于电流传感器电流的延迟和采样周期不同,测量到的高频电流与实际电流不同。为了分析延迟对转子位置的影响,在(16)中考虑了的恒定延迟,得到了实测高频电流

(16)

由图5信号处理可知,包含转子位置的结果为

(17)

其中

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