基于转子凸极跟踪的永磁同步电机转子位置的自检测方法_王丽梅

(fi =500Hz , v i=1V , 无基 波励磁) Fig.3 Stationary reference frame plot of the carrier
sig nal cur rent without any fundamental ex citation present in the machine for v arious ro to r position (f i=500Hz , v i =1V)
vsqds =v se
cos (ωe t) -sin (ωet )
+v si
cos (ωi t ) -sin (ωi t)
=v seejωe t +v siej ωit
(2)
式中 v se ———基波电压矢量的幅值
由三相载波频率电压矢量感应出的电 流矢量 i sqdi可以分 为三个分 量[ 3] , 第一 个是正相 序分量 ,
第 16 卷第 2 期
王丽梅等 基于转子凸 极跟踪的永磁同步电机转子位置的自检测方法
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他们采用模拟与数字混合硬件成功地实施了这种方
从式 (3) 中可以看出 , 只有负相序分量包含
法 。本文采用 了旋转矢量固定 载波频率励磁 的方 转子的位置信息 , 假设电机每极齿只有一个凸极 ,
法 , 开发了基于 DSP 的数字系统进行转子 位置的 转子的位置就可以从这个方程中估计出 。
王丽梅 郭庆鼎 (沈阳工业大学电气工程学院 110023)
Wang Limei Guo Qingding (Shenyang University of Technology 110023 China)
摘要 提出了一种永磁同步电机转子位置估算的自检测方法 。文中讨论了利用旋转矢量载波 高频信号注入 、 外差法及跟踪观测器检测转子位置的原理 。同时给出了针对内埋式永磁同步电机 的实验系统及实验结果 。
在这种情况下 , 去除交流驱动系统中的传感器
便成了研究的热点 。过去几年中 , 很多文章介绍了 各种消除传感器的方法 。这些技术大多采用跟踪反 电动势的方法 , 这种方 法仅依赖于电 机的基波方 程 , 因此实施起来非常简单 。但这限制了电机在低 速及零速时的运行 , 而且对电机的辨识参数敏感 。
最近 , 科研人员研究了一种新的电机转子位置 检测方法 ———电机凸极跟踪方法 。这种方法可以使 电机在任何速度下工作 , 包括零速 。 缺点是需要电 机有一定程度的凸极 。 这种电机凸极跟踪方法可进 一步根据它们是采用电机的基波励磁还是采用另外
1 前言
在过去的几十年中 , 永磁同步电机一直被广泛 地应用于伺服系统中 。近些年来 , 对不同类型的永 磁电机有了更多的开发研究 , 这是因为永磁电机相 对于感应电机来说有更多的优势 , 如高效率 , 高转 矩电流比 , 高功率密度等 。
永磁同步电机的运动控制需要精确的转子位置 和速度信号去实现磁场定向 。 在传统的运动控制系 统中 , 通常采用旋转变压器或光电编码器来检测转 子的位置和速度 。然而 , 这些额外的传感器 , 连接 器 , 电缆等增加了系统的成本 , 并且降低了系统的 可靠性 。 因此 , 消除这些装置以提高系统的可靠性 并降低成本 , 便成为一种研究趋势 。
与 d 轴电感有一定的差值 , 形成电机的凸极 。文中 所述方法即通过高频信号注入来跟踪转子凸极 , 从
(SFF) 除去反馈 信号的基 波分量和 正相序 分量 , 剩下的负相序分量可以用来跟踪转子的凸极 , 进而
而得到转子的磁极位置 。
测得转子的位置 。 是注入一个三相平衡相 为旋转变压器 , 而逆变器则作为载波频率注入信号
它以与注入电压相同的方向旋转 ;第二个是负相序
分量 , 它以与注入电压相反的方向旋转 ;第三个是
零相序分量 , 只存在于不平衡的三相系统中 。对于
一个平衡系统 , 电流矢量可写作
i
s qd i
=iipej
θi(t)-π/ 2
+i inej 2θr-θi(t)+π/ 2
(3)
式中 , 正 、 负相序分量的幅值由式 (4)给出
估算 。文中详细讨论了内埋式永磁同步电机的转子 位置自检测方法 , 并给出了转子位置的估算结果 。
2 转子凸极跟踪自检测方法的原理
在电流型交流 PWM 逆变器中加入一个载波电 压励磁矢量 vsqdi的原理图如图 1 所示 。 一个三相平 衡的 0.5 ～ 2kHz 的电压信号被加到电流控制器的 输出端 , 电机的电流响应能够被测得 。由三相平衡
signal in a current regulated PWM V SI
载波信号电流矢量的正相序分量的轨迹是一个 圆 , 而整个载波信号电流矢量却是一个椭圆 。 这个 椭圆是构成整个载波信号电流矢量按相反方向作用 的结果 。这个椭圆相对系统坐标的方向 , 即从椭圆 主轴到 q 轴的角度是凸极位置的函数 。 由载波信号 电流矢量所划出的椭圆是电机凸极的表现 。当电机 转子没有凸极时 , 载波信号电流矢量只包括正相序 分量 , 轨迹是一个圆 。
的独立励磁而分为两类 , 其中仅依赖于电机基波励 磁的方法在低速和零速时仍不能可靠工作 , 而依赖 于另外独立励磁的方法 , 可以在低速和零速运行 。
M.J.Corley 与 R.D.Lorenz[ 1, 2] 提 出了一 种利 用固定载波频率励磁的方法估算转子位置和速度 ,
王丽梅 1969 年生 , 沈阳工业大学副教授 , 主要从事交流伺服系统和智能控制等方面的研究 。 郭庆鼎 1939 年生 , 沈阳工业大学教授 , 博士生导师 , 主要研究领域是交流伺服系统的理论与控制方法研究 。
在此实验中 , DSP 的采样频率设为 8kHz , 注 入高频信 号的频 率为 1kHz , 基波 频率为 125Hz 。 电机是由估算位置控制的 。 在无基波励磁 , 转速为 14.4r/ min 时 , 估算与实际测得的转子位置曲线如 图 4 所示 。图 5 给出了估算位置 θr 与编码器位置 θr 的差值 。 图 6 与图 7 给出了电机在 3770r/ min 时 的估算位置与编码器位置以及两者的差值 。以上图 形显示了电机在低速和高速运行时 , 这种自检测方 法能够很好地跟踪电机的转子实际位置 , 能够满足 系统的精度要求 。 通过实验 , 还可以看出 , 电机凸 极的程度 、 载波信号的大小 、 逆变器 、 电流传感器
关键词 :永磁同步电机 自检测控制 凸极跟踪技术 中图分类号 :TM 383.42 Abstract T his paper present s an implementation of rotor position est im ation wi th self-sensing met hod fo r permanent magnet (PM)synchronous machines .The methods using rotating vecto r , carrier frequency ex citation and heterody ning , tracking observers fo r roto r position estim ation are discussed .T he experimental system used for t his work is presented .T he ex perimental results fo r the case of a buried PM m achine are show n in the paper . Keywords :PM mo tor Self-sensing control Saliency-t racking
流矢量的负相序分量中 , 当载波信号电流被转换到 一个与载波信号电压励磁同步的参考轴系中 , 正相
进行转子位置估算的自检测方 法具有很强的 鲁棒 序载波信号变成一个直流值 , 很容易用一个高通滤
性 。对于一台内埋式永磁同步电机来说 , 它的 q 轴 波 器 滤 掉 。 故 采 用 一 个 高 通 同 步 轴 系 滤 波 器
为了得到跟踪观测器所需的转子位置误差 , 这 里采用外差过程去解调空间凸极调制的负相序电流 分量 。 跟踪观测器的原理图如图 2 所示 。 外差过程 能够使跟踪观测器跟踪相当小的载波电流分量 (小 于 0.4 %的额定电流)。 因此 , 这种方法在载波频
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率下没有测量噪声和波动转矩影响 。
电工技术学报
电压 , 从而产生一个以载波频率 ωi 旋转的电压信 号
源来进行转子位置的检测 。
v
s qdsi
=
v
s qsi
vsdsi
=v si
cos (ωi t ) -sin (ωi t)
=v siej ωit
(1)
式中 vsqdsi ———在静止参考轴系中注入的载波电压 v si ———载波电压矢量的幅值
这个载波信号可以加在电机的基波励磁上 , 得到
iip =
L2
L -ΔL 2
vωii ,
i in
=
L2
ΔL -ΔL 2
vi ωi
(4)
式中 , L 和 ΔL 分别为平均电感和微分电感 , 定义
为
L
=L
q
+L 2
d
,
ΔL
=L q
-L 2
d
(5)
图 1 电流型 PWM 电压源逆变器的载波 励磁信号注入法原理图
F ig.1 M eans for a carrier frequency vo ltage ex citation
其电气与机械参数由表 1 给出 。
表 1 实验电机的电气及机械参数 Tab .1 Electrical and mechanical specifica tio ns
of experimental mo to r
参数名称