永磁同步电机转矩脉动抑制无位置传感器重复控制系统_孟繁思

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永磁同步电机转矩脉动抑制无位置传感器重复控制系统
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
收稿日期： 2014 － 10 － 25 基金项目： 国家科技支撑计划项目（ 2014BAB02B01 ）
（ 3）
驱动控制 rive and control u d = Ｒi d + p（ ψ f + L d i d ） － ωL d i q － eα （ 4） θ = arctan eβ u q = Ｒi q + pL q i q + ω（ ψ f + L d i d ） 为了估计电动机的速度和转子位置， 首先要得 （ 5） T e = 1 ． 5 p（ ψ d i q － ψ q i d ） 到扩展反电动势。 式 （ 3 ） 即为扩展反电动势项， 由 J dω － T = T e L 于反电动势不能被直接测量， 需要通过基于 IPMSM p dt 定子电流模型的反电动势观测器来实现 。 整理式（ 5 ） 可得： ， 但传统的扩展反电动势法还有一些不足 例如 2 T e － 3 pψ f i q （ 6） id = 系统响应速度慢、 跟随性差、 超调大， 当系统受到阶 3 p（ L d － L q ） i q 跃冲击时， 系统波动较大， 因此本文改进了扩展反电 uq ， 将式（ 6 ） 代入定子电压方程 u d ， 并将定子电 动势法， 加入了电机扰动观测器， 电机扰动观测器设 uβ1 ： 压由 d － q 轴转换到 α － β 轴整理得补偿电压 uα1 ， 计如下： 2 T e － 3 pψ f i q 2 T e － 3 pψ f i q － ωL d i q － Ｒi q + L q pi q + ω ψ f + L d （ Ｒ + pL d ） 3 pi q （ L d － L q ） uα 3 pi q （ L d － L q ） cos θ = u β1 sin θ 2 T e － 3 pψ f i q Ｒi q + L q pi q + ω ψ + L 2 T e － 3 pψ f i q － L ） i （ Ｒ + p L ω d d q f d 3 pi q （ L d － L q ） 3 pi q （ L d － L q ） （ 7） 由式（ 7 ） 可知， 观测电动机输出转矩、 估计转速 和 q 轴电流， 即可求得转矩波动时的补偿电压。 对 输出电磁转矩补偿后可以有效提高系统的响应速度 图 2 改进的速度位置观测器 和跟随性， 减缓阶跃信号对系统的冲击， 降低了电动 ， 为了抑制高频噪声对速度环的干扰 要对速度 机的转矩和转速脉动。改进的反电动势观测器结构 ［8 ］ 采样值做数字低通滤波， 其等效传递函数 ： 如图 1 所示。 f G f （ s） = （ 10 ） s +f 式中： f 为截止频率。 孟 繁 2 改进的重复控制系统的设计 思 等 2 ． 1 系统结构图 K （ s ） 为 重 复 控 制 环 路 补 偿 器 ； 永 如 图3 所 示 ， 磁 F （ s） 为小于 1 的常数或低通滤波环节； H （ s ） 为比例 同 步 图 1 改进的反电动势观测器 积分调节器； Ｒ （ s ） 为系统输入； C （ s ） 为系统输出； 电 e β 得到， e － sT 为延时环节； Kt 为转矩常数； TL 为负载转矩； Ginv 机 电动机的位置信息 θ 可以由 e α ， 令： （ L d 转 · （ s） 为 SVPWM； G c － pmsm ， G s － pmsm 为 IPMSM。 矩 － L q ） （ ω e L d － i q ） + ωe k E = K， 将式 （ 3 ） 两边分别平 脉 动 方， 即可得到： 抑 2 2 制 （ 8） e2 α + eβ = K 无 位 将式 （ 8 ） 开方后与式 （ 3 ） 消去 K 后， 即可得到 置 sin θ 和 cos θ， 再根据三角函数积化和差就能得到角 传 感 度误差 θ err 的正弦量： 图 3 改进型重复控制系统结构 器 ^ ^ ^ 重 2 ． 2 系统稳定性分析 sinθ err = sin（ θ － θ） = sinθcosθ － cosθsinθ （ 9 ） 复 控 改进的重复控制系统的开环传递函数 ： 该速度和位置的观测方法在角度误差 θ err 较小 制 K1 （ s） K 2 （ s ） H1 （ s ） 时， 可以近似认为 θ err = sin θ err ， 但当 θ err 波动较大时， 系 G（ s） = · －sT1 + －sT2 统 （ s ） e （ s ） e 1 － F 1 － F 1 2 观测结果不准确， 因此本文设计了改进的速度位置 H2 （ s） G inv （ s） G c －pmsm （ s） 观测器， 加入了重复控制器， 可以提高系统的跟踪精 · 1 + H （ s ） G （ s ） G （ s ） 2 inv c －pmsm 度， 改善系统品质。 改进的速度位置观测器结构如 39 （ 11） Kt （ s） ·Gs －pmsm （ s） 图 2 所示。
驱动控制 2015 年第 43 卷第 3 期 rive and control 1 1 2 孟繁思 ， 徐建英 ， 李传宇 （ 1． 辽宁科技大学，鞍山 114051 ； 2． 五矿营口中板有限公司， 营口 115005 ） 摘 要： 提出了一种永磁同步电动机转矩脉动抑制无位置传感器重复控制系统 。 速度环采用比例积分调节器 与重复控制器串并联的复合控制结构， 提高了速度环的跟踪性能， 降低了系统因负载或其他扰动引起的转速波动； 在扩展反电动势观测器中加入了电机扰动观测器和重复控制器， 降低了因负载扰动和角度估计误差对电机稳定性 。 MATLAB / Simulink 的影响， 抑制了转矩脉动 在 仿真环境下进行了仿真， 验证了该方法的有效性 。 关键词： 内埋式永磁同步电机； 无位置传感器； 重复控制； 扩展反电动势法 中图分类号： TM351 ； TM341 文献标识码： A 文章编号： 1004 － 7018 （ 2015 ） 03 － 0038 － 04 A Position Sensorless Ｒepetitive Control System for Suppressing Torque Ｒipple of PMSM XU jianying1 ， LI Chuanyu2 MENG Fansi1 ， （ 1． University of Science and Technology Liaoning ， Anshan 114051 ， China； 2． Minmetals Yingkou Medium Plate Company Limited ， Yingkou 115005 ， China） Abstract： A repetitive control system of position sensorless was proposed for interior permanent magnet synchronous motors （ IPMSM） to suppress the torque ripple． The speed loop was composed with a composite control structure using the series － parallel connection of the repetitive controllers and PI controller for improving the tracking performance of the speed and reducing its fluctuations caused by the load or other disturbances． A motor disturbances observer and a repetitive con troller were added in the extended back － EMF observer to reducing the influences by the load disturbances and the error of the angle estimations，therefore the torque ripple was suppressed． The simulation experiment was carried out in the Matlab / Simulink simulation environment and the effectiveness of this method was proved． Key words： interior permanent magnet synchronous motor （ IPMSM ） ； position sensorless； repetitive control； extended back － EMF 孟 繁 1 PMSM 无位置传感器扩展反电动势法 思 0 引 言 等 ［6 － 7 ］ 永磁同步电动机（ 以下简称 PMSM） 可以实现高 ： 坐标系下的 IPMSM 电压方程可以表示 永 ［1 ］ 高精度、 响应迅速的控制效果 ， 但其转矩脉 Ｒ + pL d － ω e L q i d ud 0 磁 速度、 = + （ 1） 同 动一直是困扰人们的难题 ， 转矩脉动对永磁电机的 ωe ψf uq Ｒ + pL q i q ωe Ld 步 ［2 ］ 电 稳定性有着极大的影响 ， 而对于 PMSM 转矩脉动 L q 为 d 轴电感和 q 轴电感； 式中： Ｒ 为定子电阻； L d ， 机 转 抑制问题全面和深入的研究却相当少 。国内外学者 u q 为定子电压的 d， q 分量； i d ， ω e 为转子角速度； u d ， 矩 对抑制电机转矩脉动的研究工作主要是针对电机本 脉 i q 为电子电流的 d， q 分量； p 为微分符号； ψ f 为转子 动 体的设计， 如电机齿槽数、 极数、 绕组形式和永磁体 抑 侧磁链。 的形状等［3 － 4］， 制 由于制造工艺等原因， 容易产生误 无 将式（ 1 ） 由 d － q 坐标系变换到 α － β 坐标系 本文设计了一个新型的重复控制 针对这个原因， 位 差， 下， 得： 置 ， ， 传 系统 相对于电机本体的改进 所设计的系统拥有更 Ｒ + pL d eα uα ωe （ Ld － Lq ） iα 感 广泛的数学模型， 适用范围也更广， 对 PMSM 无位 = + 器 uβ Ｒ + pL d iβ eβ － ωe （ Ld － Lq ） 重 置传感器控制系统转矩脉动抑制有明显的效果 。但 复 （ 2） 如对非周期性扰动 控 重复控制本身还存在一定不足 ， ［5 ］ 制 式（ 2 ） 中等式右边第二项即为扩展反电动势， 的抑制问题等 。因此， 还需要进一步研究提高重 系 统 复控制应用的广泛性 。 表达式如下： eα － sin θ = ［ （ L d － L q ） （ ω e L d － pi q ） + ω e ψ f I cos θ eβ