同步磁阻电机的无速度传感器矢量控制技术研究

同步磁阻电机的无速度传感器矢量控制技术研究

刘思贝;李飞浪;姚文熙;吕征宇

【摘要】针对电机无速度传感器控制中,需要设计稳定、准确的观测器以实现系统全速范围内可控的问题,对同步磁阻电机的控制结构、控制器、考虑转速估算的磁链观测器等方面进行了研究,开展了一套基于转子位置定向的系统的控制方案的分析.根据同步磁阻电机的数学模型,建立了电压-电流型磁链观测器的小信号模型,分析了观测器的稳定性,给出了系统在低速反转模式下固有的不稳定特性;利用Matlab/Simulink搭建了系统仿真模型,并利用基于dSPACE的半实物仿真实验平台,对控制方案、低速反转模式进行了实验研究.研究结果表明:使用电压-电流模型观测器在正转区能实现无速度传感器矢量控制,证明了方案的可行性;当系统处于低速反转区时观测器不稳定,证明了小信号模型分析的正确性.

【期刊名称】《机电工程》

【年(卷),期】2018(035)009

【总页数】6页(P964-969)

【关键词】同步磁阻电机;矢量控制;磁链观测器

【作者】刘思贝;李飞浪;姚文熙;吕征宇

【作者单位】浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027

【正文语种】中文

【中图分类】TH39;TM352

0 引言

同步磁阻电机(SynRM)是一种完全使用磁阻转矩的同步电机，其定子结构与传统

感应电机相同，而转子使用磁芯材料通过特殊工艺制作而成，如采用高导磁材料和非导磁绝缘材料的叠片沿轴向交替高密叠压而成，使得直交轴的磁阻存在明显差异，从而产生磁阻性质的电磁转矩。相比于感应电机，SynRM没有转子绕组，功率密度和效率更高；相比于永磁同步电机，SynRM没有永磁体，成本较低，易于弱磁，更能适应高速运行[1]。因此，SynRM在传统的传动领域和电动汽车驱动等新型领域都有着良好的应用前景。

1971年由BLASEHKE F提出矢量控制，通过矢量变换方法将交流电机模拟成直流电机进行解耦控制[2]。在SynRM中比较常见的方案有两种：一种是定子磁链定

向的方案[3]，该方案的缺陷是q轴电流额外受d轴控制电压的影响，定向不准也会引起扰动；另一种是转子位置定向的方案[4]，该方案下电磁转矩表达式更明确，电流控制转矩输出更直接。在无速度传感器控制中，磁链观测器的稳定性至关重要。文献[5]在离散域设计观测器，考虑了延迟的影响，但计算量偏大且只考虑高速情

况利用反电动势进行估算；文献[6]使用了卡尔曼滤波器避免低速时观测不准，然

而大量使用了电机电感参数，重要参数计算繁琐；文献[7]使用了锁相环的形式在

低速区能获得更好的观测结果，不过需要高频小信号的注入，在其他工作区域可能引入高频噪声；文献[8]中的电压-电流模型实现简单、计算量小，使用了反馈避免纯积分环节，却缺少相应的稳定性分析。

本文详述SynRM电机的建模和控制器的设计，分析基于转子位置定向的矢量控制方案，设计磁链观测器，进行仿真和实验，以验证控制方案的合理性以及观测器不稳定区间的正确性。

1 SynRM工作原理

SynRM的定子绕组与传统电机相同[9]，因此，静止坐标系下的定子电压方程可以表示为：

usαβ=Rsisαβ+pψsαβ

(1)

式中：usαβ,isαβ—静止坐标系下的定子电压、电流矢量；ψsαβ—定子磁链矢量；Rs—定子电阻。

SynRM的磁链全部由定子电流产生，磁链方程如下：

ψsαβ=Lαβisαβ

(2)

式中：Lαβ—定子电感矩阵，包括自感和互感。

由于磁阻特性，电感值会随转子位置的变化而变化，磁链矢量与电流矢量并不是简单的线性关系，磁链矢量与电流矢量之间存在夹角，产生电磁转矩。SynRM的转矩方程与运动方程如下：

(3)

(4)

式中：np—电机极对数；Te—电磁转矩；TL—负载转矩；ωr—电机机械角频率。静止坐标系下，电机的电气变量是时变量，为了分析方便，本研究采用旋转坐标系。该电机转子结构存在两个对称轴，两轴的磁阻差产生了磁阻转矩作为主要的驱动转矩。以磁导较大的轴，即转子位置轴，作为旋转坐标系的d轴，另一个为q轴。

旋转坐标系下，电机模型方程(1～3)分别转变成如下方程：

usdq=Rsisdq+ωejψsdq+pψsdq

(5)

ψsdq=Ldqisdq

(6)

(7)

式中：j—单位旋转矩阵；ωe—同步角频率；dq—该变量在旋转坐标系下的下标。此时，在稳态情况下，各变量都将保持不变，电感值也不再随位置而变化；并且转矩与电流的关系比较简单，容易通过电流实现对转矩的控制。

SynRM稳态运行状态下坐标系如图1所示。

图1 SynRM的矢量图

图1中，dq旋转坐标系，其d轴与转子凸极轴线重合，q轴沿旋转方向超前d轴90°；αβ静止坐标系，其α轴与A相相轴重合；xy是与定子磁链ψs同步的旋转坐标系，其x轴沿定子磁链矢量的方向。θr和θs分别为转子位置角和定子磁链角，δ和γ分别为转矩角和电流角。

其中，ψs可根据磁链观测器得到。在静止坐标系下，定义一个矢量ψa如下[10]：ψa=ψs-Lqis

(8)

矢量ψa的方向恰好与旋转坐标系d轴重合，根据式(8)可确定d轴方向，实现无

速度传感器控制。

2 转子位置定向的矢量控制方案

基于以上分析，本文设计了转子位置定向的SynRM矢量控制方案，控制框图如图2所示。

图2 SynRM矢量控制框图

其基本原理是：通过转速控制获得转矩给定Tref，Tref经过电流分配转成dq轴