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永磁同步电动机无位置传感器控制的实现难点及对策

--紫荆(bauhinia)

供稿:紫荆_1 2005/7/11 17:07:00

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高性能的交流调速传动系统一般需要在转子轴上安装机械式传感器,以测量电动机的转子速度和位置。这些机械式传感器常是编码器(Encoder)、解算器(Resolver)和测速发电机(Tacho-meter)。机械式传感器提供电动机所需的转子信号,但也给传动系统带来一系列问题:(1)机械式传感器增加了电动机转轴上的转动惯量,加大了电动机的空间尺寸和体积,应用机械式传感器检测转子的速度和位置需要增加电动机与控制系统之间的连接线和接口电路,使系统易受干扰,降低了可靠性。(2)受机械式传感器使用条件(如温度、湿度和振动)的限制,传动系统不能广泛适应于各种场合。(3)机械式传感器及其辅助电路增加了传动系统的成本,某些高精度传感器的价格甚至可以与电动机本身价格相比。为了克服使用机械式传感器给传动系统带来的缺陷,许多学者开展了无机械式传感器交流传动系统的研究。无机械式传感器交流传动系统是指利用电动机绕组的有关电信号,通过适当方法估计出转子的速度和位置,取代机械式传感器,实现交流传动系统的闭环控制。

目前,适用于永磁同步电动机的转子速度和位置估算方法有: (1)利用定子端电压和电流直接计算转子速度和位置;(2)观测器基础上的估算方法;(3)模型参考自适应(Model Referencing Adaptive System——MRAS)方法;(4)高频注入法;(5)人工智能理论基础上的估算方法。 根据PMSM 运行在零速和极低速时转子位置自检测方法的估算效果,可以把所有的无位置传感器控制方法分为两大类: 一、不适用于零速或极低速的方法; 二、适用于零速或极低速的方法。 那些依赖电动机基波激励模型中与转速有关的量(如产生的反电动势)进行转子位置和速度估算的方法属于第一类无位置传感器控制方法。由于电动机运行在零速和极低速时,有用信号的信噪比很低,通常难以提取。因此,从根本上说,对基波激励的依赖性最终导致了这类方法在零速和低速下对转子位置和速度的检测失效。另外,这类方法依赖电动机的基波数学模型,不可避免地受到电动机参数或多或少的影响,因此应用中必须考虑参数的慢时变性对位置和速度观测系统的不良影响,常常需要结合电动机参数的在线辨识。基于电动机的基波激励和凸极特性的方法,如通过检测电动机运行时定子电感的变化来估计转子位置的办法,也属于第一类方法的范畴。这类方法主要适用于运行在中、高速范围内的调速传动系统。 利用定子端电压和电流计算PMSM 转子的位置和旋转速度,无论是基于磁链的代数计算方法,还是由e e d q . 坐标系下的定子电压和磁链方程直接计算得到转角及转速的方法,都依赖于电动机的基波激励方程,对电动机参数的准确性要求比较高,所以当电动机转速很低时,无法准确地估算转子的位置和旋转速度。基于观测器的估算方法也需要用到PMSM 基波激励下的数学模型,会受到电动机参数变化的影响,而且存在稳定性问题。如全阶状态观测器在电动机高速和低速时必须采用不同的增益矩阵以满足系统的全局稳定条件,为了克服电动机参数变化对观测器的影响,需要另外一个状态观测器来估计电动机的参数,这样使得估计算法非常复杂;扩展卡尔曼滤波器需要许多随机误差的统计参数和矩阵求逆运算,也存在算法复杂、计算量大的问题;滑模观测器把控制回路修改成滑模变结构的形式,不连续的开关控制会给电动机带来比较大的转矩脉动,观测器本身就不利于电动机低速下的控制。模型参考自适应方法是基于稳定性设计的参数辨识方法,存在自适应律的合理选择问题,如何替代广泛使用的PI 自适应律,在提高收敛速度的同时保证系统的稳定性和对参数的鲁棒性是这种方法需要深入研究的方向。上述几种无位置传感器控制方法都属于第一类方法的范畴,在低速和零速下应用会出现比较大的问题。
第二类无位置传感器控制方法能够实现电动机全速范围(包括低速甚至零速)的转子位置和速度检测。这类方法具有三个基本特征:利用电动机的凸极效应、注入高频激励信号和需要高带宽的噪声过滤器。 由电动机端子可见的凸极效应最终表现为电磁或损耗的空间变化,这些变化与电感或电阻的空间变化有关。电感量由于与温度变化无关,成为分析电动机凸极效应优先考虑的变量。在感应电动机中,可以利用转子和定子开槽或转子和定子叠片动态偏心,使气隙磁导发生变化,从而引起了定子及转子电感量的空间变化。对于转子斜槽的感应电动机,电感量空间变化很小,通常称之为寄生电感,其凸极效应不明显,不能可靠地用于转子速度估计。内插式、内埋式永磁同步电动机的转子在相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料,凸极率较高;而面贴式永磁同步电动机的转子在电磁性能上属于隐极转子结构,凸极效应很不明显。开关磁阻电动机的定子和转子均为凸极结构,随着转子位置的改变,定子绕组电感的空间变化非常明显,适于用凸极效应分析转子的空间位置。对那些凸极效应不明显的电动机,如转子斜槽的感应电动机和面贴式永磁同步电动机,必须通过改进电动机内部结构或是利用饱和感应来得到比较显著的凸极特性。改进感应电动机内部结构的一种易于实现的方式是改变转子的漏电感,这种改进对电动机功率转换的影响可以忽略不计。在面贴式永磁同步电动机的永磁材料间增加一些铁素,可以得到与内插式永磁同步电动机相类似的凸极特性。当然对于这类电动机也可以不改进结构设计,通过使磁密饱和的办法得到比较显著的凸极特性。 综上所述,某些电动机(如内插式或内埋式永磁同步电动机、开关磁阻电动机)存在比较明显的固有凸极特性,而其它一些电动机(如转子斜槽的感应电动机、面贴式永磁同步电动机)必须通过改变内部结构或利用饱和感应得到比较明显的凸极特性。 第二类无位置传感器控制方法的另一个基本特征是需要注入高频激励信号。这样使得电动机运行在任何工况下,均可通过跟踪凸极的办法找到转子位置并估算转子速度。需要注意的是,选择的高频信号幅值必须对电动机功率转换影响最小,也不能对环境产生很大的电磁噪声污染;选择的高频信号频率也不能过高,否则增强了绕组的集肤效应,影响电动机的参数。 高频激励信号注入法从注入信号本身的性质来分,可以分为旋转高频信号注入法和脉振高频信号注入法;而从在整个电动机控制系统中前馈注入的位置来分,可以分为高频电压信号注入法和高频电流信号注入法。当采用高频电压信号前馈注入时,需要检测电动机产生的高频电流响应以提取和转子位置相关的信息;而采用高频电流信号前馈注入时,需要检测高频电压响应以提取和转子位置相关的信息。由于采用高频电流信号注入时需要考虑电流调节器的带宽设计问题,所以通常采用高频电压信号前馈注入方式。 高频电流(或电压)响应是高频电压(或电流)注入信号被电动机的凸极调制的结果。为了获得高频电流(或电压)响应中的转子位置信息,必须设计能够滤除无用信息的滤波器和转子位置跟踪观测器,这是第二类无位置传感器控制方法的第三个特征。对于旋转高频信号注入和脉振高频信号注入两种情况,可以在分析高频注入下的电动机数学模型的基础上,设计不同的跟踪观测器以获得转子位置信息。
以上分两大类介绍了各种无位置传感器控制方法,可以看出由于第一类方法在低速和零速下应用的局限性,要实现真正意义上全速范围的无位置传感器控制,必须深入研究第二类方法。 第二类方法需要深入研究的实际问题主要包括:(1)如何使电动机具有比较明显的凸极特性;(2)如何提高凸极识别的精度,提取有用信息,分离无用信息;(3)如何优化设计跟踪观测器。针对这些问题,主要的对策有:(1)优化电动机的凸极结构;(2)在凸极识别中应用自适应的方法;(3)分离饱和凸极和固有凸极;(4)信噪比和精确度的优化。

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