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低频信号注入的永磁同步电机无位置传感器的控制算法

电机技术 | 发布时间:2017-11-11 | 人气: | #评论# |本文关键字:永磁电机,算法
摘要:原文::《Position Sensorless control of PMSM with a low-frequency signal injection》——Tomohiro Nimura, Shinji Doki名古屋大学-电气工程与计算机科学系;MasamiFujitsuna日本电装株式会社 1.概述 永磁同步电机

原文::《Position Sensorless control of PMSM with a low-frequency signal injection》——Tomohiro Nimura,  Shinji Doki名古屋大学-电气工程与计算机科学系;Masami Fujitsuna日本电装株式会社


1.概述

永磁同步电机(PMSM)有优良的性能,被广泛用于驱动电机,如火车及电动汽车。矢量控制方法是其主要的控制算法。矢量控制方法需要获得转子磁极位置。使用位置传感器是最常用的基本做法。但是,为了降低成本、节省空间和获得高可靠性,大家期望采用无位置传感器的控制方法。这种控制方法已经在家电、工业设备等应用领域广泛实际使用,人们进一步研究拓展其使用范围。

通常,在低速及零速状态时无位置传感器的控制方法是对电压指令注入一个高频信号。典型的注入信号电压波形是与载波同步的矩形波[1]~[3],或是接近电流控制带宽的正弦波[4]~[6].因此,注入信号的频率范围从电流控制带宽到载波频率,它对应的是几百Hz到几千Hz。

本文研究几百Hz正弦电压信号注入。这种方法,由于注入信号的频率和电流控制带宽的因素,为了将信号分离,必须关注频率鉴别滤波器的设计,如带通滤波器(BPF) 和带阻滤波器(BSF)。原因是:当电机驱动的信号的频率()与注入信号的频率接近时, 滤波器会对信号分解的造成不利影响[5]~[10]。 因此,通常选择注入信号的频率比电流控制带宽高。

然而,注入信号的频率正好是人类听力的敏感范围,人耳能接受到一个较高的噪声在汽车领域应用中,这类噪声让人不舒服。低频信号注入的优点是降低了这类噪声但是,鉴频滤波器在两个信号带宽重叠时,是不能正确分离两个分量。因此,选择低频注入信号会导致系统不稳定,降低电流控制性能和位置估算的准确性。

本篇论文,提出一种新的电流控制器系统能实现低频(300Hz)信号注入时的有效控制。低频(300Hz)注入信号能降低系统噪声,注入信号的频率(300Hz)和电流控制带宽接近或重叠。


2.信号注入的电流控制系统

图1是典型的高频电压注入的无位置传感器控制的电流环框图。脚标f表示驱动的基频分量,脚标h表示用于位置估算的注入频率。注入的电压指令信号一般是频率为几kHz的正弦波。对应注入的高频电压信号Vh,电流响应的分量是640.webp (1).jpg640.webp (1).jpg是一个包含位置信息的信号。这个分量由带通滤波器(BPF)解析出,然后作为位置估算器的输入。对电流控制来说,此分量是一个扰动,用带阻滤波器(BSF),如陷波滤波器解析出,从电流反馈中减去。

640.webp.jpg

多种类型的信号可以做为注入信号Vh。本文采用方程(1)表达的正弦信号作为注入信号640.webp (2).jpg。信号幅值恒定,为640.webp (3).jpg;频率恒定为640.webp (4).jpg。如图2所示,此信号被注入到旋转坐标系640.webp (5).jpg640.webp (5).jpg坐标系与640.webp (6).jpg坐标系有一个相位差640.webp (7).jpg

1510400791105544.jpg

在此条件下,与注入电压同频率的电流信号由方程(2)给出。

640.webp (9).jpg

640.webp (10).jpg

640.webp (11).jpg是个旋转矢量,640.webp (12).jpg是正序单位矢量,640.webp (13).jpg是超前640.webp (14).jpg 90°的矢量。640.webp (15).jpg是负序单位矢量,640.webp (16).jpg是超前640.webp (17).jpg 90°的矢量。 如图3是它们的关系图:

1510401125110002.jpg

1510401147807663.jpg

电感L0,L1与Ld,Lq的关系由方程(8)给出。

640.webp (20).jpg

图4是位置估算器的框图。位置估算算法由处理信号的外差法和基于PLL的误差收敛系统组成。

1510401185457729.jpg

方程(9)是外差法的表达式。640.webp (22).jpg640.webp (23).jpg640.webp (24).jpg的内积。640.webp (25).jpg640.webp (26).jpg是正相关的。PLL(锁相环)模块的工作利用了这个特性。由于估算的640.webp.jpg输出取决于640.webp (26).jpg640.webp (25).jpg收敛于0. 顺便提一下,PLL模块的设计应尽可能削弱640.webp (26).jpg中注入频率的2次分量640.webp (1).jpg

1510401397176129.jpg


3.低频信号注入的的问题

本节讨论低频信号注入的问题。有两个关注点,一是为信号分离采用的频率鉴别滤波器会影响电流控制特性。二是用于位置估算的PLL设计受限。

a、信号分离用的滤波器

较低的注入频率,等效于较低的滤波器的中心频率,如带阻滤波器(BSF)。意味着滤波器的带宽接近于电流控制的带宽。稳态时,在旋转坐标系汇总,驱动电流分量640.webp (3).jpg可以认为是直流分量。因此,鉴频滤波器可以解析出或者减掉注入频率的分量。

瞬态过程中,驱动电流包含的分量接近于注入信号的频率。在这种状况下,鉴频滤波器不能区分出这两个分量。结果就是为低频注入信号设计使用的滤波器降低了电流控制性能和稳定性。

b、残差对PLL带宽的影响

640.webp (26).jpg中的二次分量640.webp (1).jpg对位置估算器是一个扰动。这个扰动分量应该被从PLL的频率特性消除。但是,低频信号注入时,更多扰动分量接近于PLL带宽。

结果就是640.webp.jpg中包含了较多的扰动分量,位置估算器的精度降低。因此,低频信号注入方法导致PLL的设计在既能满足性能又要保证位置估算的稳定性两方面都获得满意,比较困难。


责任编辑:电气自动化网

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