永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器改進(jìn)DTC研究

摘要：在永磁同步電機(jī)(PMSM)直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)中，速度傳感器的安裝帶來(lái)了成本高、維護(hù)困難等問(wèn)題，而磁鏈的準(zhǔn)確觀測(cè)對(duì)DTC系統(tǒng)性能具有重要意義。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)速度傳感器控制和準(zhǔn)確的磁鏈觀測(cè)，在基于空間矢量調(diào)制(SVM)的改進(jìn)DTC策略基礎(chǔ)上，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)在線觀測(cè)出PMSM的定子磁鏈和轉(zhuǎn)速，不僅實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的無(wú)速度傳感器控制，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)定子磁鏈的準(zhǔn)確觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的可行性和有效性，系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜動(dòng)態(tài)性能。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；無(wú)速度傳感器；磁鏈觀測(cè)

1 引言
    PMSM具有功率密度大、低速輸出轉(zhuǎn)矩大、效率高等優(yōu)良性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)、艦船推進(jìn)系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)牽引系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、航空航天等領(lǐng)域。DTC具有控制方式簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、便于全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，在交流傳動(dòng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用；但DTC具有轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)大、逆變器開(kāi)關(guān)頻率不固定等缺點(diǎn)，將SVM應(yīng)用在PMSM DTC中，可有效減小轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)，并使逆變器具有恒定的開(kāi)關(guān)頻率，從而得到更好的穩(wěn)態(tài)控制性能。在DTC中，磁鏈和轉(zhuǎn)速的估測(cè)精度直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能。若在轉(zhuǎn)子軸上安裝機(jī)械式傳感器得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，不僅增加了系統(tǒng)成本，還限制了控制裝置在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。運(yùn)用無(wú)速度傳感器控制技術(shù)，可在線估計(jì)電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)速，從而省去了機(jī)械傳感器。故如何準(zhǔn)確獲得磁鏈和轉(zhuǎn)速成為研究熱點(diǎn)。EKF提供了一種對(duì)非線性系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行精確估計(jì)的解決方案，可有效削弱隨機(jī)系統(tǒng)噪聲和測(cè)量噪聲的影響，特別適合于電機(jī)等非線性控制系統(tǒng)。
    這里在基于SVM的改進(jìn)DTC策略基礎(chǔ)上，采用4階EKF觀測(cè)出PMSM的定子磁鏈和轉(zhuǎn)速，詳細(xì)說(shuō)明了EKF的設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)果證明了所采用控制方法的可行性和有效性。

2 PMSM無(wú)速度傳感器DTC系統(tǒng)
    圖1為PMSM無(wú)速度傳感器改進(jìn)DTC系統(tǒng)框圖。圖中，x，y／α，β模塊實(shí)現(xiàn)電壓分量從定子磁鏈x，y坐標(biāo)系到兩相靜止α，β坐標(biāo)系的變換：
   
    式中：uα，uβ為定子電壓在α，β軸分量：θs為定子磁鏈角。

    定子磁鏈幅值ψs，θs及電磁轉(zhuǎn)矩Te分別為：
   

3 EKF觀測(cè)器設(shè)計(jì)
    對(duì)于隱級(jí)式PMSM，其在兩相靜止α，β坐標(biāo)系下的電壓方程和磁鏈方程分別為：
   
    因?yàn)橄到y(tǒng)機(jī)械時(shí)間常數(shù)通常遠(yuǎn)大于電磁時(shí)間常數(shù)，所以設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的導(dǎo)數(shù)為零，可建立狀態(tài)方程和輸出方程：
   
    取采樣周期為T(mén)s，將式(6)用一階歐拉法近似離散化，并加入系統(tǒng)動(dòng)態(tài)噪聲w(k-1)和測(cè)量噪聲v(k)的影響，得到非線性離散化系統(tǒng)為：
   
   

4 實(shí)驗(yàn)
    設(shè)計(jì)了基于DSP TMS320F28335的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括主電路、信號(hào)調(diào)理保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路和控制電路。主電路包括二極管不可控整流電路、三相全橋兩電平逆變電路和功率模塊驅(qū)動(dòng)電路等；信號(hào)調(diào)理保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路主要包括三相電流采樣電路、母線電壓檢測(cè)電路、過(guò)流與過(guò)壓保護(hù)電路和電機(jī)碼盤(pán)信號(hào)調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)電路等；控制電路采用DSP TMS320F28335為核心，主要完成主控芯片最小系統(tǒng)、6路PWM信號(hào)整形、A／D轉(zhuǎn)換、模擬量檢測(cè)與控制執(zhí)行保護(hù)及外擴(kuò)D／A轉(zhuǎn)換電路和鍵盤(pán)LED顯示等工作。

    系統(tǒng)控制對(duì)象為Minas A系列MDMA152A1G交流PMSM，電機(jī)參數(shù)：額定電壓200 V，額定電流9．4 A，額定轉(zhuǎn)矩7．15 N·m，額定轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1，np=4，定子電阻0．2 Ω，轉(zhuǎn)子慣量1．23×10-3kg·m2，磁鏈給定0．24 Wb。EKF算法的參數(shù)和初值如下：P(0)=diag(0．001，0．001，1 000，0．001)；Q(k-1)=diag(0．001，0．001，1 000，0．02)；R(k)=diag(25，25)；x(0)=zeros(4，1)。圖3為電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速分別為1 500 r·min-1，800 r·min-1和80 r·min-1時(shí)，空載起動(dòng)的實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速ns與EKF觀測(cè)的轉(zhuǎn)速ng波形。其中ns是通過(guò)光電碼盤(pán)由DSP在線測(cè)得?？梢?jiàn)，在不同的給定轉(zhuǎn)速下，電機(jī)在起動(dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，EKF觀測(cè)器都能較好地估計(jì)出實(shí)際轉(zhuǎn)速，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速有一定波動(dòng)，這是因?yàn)樵诘退贂r(shí)實(shí)際需檢測(cè)的反饋信號(hào)值很小，電流諧波和A／D轉(zhuǎn)換誤差等干擾因素就顯得較為突出，使得轉(zhuǎn)速有一定波動(dòng)，因此采用此方法電機(jī)在低速的運(yùn)行性能不如中高速的運(yùn)行性能。

    圖4a為電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速為800 r·min-1時(shí)，空載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)EKF觀測(cè)器所觀測(cè)的ψα，ψβ波形；圖4b為ng，定子磁鏈幅值ψs波形；由圖4a，b可見(jiàn)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，ng，ψs與其給定值相等，且脈動(dòng)很小，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。圖4c為電機(jī)在給定轉(zhuǎn)速為800 r·min-1空載穩(wěn)定運(yùn)行情況下，將給定轉(zhuǎn)速突增為1 500 r·min-1時(shí)的ng，ns波形，可見(jiàn)，當(dāng)給定轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，ng可較快地跟蹤ns變化；圖4d為給定轉(zhuǎn)速為800 r·min-1穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突減負(fù)載時(shí)所得到的ng，Te波形，可見(jiàn)，突減負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速幾乎沒(méi)有波動(dòng)，同時(shí)也驗(yàn)證了所建立的控制系統(tǒng)具有良好的魯棒性。

5 結(jié)論
    針對(duì)永磁同步電機(jī)改進(jìn)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確估計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制策略的可行性與正確性，并可得到以下結(jié)論：①采用該方法，電機(jī)能在較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)起動(dòng)和穩(wěn)定工作；②在轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化過(guò)程中，擴(kuò)展卡爾曼濾波器觀測(cè)出的轉(zhuǎn)速和磁鏈都能準(zhǔn)確跟蹤給定值，控制系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能較好，魯棒性較強(qiáng)。