永磁同步電機轉子位置信息控制技術分析

2024-04-07 06:39王宏宇

防爆電機 2024年1期

王宏宇

(中國石油大慶石化公司,黑龍江大慶163000)

0 引言

永磁同步電機無需勵磁電流,沒有勵磁損耗,降低了制造成本,同時沒有集電環和電刷,提高了電機的可靠性,隨著稀土技術快速發展,電機的效率和功率密度都得到了大幅度提高。中國擁有豐富的稀土資源,所以中國在稀土永磁同步電機的制造上具有很大優勢。為了進一步擴展電機應用領域,調速系統的性能已成為研究熱點,因此,本文開展對位置、速度傳感器控制技術進行分析研究。

1 國內外研究現狀

永磁同步電機控制理論從1950年開始形成并發展,經過全球范圍內的深入探索和研究,現在已經形成了一些主要的控制方法。首先是恒壓頻比控制策略,這是一種保持電壓與頻率的比值恒定的控制方法。這種方法相對簡單易行,但因為其不包括電流環和速度環,所以導致控制精度不高,動態響應特性和抗擾能力也較差。因此,這種控制方法通常應用于對精度要求不高的場所,例如風機等。

其次,矢量控制于70年代初被提出來,最初的開發目的是擴大調速范圍,專為高性能電機所設計[1]。后來,由于與交流電機的完美配合,矢量控制在滿足系統性能要求的同時,還能降低能耗和成本,逐漸引起了業界的關注并得到了發展至今。最后,直接轉矩控制于1985年被提出。與矢量控制相比,直接轉矩控制省略了d-q軸坐標變換,僅需要控制定子磁鏈大小和轉矩角。它的優點是不需要調制技術,但缺點是頻率不固定,穩態性能一般[2]。

無位置傳感器控制策略是從1983年開始的,并逐漸發展為各種控制方法,其中有旋轉高頻電壓注入法、脈振高頻電壓注入法、磁鏈估算法、全階狀態觀測器、滑模觀測器算法、擴展卡爾曼濾波器算法等。

2 矢量控制仿真模型

永磁同步電機的分類方式取決于永磁體的安裝位置,分為表貼式和內嵌式兩種。表貼式電機見下圖,該電機轉動慣量較低,調速性能較好,因制造工藝較成熟,因此成本不高,因此在傳統制造業應用非常廣泛。而內嵌式電機永磁體則嵌入在轉子內部,該結構決定電機具有更寬的調速范圍。但制造工藝相對復雜,極數多時,磁阻轉矩大。為此,本文將研究表貼式永磁同步電機控制技術。

以4極電機為例,不計磁滯、渦流、和鐵的損耗,忽略諧波、繞組間的互相感應、齒槽的轉矩等,永磁同步電機電壓方程見式(1)。

(1)

磁鏈方程見式(2)

(2)

可得電磁轉矩方程如下

Te=-pnψf[iAsinθ+iBsin(θ-120°)+

iCsin(θ+120°)]

(3)

運動方程見式(4)

(4)

通過磁鏈和電磁轉矩進行降階和解耦方法,得出兩個直流分量,這兩個量不隨時間變化,這種方法為矢量控制。它能夠將復雜三相電機控制問題變得簡單化,易于理解,且效率高。

電機感抗為8.5mH,阻抗2.87Ω,轉動慣量0.001k g·m2,阻尼系數0.008Nms。搭建電機矢量控制仿真模型見圖2。

矢量控制的一種基礎方法是id=0,這種策略不需要考慮勵磁電流以及去磁效應。電磁轉矩僅受轉矩電流分量調控,因此轉矩脈動較小。其優勢包括寬的調速范圍、計算需求低等,它主要應用于高精度設備。不過,這種控制方法的缺點是,負載變動會造成定子電流變動,并使逆變器容量增大,所以它主要適用于小容量調速裝置。

永磁同步電機轉速階躍仿真結果見圖3、圖4,從圖中可以看出,轉速從500r/min跳到1000r/min用時0.02s,電機電流起動電流為28A,起動時間0.02s,電磁轉矩見圖5,同理,從1000r/min降到500r/min過程也是同樣結果,因此在躍階過程中,機基于id=0的控制策略,系統的動態跟蹤較好。

3 轉子位置評估

電機在惡劣工作條件下,傳感器可靠性大幅度降低,1989年美國科學家提出狀態觀測器,用于估算轉子位置,起初這是一個恒等狀態觀測器,后期各國科學家提出其他低速和中高速電機無位置傳感器控制策略。為解決傳動狀態觀測器動態響應差問題,先進行傳統狀態觀測器位置信息評估,再研究將二階擴展為高階線性系統,分析高階擴展狀態觀測器特性。

3.1 傳統狀態觀測器下位置信息估計

開環狀態觀測器見圖6,通過狀態觀測器可以測出轉子位置,由電壓方程可得出狀態方程式(5),進而求出電流誤差動態方程式(6)。其中K1和K2越大,就會給電機造成噪聲,帶來不利影響。

(5)

(6)

轉子位置信息獲得是在此基礎上加一個低通濾波器,這樣對上式求反正切函數,從而得出轉角和轉速信息,見式(7)、式(8)。

(7)

(8)

在對精度要求非常高場所,需要對角度進行補償,但是轉速和角度會有嚴重滯后,若不補償,隨著轉速變大,兩者滯后也同樣擴大,導致整體性能下降。

3.2 改進后位置評估

高階狀態觀測器是將二階方程進行擴展,見式(10)

(9)

高階觀測器結構圖見圖7。

與傳統傳統狀態觀測器計算方式相同,可得出轉子位置見下式。

(10)

對角度角度進行補償,得到轉子位置如下

(11)

改進后搭建永磁同步電機矢量控制結構圖見圖8,仿真不同情況下電機性能。

3.3 結果分析

測試電機在相同額定負載情況下,300r/min和1500r/min穩定運行時,電機反電動勢和轉子位置曲線,結果見圖9和圖10,從圖9可以看出,低速時,改進后高階觀測器的方法測到的反電動勢有波動,圖10顯示高速時,反電動勢無波動情況,位置誤差估算幾乎為零,這是因為低速反電勢值較低,而電流測量誤差和傳感器中逆變器非線性對電勢值影響較大,導致曲線抖動,因此,對比之下,改進后高階觀測器的方法對于高速范圍測量更準確。