基于XE164的無傳感器PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計

謝玉春,蘇健勇,楊貴杰,李鐵才

(哈爾濱工業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱150001)

0 引 言

永磁同步電動機(jī)(以下簡稱PMSM),以其優(yōu)異的性能在工業(yè)自動化、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、航空航天等場所得到廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)都需要一套復(fù)雜的位置傳感器來測量轉(zhuǎn)子的位置和角度,其優(yōu)點是可以準(zhǔn)確方便地獲得轉(zhuǎn)子位置信號,然而卻限制了在一些如高溫密封、粉塵環(huán)境等特殊場合的應(yīng)用,傳感器的存在增加了電機(jī)自身的尺寸和系統(tǒng)成本,降低了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。因此,研究無磁極位置傳感器PMSM的轉(zhuǎn)子位置檢測技術(shù)具有重要理論意義和實際應(yīng)用價值。

在無磁極位置傳感器的條件下,PMSM磁極位置檢測技術(shù)是利用繞組中的相關(guān)變量,如定子電壓、定子電流等來估算轉(zhuǎn)子的位置和速度,取代機(jī)械傳感器,實現(xiàn)電機(jī)控制。目前已有多種無磁極位置傳感器PMSM的轉(zhuǎn)子位置檢測方法,如反電動勢法、三次諧波法、磁鏈估計法、滑模觀測器法、諧波注入法等[1],其中磁鏈估計法是一種利用測量出的定子電壓和電流來估算磁鏈的方法,再根據(jù)磁鏈與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系估計出轉(zhuǎn)子的位置。這種估計法準(zhǔn)確度較高,受電機(jī)參數(shù)與測量誤差的影響較小,調(diào)速范圍廣,適用于正弦波和方波電動機(jī),是一種較理想的檢測方法[2]。

本文采用改進(jìn)的磁鏈估算方法間接檢測轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速,設(shè)計以德國Infineon公司16位單片機(jī)XE164為主控芯片的PMSM無磁極位置傳感器驅(qū)動控制系統(tǒng)。通過仿真和實驗結(jié)果驗證系統(tǒng)設(shè)計的可行性和正確性。

1 PMSM數(shù)學(xué)模型

PMSM為多變量、強(qiáng)耦合的系統(tǒng),電磁關(guān)系比較復(fù)雜,為簡化分析,做如下假設(shè):

(1)忽略電動機(jī)鐵心的飽和,磁路為線性;

(2)不計電機(jī)中的渦流和磁滯損耗;

(3)電機(jī)的電流為對稱的三相正弦波電流;

(4)永磁體在氣隙中產(chǎn)生的磁場呈正弦分布,在定子相繞組中感應(yīng)出的反動勢為正弦波。

(5)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組,永磁體也沒有阻尼作用。

經(jīng)過上述假設(shè),列寫在兩相靜止α-β坐標(biāo)系下的PMSM數(shù)學(xué)模型:

PMSM無磁極位置傳感器矢量控制的核心問題是估算轉(zhuǎn)子磁鏈的位置。分別求出轉(zhuǎn)子磁場在定子α、β軸所產(chǎn)生的磁鏈分量ψfα、ψfβ,通過反正切函數(shù)來求出轉(zhuǎn)子電角度θ^r。

式中:L為定子電感;R為定子電阻;eα、eβ為α、β軸感應(yīng)電動勢;iα、iβ為α、β軸定子電流;uα、uβ為α、β軸定子電壓;θ^r為轉(zhuǎn)子電角度;ψfα、ψfβ為轉(zhuǎn)子磁場在定子α、β軸所產(chǎn)生的磁鏈分量。

2 無位置傳感器PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 無位置傳感器PMSM系統(tǒng)控制策略

系統(tǒng)采用Id=0的磁場定向控制算法,無位置傳感器PMSM驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 無位置傳感器PMSM驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)中共含有三個閉環(huán),外環(huán)為速度環(huán),內(nèi)環(huán)為兩個電流環(huán),三個閉環(huán)全部采用經(jīng)典的PI調(diào)節(jié)器。只需要檢測定子兩相電流,然后通過Clarke變換,就可以算出iα、iβ、uα、uβ為已知量,由控制器給出,結(jié)合iα、iβ、uα、uβ進(jìn)行磁鏈估算,磁鏈估算結(jié)果經(jīng)數(shù)字鎖相環(huán)輸出轉(zhuǎn)子角度信號和速度反饋信號。

無磁極位置傳感器PMSM系統(tǒng)在低速或零速運(yùn)行時,由于電機(jī)的反電勢很小或為零,無法正確計算出定子磁鏈,且電機(jī)無編碼器等位置傳感器,難以直接起動[3]。采用斜坡信號開環(huán)起動的方法予以解決。電機(jī)以一定轉(zhuǎn)速開環(huán)運(yùn)行,能夠正常計算位置信號之后,再切換到無磁極位置傳感器矢量控制模式。

2.2 磁鏈估算

基于式(2),改進(jìn)的磁鏈估算原理圖如圖2所示。其中積分環(huán)節(jié)用一階低通濾波代替,磁鏈輸出加高通濾波器,該方法不僅能有效地抑制直流偏置,還能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而且算法簡單,便于數(shù)字實現(xiàn)[4-5]。經(jīng)離散化處理,磁鏈檢測的差分方程如下:

式中:U(K)為第K個采樣周期中的電壓空間矢量計算值,I(K)為第K個采樣周期中的電流信號輸入,ψf(K)為第K個采樣周期中磁鏈信號的輸出,R、Ls、Ts、Tf、τ為已知,經(jīng)由上式即可計算出α、β軸所產(chǎn)生的磁鏈分量ψfα、ψfβ。

圖2 磁鏈估算原理圖

2.3 位置和速度估計

鎖相環(huán)法使用低通濾波器對高頻信號有較好的抑制作用[6],且比直接反正切計算法抗擾動能力強(qiáng),所用時間少,系統(tǒng)選擇鎖相環(huán)的方法實現(xiàn)位置和速度的估計。

鎖相環(huán)(PLL)原理圖如圖3所示。

圖3 鎖相環(huán)(PLL)原理圖

圖4 PLL結(jié)構(gòu)框圖

式中,ζ、ωn可根據(jù)二階系統(tǒng)的響應(yīng)特性進(jìn)行設(shè)計以得到期望特性,進(jìn)而可以確定Kp、Ki參數(shù)。PI調(diào)節(jié)器輸出為估算速度ω^e,積分得轉(zhuǎn)子電角度θ^r。加大比例系數(shù)可以減小靜差,但會導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)質(zhì)量變壞,甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié)可以消除靜態(tài)誤差,積分時間常數(shù)越小則積分作用越強(qiáng),消除靜差的過程越快。

在實際應(yīng)用中,當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時,鎖相環(huán)的輸入為斜坡函數(shù)。根據(jù)反饋控制原理,對于斜坡輸入,上述鎖相環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差:

由式(9)可知,采用鎖相環(huán)可以準(zhǔn)確地從反電勢中提取出轉(zhuǎn)子位置信息,從而實現(xiàn)了有效位置和速度估算。

2.4 估算角度分段補(bǔ)償

磁鏈的估算經(jīng)過兩個濾波器,雖然消除了直流偏置和初值誤差,然而磁鏈的相位卻發(fā)生了滯后。滯后角度隨運(yùn)行頻率的增加而增加,估算角度對實際角度產(chǎn)生相應(yīng)滯后,需要采取合適的措施進(jìn)行角度補(bǔ)償。

由于滯后角度隨運(yùn)行頻率的增加而增加,可將補(bǔ)償角度與速度建立對應(yīng)關(guān)系,根據(jù)實際情況確定分幾段進(jìn)行補(bǔ)償。分段補(bǔ)償框圖如圖5所示。

圖5 角度分段補(bǔ)償框圖

3 仿真和實驗結(jié)果分析

系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖6所示。整個控制系統(tǒng)采用德國Infineon公司16位單片機(jī)XE164作為核心控制器件,主要完成電機(jī)控制、磁鏈估算和信號采樣及處理等任務(wù)。XE164是高性能數(shù)字處理芯片,內(nèi)部集成DSP算法模塊,處理速度快,具有豐富的硬件資源[7]。

圖6 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

XE164的CCU6模塊產(chǎn)生PWM信號,經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動目標(biāo)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電壓、電流等信號經(jīng)處理電路后直接送入10位A/D轉(zhuǎn)換模塊,檢測精度較高。同步通信模塊SSC實現(xiàn)旋變信號處理和數(shù)模DA轉(zhuǎn)換輸出。異步通信模塊ASC實現(xiàn)與上位機(jī)的串口通信。

功率電路部分,交流220 V經(jīng)過不可控整流橋整流。母線電壓經(jīng)三相H半橋逆變器控制PMSM,同時作為輔助電源電路的輸入,旋變作為實際位置檢測裝置,永磁直流電動機(jī)作為PMSM負(fù)載。

實驗所采用隱極式永磁同步電動機(jī),為了便于控制,將d、q軸電感和的平均值作為定子相電感參數(shù)帶入。實驗電機(jī)具體參數(shù)如表1所示。數(shù)字仿真利用Matlab/Simulink實現(xiàn),采用離散化的方法實現(xiàn)數(shù)字磁鏈估算模塊。

表1 實驗電機(jī)參數(shù)

圖7a是速度給定為ωr且速度估計值與實際值相等時α、β軸磁鏈觀測值的仿真結(jié)果;圖7b為角度估算值與實際角度關(guān)系。由仿真可知,運(yùn)用該磁鏈估算法,可以準(zhǔn)確地觀測到磁鏈分量,進(jìn)而得到準(zhǔn)確的磁極位置信息。

圖7 當(dāng)=ωr時磁鏈觀測結(jié)果和角度對比

圖8是給定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時穩(wěn)定運(yùn)行后轉(zhuǎn)子機(jī)械速度的估計值與實際值誤差。速度誤差在零附近小幅波動,速度估算準(zhǔn)確。

圖8 轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,速度估計值與實際值誤差

圖9是輸出電流有效值為0.9 A時的電流波形及其諧波含量分析,電流諧波含量3.8%,電流畸變率較小,轉(zhuǎn)矩波動小。圖10為實際系統(tǒng)運(yùn)行速度為1 000 r/min時的α、β軸磁鏈觀測結(jié)果,與仿真結(jié)果一致,該磁鏈估算方法可以準(zhǔn)確地觀測磁鏈。圖11為旋變檢測角度和位置估算輸出角度關(guān)系,角度誤差小,位置估算準(zhǔn)確。

圖9 電流波形及其諧波含量分析

圖10 =1 000 r/min時磁鏈觀測結(jié)果

圖11 電角度實際值和估計值

4 結(jié) 語

本文采用改進(jìn)的磁鏈估算方法,利用電機(jī)定子電流采樣值和矢量控制產(chǎn)生的電壓,對磁鏈進(jìn)行估算,進(jìn)而實現(xiàn)位置和速度辨識。通過對積分環(huán)節(jié)的直流偏置消除以及數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)、估算角度分段補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵問題的研究,提高系統(tǒng)位置辨識精度。仿真和實驗結(jié)果表明,該磁鏈估算方法可以準(zhǔn)確地觀測磁鏈,位置和速度算法穩(wěn)態(tài)精度高,跟蹤速度較快,系統(tǒng)所采用的基于磁鏈估算的無磁極位置傳感器技術(shù)和矢量控制策略是切實可行的。

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