• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      PMSM轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法的研究與應(yīng)用

      2013-08-15 03:36:00劉波徐政陳銳堅(jiān)李光明林愛軍
      電氣傳動 2013年10期
      關(guān)鍵詞:磁極定子矢量

      劉波,徐政,陳銳堅(jiān),李光明,林愛軍

      (1.清華大學(xué)深圳研究生院電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室深圳研究室,廣東 深圳 518055;2.青島斑科變頻技術(shù)有限公司,山東 青島 266555)

      1 引言

      永磁同步電機(jī)(PMSM)運(yùn)行效率高,在家電等產(chǎn)品中正在逐漸替代感應(yīng)電動機(jī)(IM),獲得明顯的節(jié)能效果。同時,稀土材料的應(yīng)用顯著提高了PMSM的氣隙磁通和功率密度,而高轉(zhuǎn)矩/慣量比保證了PMSM具有快速動態(tài)響應(yīng)能力,從而被廣泛應(yīng)用于高性能伺服控制場合,如機(jī)床的進(jìn)給、主軸驅(qū)動、衛(wèi)星的伺服系統(tǒng)等[1]。

      PMSM的高性能調(diào)速控制方法主要有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。對于無速度傳感器控制系統(tǒng),調(diào)速控制器能否準(zhǔn)確檢測與估算轉(zhuǎn)子磁極初始位置將直接影響系統(tǒng)的啟動特性,對于啟動時轉(zhuǎn)矩要求高、不允許反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)顯得尤為重要。

      轉(zhuǎn)子磁極初始位置的檢測與估算必須確保在整個過程中不引起轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化,同時還要滿足精度和速度的要求[2]。目前有高頻信號注入法、卡爾曼濾波器觀察法、相電流檢測法等,但是這些方法在實(shí)際應(yīng)用中都存在一些缺點(diǎn),如依賴于電機(jī)參數(shù)、需要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,或者需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算等[3-6]。另一類方法是利用電機(jī)的磁飽和及非線性特性。這類方法一般是注入特定高頻電壓信號,通過電流響應(yīng)提取位置信號,但需要采用三相三角載波調(diào)制模式[7],對控制器要求較高,且由于電流反饋信號受硬件精度及外界干擾的影響,有效信號的提取較為困難,難以直接應(yīng)用于現(xiàn)有的變頻調(diào)速控制器產(chǎn)品;文獻(xiàn)[6]通過施加不同方向的電壓矢量、比較響應(yīng)電流的大小來估算位置,但是由于采用高幅值單脈沖電壓,控制和響應(yīng)過程短,對電流只作一次采樣,不僅對采樣時間的精準(zhǔn)度和一致性要求高,抗干擾能力也差。另外,為了獲得有效的位置信息,有較為嚴(yán)重的短時過流現(xiàn)象,雖然對永磁體的特性不會產(chǎn)生明顯的影響,但是對控制器的耐過流能力提出了過高的要求。為此,本文提出了轉(zhuǎn)子初始位置檢測與估算的改進(jìn)方法,首先采用低幅值多脈沖電壓,延長控制和響應(yīng)過程,結(jié)合多次電流采樣,提高系統(tǒng)的抗干擾能力,并以電流變化速率平方和為目標(biāo)觀測量,提高檢測方法的靈敏度與精度。本文提出的磁極初始位置檢測方法只需要在變頻調(diào)速控制器中加入相應(yīng)的軟件功能模塊,不需另外增加其它硬件電路。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性,并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。

      2 初始磁極位置檢測

      2.1 基本原理

      同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系下的PMSM電壓方程和磁通方程分別為

      式中:ud,uq,id,iq,Ψd,Ψq分別為d,q軸的定子電壓、電流和磁通;R為定子電阻;ω為電角速度;p為微分算子;Ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈。

      當(dāng)施加恒定電壓矢量并保持轉(zhuǎn)子靜止不動時,由式(1)和式(2)可得:

      則定子電流的表達(dá)式為

      根據(jù)永磁體內(nèi)嵌式安裝PMSM的凸極效應(yīng),對應(yīng)于轉(zhuǎn)子的不同位置,施加幅值U相等而方向不同的電壓矢量,定子電流i穩(wěn)態(tài)值的大小相同,但是動態(tài)響應(yīng)速度與電壓矢量的方向有關(guān),可近似表達(dá)為

      式中:L為等效電感值(Ld< L< Lq)。

      圖1為對一臺PMSM樣機(jī)(1.1 kW,2對極)施加U=9 V(等效占空比約3%)的電壓矢量時,定子電流隨時間變化的實(shí)測曲線。當(dāng)電壓矢量方向與d軸(即轉(zhuǎn)子磁極所在方向)保持一致時,定子電流響應(yīng)速度最快;當(dāng)電壓矢量方向與q軸保持一致時,定子電流響應(yīng)速度最慢;對應(yīng)于其它方向電壓矢量的電流響應(yīng)曲線介于兩者之間。而且基于鐵芯的磁飽和特性,當(dāng)d軸電流為正時,電機(jī)處于增磁狀態(tài)而易產(chǎn)生飽和,定子電流的響應(yīng)速度略高于d軸電流為負(fù)時,從而可以判別磁極位置的正反極性[2,7]。

      圖1 定子電流響應(yīng)Fig.1 Response ofstator current

      利用上述定子電流響應(yīng)特性進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測時,需要解決以下2個問題。

      1)確保所施加電壓的大小及其作用時間不引起轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化。在圖1的實(shí)驗(yàn)過程中,如果電機(jī)轉(zhuǎn)軸上沒有任何負(fù)載,當(dāng)施加等效占空比為6%的電壓矢量、加壓時間超過約2.5 ms時,將引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,可見允許的加壓時間極短,且電壓幅值越高,允許的加壓時間越短。

      2)由于在允許的加壓時間范圍內(nèi),不同方向電壓矢量對應(yīng)的電流響應(yīng)曲線的差異并不顯著,必須結(jié)合變頻調(diào)速控制器的控制特性,對電流進(jìn)行合理的采樣,構(gòu)建適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)觀測量Q,提高轉(zhuǎn)子位置估算的準(zhǔn)確性。

      利用變頻調(diào)速控制器合成m個等間隔分布的電壓矢量,能夠進(jìn)行分辨率為360°/m(電氣角)的轉(zhuǎn)子位置估算。若僅在一個開關(guān)周期TS(數(shù)十至數(shù)百μs)中施加高幅值電壓矢量,電壓控制精度高,但由于電流變化速度快、脈動大,單次電流采樣的準(zhǔn)確性難以得到保證,從而影響轉(zhuǎn)子位置檢測結(jié)果。本文采用低幅值電壓矢量,持續(xù)多個開關(guān)周期,使定子電流平滑地緩慢增長,并進(jìn)行多次電流采樣,能夠保證轉(zhuǎn)子位置檢測的有效實(shí)施。但由于電壓幅值低,其控制精度受死區(qū)時間的影響大,需要作適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。

      以下分2步實(shí)施轉(zhuǎn)子位置檢測:

      Step 1:施加m個短時間電壓矢量,利用凸極效應(yīng)判斷出轉(zhuǎn)子磁極的軸向位置,但由于響應(yīng)電流較小,鐵心的磁飽和現(xiàn)象不明顯,難以判斷磁極極性;

      Step 2:在磁極軸向的正反方向上適當(dāng)延長電壓矢量的作用時間,既能保證轉(zhuǎn)子靜止不動,又能加大電流,使鐵心產(chǎn)生易于捕捉的磁飽和現(xiàn)象,從而判斷轉(zhuǎn)子磁極的極性。

      2.2 位置檢測實(shí)施方案

      本文采用m=12個電壓矢量,進(jìn)行分辨率為30°(電氣角)的轉(zhuǎn)子位置檢測,基本能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。將α-β兩相靜止坐標(biāo)系(α軸的方向與A相繞組一致)分為12個扇區(qū),每個扇區(qū)30°,依次合成圖2所示的12個等幅值空間電壓矢量,等效占空比為9%,其中標(biāo)號為奇數(shù)的電壓矢量由對應(yīng)的單個基本非零矢量與零矢量合成,而標(biāo)號為偶數(shù)的電壓矢量由對應(yīng)的兩個相鄰基本非零矢量與零矢量合成。

      圖2 空間電壓矢量Fig.2 Space voltage vectors

      考慮到實(shí)際應(yīng)用中電機(jī)轉(zhuǎn)軸上聯(lián)軸器及負(fù)載等的作用,允許的加壓時間更長,故本方案選定每個空間電壓矢量作用16個開關(guān)周期,對應(yīng)的加壓時間約為2 ms,能夠保證不引起轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化。在每一個開關(guān)周期末對定子電流進(jìn)行采樣,通過靜止坐標(biāo)變換,將三相電流iA,iB及iC轉(zhuǎn)換為 iα和 iβ,

      再由下式計(jì)算電流值

      式中:θ為電壓矢量與α坐標(biāo)軸的夾角。

      將第j號電壓矢量作用下第k個開關(guān)周期時的電流值記為ij(k)(j=1,2,…,12),計(jì)算和比較對應(yīng)的目標(biāo)觀測量Qj,則轉(zhuǎn)子的磁極軸向位置處于Qj取得最大值所對應(yīng)的扇形區(qū)域內(nèi)。然后,選定與磁極軸向位置對應(yīng)的2個相反的電壓矢量,適當(dāng)延長作用時間,利用定子鐵心的磁飽和特性,Qj取得較大值的即為磁極正向。

      電流采樣值中可能含有不確定性誤差和確定性誤差,不確定性誤差主要由采樣時間微小偏差及外界干擾造成;確定性誤差主要起因于在一個開關(guān)周期中,所需電壓矢量由數(shù)個基本電壓矢量合成,由此產(chǎn)生的電流紋波導(dǎo)致每個開關(guān)周期的電流平均值與瞬時采樣值之間存在相對穩(wěn)定的偏差,但對于不同的合成電壓矢量,此偏差會有微小的差別,從而對轉(zhuǎn)子位置檢測帶來不良影響。

      目標(biāo)觀測量有不同的構(gòu)建方法,本文討論和對比以下3種。電流采樣法選取

      即以最終電流采樣值的大小來判斷轉(zhuǎn)子位置,易受確定性和不確定性誤差的雙重影響。

      電流積分法選取電流采樣值之和作為目標(biāo)觀測量,即

      對不確定性誤差具有一定的濾波效果,但仍受確定性誤差的影響。

      為此,本文提出電流微分法,即引入新的目標(biāo)觀測量對電流變化速率的平方和進(jìn)行比較。相鄰周期的電流采樣值相減消除了確定性誤差的影響,而對差值的平方求總和又減小了不確定性誤差的影響。而且經(jīng)推導(dǎo)可知,式(8)和式(9)與L成反比,而式(10)與L2成反比,提高了目標(biāo)觀測量對等值電感的靈敏度,有利于轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確判斷。

      2.3 死區(qū)補(bǔ)償

      為了確保電壓矢量控制精度,需要對死區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確的補(bǔ)償。死區(qū)時間對輸出電壓的影響由電流的方向決定,合成標(biāo)號為奇數(shù)的電壓矢量時,只使用一個非零基本矢量,三相逆變橋中只有一相作高頻調(diào)制,另外兩相開關(guān)狀態(tài)鎖定,各相電流方向保持不變,死區(qū)時間使實(shí)際合成電壓矢量的幅值小于目標(biāo)值,因此只需根據(jù)高頻調(diào)制相所對應(yīng)的電流方向,按下式補(bǔ)償[8-9]:

      式中:sw為高頻調(diào)制所對應(yīng)的相;Vdc為直流母線電壓值;Tc為根據(jù)開關(guān)器件的特性及控制軟件設(shè)定的死區(qū)時間而定義的補(bǔ)償時間。

      施加標(biāo)號為偶數(shù)的電壓矢量時,2個相鄰非零基本矢量對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)只有一相相反,且作用時間相等,則對應(yīng)相的電流基本為零,死區(qū)時間影響小,對此相可不作補(bǔ)償;其余兩相電流相反,死區(qū)時間對實(shí)際合成電壓矢量的幅值及方向均有影響,因此對這兩相按式(9)進(jìn)行補(bǔ)償。

      圖3為對死區(qū)時間補(bǔ)償前后的對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將轉(zhuǎn)子固定在j=10位置,按照6%的等效占空比合成電壓矢量,加壓2 ms后檢測和計(jì)算對應(yīng)的電流值。未補(bǔ)償時的電流值偏低,且難以提取轉(zhuǎn)子位置信息;補(bǔ)償后的電流值與理論計(jì)算基本相符,而且明顯呈現(xiàn)與轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的周期變化規(guī)律,為轉(zhuǎn)子位置檢測奠定了良好的基礎(chǔ)。

      圖3 死區(qū)時間補(bǔ)償結(jié)果(轉(zhuǎn)子位置為10)Fig.3 Effects ofdead-time compensation(rotorposition at10)

      3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      在已開發(fā)并批量生產(chǎn)的永磁同步電動機(jī)變頻調(diào)速控制器中嵌入轉(zhuǎn)子位置檢測程序軟件,對本文的轉(zhuǎn)子位置檢測方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。選擇兩臺性能差別較大的PMSM作為被試對象,主要參數(shù)如表1所示。控制器相關(guān)參數(shù)設(shè)定為:開關(guān)頻率8 kHz,合成電壓矢量等效占空比9%,加壓時間2 ms,電流采樣分辨率1/32 A。

      實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)子的標(biāo)定位置及其編號是事先在12個電壓矢量分別作用下采取鎖定轉(zhuǎn)子的方法標(biāo)定得到的。電機(jī)特性的預(yù)測試結(jié)果表明,電機(jī)1的性能較差,反電動勢波形畸變明顯,且受齒槽效應(yīng)的影響,電機(jī)空置時的轉(zhuǎn)子位置與對應(yīng)電壓矢量鎖定的位置之間有較大的偏差,即轉(zhuǎn)子位置檢測時轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置與標(biāo)定位置不完全一致。

      表1 被試PMSM參數(shù)Tab.1 Parameters of the tested PMSM

      表2為Step 1過程中所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4為部分對應(yīng)的目標(biāo)觀測量,為了便于在同一圖中進(jìn)行對比,以各自的平均值為基值,對式(8)~式(10)定義的目標(biāo)觀測量作了標(biāo)幺化處理。結(jié)果表明:

      1)目標(biāo)觀測量呈現(xiàn)與轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)的周期變化特征,電機(jī)1凸極效應(yīng)顯著,目標(biāo)觀測量的變化幅度也大;

      2)電流采樣法與積分法的結(jié)果非常相近,而微分法的目標(biāo)觀測量變化幅度明顯增大,易于提取轉(zhuǎn)子位置信息;

      3)由于采用了低幅值多脈沖施壓方式,電流變化比較平緩,提高了采樣的準(zhǔn)確性。對于電機(jī)2,3種方法能夠完全正確地檢測出磁極軸向位置,只是部分極性判斷有誤。對于電機(jī)1,受空置位置與標(biāo)定位置之間偏差的影響,雖然目標(biāo)觀測量與標(biāo)定位置的對應(yīng)關(guān)系出現(xiàn)一個扇形區(qū)錯位,但是反而驗(yàn)證了對實(shí)際位置檢測的準(zhǔn)確性。

      表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果(Step1)Tab.2 Experimental results of Step 1

      在以電流微分法確定磁極軸向位置的基礎(chǔ)上實(shí)施Step 2,在保證不過流的前提下,將磁極軸向正反方向上電壓矢量的作用時間增至25個開關(guān)周期,對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,能夠完全正確地判斷轉(zhuǎn)子的磁極極性。

      圖4 目標(biāo)觀測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果(Step 1)Fig.4 Experiment alresults of the observed variables(Step 1)

      圖5 目標(biāo)觀測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果(Step 2)Fig.5 Experiment alresults of the observed variables(Step 2)

      整個檢測過程歷時不到0.5 s,辨識精度±15°以內(nèi),且辨識過程中電流低于額定值,從而很好地滿足了實(shí)際需要。

      4 結(jié)論

      結(jié)合PMSM調(diào)速控制器的控制性能提出的轉(zhuǎn)子初始位置檢測實(shí)用方案,通過施加低幅值空間電壓矢量、以多次電流采樣值構(gòu)建新的目標(biāo)觀測量,首先施加短時間電壓矢量,利用永磁電機(jī)的凸極效應(yīng),判斷轉(zhuǎn)子磁極軸向位置;然后施加較長時間電壓矢量,利用鐵心的磁飽和特性,判斷磁極極性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的有效性和可行性,在實(shí)際產(chǎn)品中具有良好的應(yīng)用前景。

      [1]王秀和.永磁電機(jī)[M].第2版.北京:中國電力出版社,2010.

      [2]周元鈞,蔡名飛.改進(jìn)的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報,2010,14(3):68-72.

      [3]杜金明,安群濤,孫力.基于飽和效應(yīng)的面貼式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2009,36(7):53-56.

      [4]石堅(jiān),湯寧平,譚超.一種新型的基于高頻電壓注入的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置觀測方法[J].福州大學(xué)學(xué)報,2007,35(2):241-246.

      [5]賈洪平,賀益康.基于高頻注入法的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2007,27(15):15-20.

      [6]梁艷,李永東.無傳感器永磁同步電機(jī)矢量控制中轉(zhuǎn)子初始位置的估算方法[J].電工技術(shù)雜志,2003(2):10-13.

      [7]于艷君,高宏偉,柴鳳,等.永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的極性判別方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報.2011,15(3):86-90.

      [8]Lin J K.A New Approach of Dead-time Compensation for PWM Voltage Inverters[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems,2002,49(4):476-483.

      [9]Choi Jong-Woo,Sul Seung-Ki.Inverter Output Voltage Synthesis Using Novel Dead Time Compensation[J].IEEE Trans.on Power Electronics,1996,11(2):221-227.

      猜你喜歡
      磁極定子矢量
      同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)
      矢量三角形法的應(yīng)用
      固定同步電機(jī)磁極用螺栓的受力分析
      淺析芳綸紙?jiān)谒啺l(fā)電機(jī)磁極中的應(yīng)用
      異步電動機(jī)定子沖片槽型優(yōu)化
      寧波漢浦工具有限公司
      電動工具(2020年6期)2020-12-29 05:53:36
      基于新型趨近律的雙定子電機(jī)控制系統(tǒng)研究
      基于矢量最優(yōu)估計(jì)的穩(wěn)健測向方法
      三角形法則在動態(tài)平衡問題中的應(yīng)用
      一種在線辨識定子電阻的MRAS轉(zhuǎn)速估算方法
      红安县| 彰化市| 舒城县| 遵义市| 小金县| 新昌县| 昂仁县| 淮阳县| 建始县| 繁峙县| 青阳县| 永年县| 綦江县| 米林县| 沾益县| 雅安市| 九江市| 水城县| 宣威市| 波密县| 五大连池市| 怀化市| 长白| 修武县| 忻城县| 海南省| 玛多县| 道真| 惠水县| 项城市| 邯郸县| 金溪县| 临西县| 当涂县| 兴海县| 库伦旗| 阿鲁科尔沁旗| 淮滨县| 惠州市| 永定县| 庄河市|