基于高通諧振濾波器的高頻脈振電流注入法研究

關(guān)振宏， 杜平， 王濤， 張羽

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

基于高通諧振濾波器的高頻脈振電流注入法研究

關(guān)振宏， 杜平， 王濤， 張羽

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

當(dāng)高頻脈振電流注入法利用電機的凸極效應(yīng)實現(xiàn)無位置傳感器控制時，為了避免注入信號幅值選取的不當(dāng)，導(dǎo)致提取轉(zhuǎn)子位置信息的高頻響應(yīng)信號解調(diào)失敗和轉(zhuǎn)矩脈動，提出一種將高通諧振濾波器引入轉(zhuǎn)子位置提取通道的方法。利用高通諧振濾波器在低頻段的高度衰減性，在諧振點對解調(diào)信號放大增幅的特性，提高了含有轉(zhuǎn)子初始位置信息的信噪比。對轉(zhuǎn)子位置信號的濾波優(yōu)化，使得電機無位置算法在解調(diào)響應(yīng)信號的難度降低，轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的估算可以實現(xiàn)零誤差。最后通過仿真對比研究驗證了方法的正確性和有效性。

高頻脈振；凸極效應(yīng)；無位置傳感器；高頻注入；轉(zhuǎn)子位置

0 引 言

由于銣鐵硼等稀土材料應(yīng)用和電機控制理論的不斷進步，使永磁同步電機具有優(yōu)越調(diào)速性能,在工業(yè)、交通和航天領(lǐng)域獲得廣泛的關(guān)注[1-3]。文獻[4-6]提出一種檢測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在定子產(chǎn)生的反電動勢進行積分的方法，但只能應(yīng)用在中高轉(zhuǎn)速條件下。針對在零速或低速反電動勢檢測失效問題，文獻[7-9]提出一種基于凸極效應(yīng)的電機定子注入旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號，利用帶通濾波器或鎖相環(huán)的方法提取響應(yīng)電流中轉(zhuǎn)子信息，但成本較高且幅值易受干擾。文獻[10]提出向定子繞組注入脈振的高頻電壓信號來觀測定子電感隨轉(zhuǎn)子位置的變化，但是該方法需要借助查表的方法判斷永磁體極性。采用電機的磁飽和效應(yīng)建立逆變器開關(guān)高頻載波和轉(zhuǎn)子位置信息關(guān)系，但開關(guān)諧波的混淆可能會導(dǎo)致對載波響應(yīng)電流解調(diào)失敗[11-12]。文獻[13]提出一種采用移相和傅式算法從高頻注入電壓的響應(yīng)電流中提取轉(zhuǎn)子位置信息，但必須選擇適當(dāng)?shù)拈_關(guān)頻率和注入信號頻率，文獻[14]對比研究了高頻信號旋轉(zhuǎn)和脈振注入的實現(xiàn)策略，兩者都需較多的濾波器，尤其是旋轉(zhuǎn)高頻信號注入法。文獻[15]提出一種基于高頻脈振電流注入的方法，這控制結(jié)構(gòu)和算法簡單，但注入幅值選擇的問題依然存在，使得注入幅值、信息解調(diào)和轉(zhuǎn)矩脈動的控制無法一致。

為解決上述問題，本文在高頻脈振電流注入法的基礎(chǔ)上引入高通諧振濾波器，對高頻響應(yīng)電壓的提取作出改進，擴大信號的注入幅值范圍，降低轉(zhuǎn)子信息解調(diào)的難度，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子信息更加平穩(wěn)、快速、精準的檢測，仿真結(jié)果驗證了改進方法的有效性和實用性。

1 PMSM數(shù)學(xué)模型

采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系的id=0磁場定向控制，此時，PMSM的定子電壓矩陣為：

(1)

式中ud，uq分別為定子電壓u在d、q軸上的分量；ψd、ψq分別為磁鏈在d、q軸上的分量，p為對時間微分算子。

(2)

結(jié)合式(1)和(2)，兩相靜止d-q坐標系下的磁鏈矩陣方程為：

(3)

式中ψf為永磁體的轉(zhuǎn)子磁鏈。

2 高頻信號注入

(4)

結(jié)合式(2)—(4)可得高頻注入電流和高頻響應(yīng)電壓的關(guān)系式為：

(5)

式中Z=JωLav為平均電抗，Zerr=JωLerr為半差電抗。

(6)

(7)

圖1 加高通諧振濾波器的無位置傳感器控制結(jié)構(gòu)框圖

3 高通諧振濾波器

由圖1可知，為了從交軸高頻響應(yīng)電壓分量中提取轉(zhuǎn)子位置信息，引入了高通諧振濾波器。高通濾波器與諧振濾波器結(jié)合的傳遞函數(shù)如式(8)所示。

(8)

式中HPRF為高通與諧振濾波器(High Pass and Resonance Filter, HPRF)，ωc為帶寬，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)。選取諧振點頻率ωh=ωf，其伯德圖如圖2所示。

圖2 HPRF伯德圖

由圖2可知，引入的高通諧振濾波器諧振點在ωf=ωh處，即諧振頻率為高頻脈振電流信號的注入頻率，該濾波器以43 dB的增益作用在諧振點，有效地增大了高頻響應(yīng)電壓，提高了此處以高頻信號為有用信號的信噪比，且諧振頻率后的高通階段對信號幾乎無衰減，在低頻段以-130 dB的衰減增益濾除基波信號，基波信號為噪聲信號；因此采用高通諧振濾波器，實現(xiàn)了直軸上注入對電機運行有利的小幅值高頻電流信號。該方法能夠高效準確地提取轉(zhuǎn)子位置信息，并且不必考慮會引入電機轉(zhuǎn)子振動的影響。

4 仿真結(jié)果分析

為了驗證所提方法是能夠?qū)D(zhuǎn)子位置估計結(jié)果進行優(yōu)化的，本文對該方法在MATLAB/simulink中進行了仿真研究，其位置檢測及控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要電機參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min，極對數(shù)p=4，定子電阻Rs=2.875 Ω，d軸電感Ld=7.2 mH，q軸電感Ld=12.5 mH，注入頻率fh=1.9 kHz，注入幅值Imh=5 A。

為驗證所提方法對轉(zhuǎn)子初始位置信息的估計更精確，圖3和圖4分別給出了電機在轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min，未采用HPRF和采用HPRF時轉(zhuǎn)子位置實際值、轉(zhuǎn)子位置估計值以及轉(zhuǎn)子位置估計誤差的波形。對比引入HPRF仿真結(jié)果前后波形可以看出，當(dāng)未采用HPRF的傳統(tǒng)高頻脈振電流注入法時，轉(zhuǎn)子估計位置相對轉(zhuǎn)子實際位置有滯后，導(dǎo)致位置誤差明顯偏離零值且有增大趨勢；當(dāng)采用HPRF時，轉(zhuǎn)子位置估計值和轉(zhuǎn)子位置計算值無超前滯后，并且轉(zhuǎn)子初始位置估計實現(xiàn)零誤差控制。

圖3 未采用HPRF時轉(zhuǎn)子位置估計

圖4 采用HPRF時轉(zhuǎn)子位置估計

為進一步對比所提方法在轉(zhuǎn)子信息提取上的優(yōu)勢，圖5和圖6分別給出了電機在t=0.1 s時轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min突變到n=200 r/min時的轉(zhuǎn)速估計的動態(tài)性能。當(dāng)未采用HPRF時，t=0.1s前轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估計值近似跟隨實際轉(zhuǎn)速，但在t=0.15 s后，轉(zhuǎn)子的估計轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏離實際轉(zhuǎn)速值的現(xiàn)象，且隨時間略有增大；當(dāng)采用HPRF時，轉(zhuǎn)子估計轉(zhuǎn)速在t=0.1 s前后皆嚴格追蹤實際轉(zhuǎn)速曲線，無偏離現(xiàn)象。

圖5 未采用HPRF時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估計

圖6 采用HPRF時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速估計

5 結(jié)束語

本文將高通諧振濾波器引入高頻信號注入法，在轉(zhuǎn)子初始位置信號提取的方法中，對含有轉(zhuǎn)子初始位置信息的交軸高頻響應(yīng)電壓進行HPRF濾波優(yōu)化，其在注入頻率點處呈現(xiàn)的諧振特點具有幅值放大作用，提高了調(diào)制信號的信噪比，克服了較小的注入電流幅值使得電機的凸極效應(yīng)特質(zhì)不突出的缺點，優(yōu)化了轉(zhuǎn)子位置信息解調(diào)的準確性，同時又避免了因高頻電流注入幅值較大而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩脈動的風(fēng)險，HPRF低頻高度的衰減性大大降低了轉(zhuǎn)子初始位置信息解調(diào)時受低次諧波的干擾，實現(xiàn)了無位置傳感器的零誤差估計。仿真結(jié)果驗證了所提方法的有效性和正確性。

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

[2] 張猛,肖曦,李永東.基于擴展卡爾曼濾波器的永磁同步電機轉(zhuǎn)速和磁鏈觀測器[J].中國電機工程學(xué)報,2007,27(36):36-40.

[3] 呂睿龍,孫麗萍,楊貴杰.基于高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法的IPMSM轉(zhuǎn)子位置估算策略[J].微特電機,2014,42(3):21-24.

[4] CRISTIAN LASCU，ION BOLDEA. A modified direct torque control for induction motor sensorless drive[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2000，36(1):122-130.

[5] U BAADER. High dynamic torque control of induction motor in stator flux oriented coordinates [J].ETZ Arch.，1998，11(1):11-17.

[6] 文建平,曹秉剛.無速度傳感器的內(nèi)嵌式永磁同步電機自抗擾控制調(diào)速系統(tǒng)[J].中國電機工程學(xué)報,2009,29(30):58-62.

[7] 王高林,楊榮峰,于泳,等.內(nèi)置式永磁同步電機無位置傳感器控制[J].中國電機工程學(xué)報,2010,30(30):93-98.

[8] ERTUGRUL N，ACARNLEY P. A new algorithm for sensorless operation of permanent magnet motors[J]. IEEE Trans on Industry Applications，1994，30(1)：126 -133.

[9] 魯家棟,劉景林,衛(wèi)麗超.永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法[J].電工技術(shù)學(xué)報,2015,30(7):105-111.

[10] 萬山明,吳芳,黃聲華.基于高頻電壓信號注入的永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置估計[J].中國電機工程學(xué)報,2008,28(33):82-86.

[11] 王麗梅,鄭建芬,郭慶鼎.基于載波注入的凸極永磁同步電動機無傳感器控制[J].電機與控制學(xué)報,2005,9(4):38-41.

[12] 高宏偉,于艷君,柴鳳,等.基于載波頻率成分法的內(nèi)置式永磁同步電機無位置傳感器控制[J].中國電機工程學(xué)報,2010,30(18):91-96.

[13] 何棟煒,彭俠夫,蔣學(xué)程,等.內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置估計方法[J].電機與控制學(xué)報,2013,17(3):49-55.

[14] 秦峰，賀益康，劉毅，等.兩種高頻信號注入法的無傳感器運行研究[J].中國電機工程學(xué)報,2005,25(5):118-123.

[15] 劉穎,周波,馮瑛,等.基于脈振高頻電流注入SPMSM低速無位置傳感器控制[J].電工技術(shù)學(xué)報,2012,27(7):139-145.

Research about High-frequency Pulsating Current Injection Based on High-pass Resonator Filter

Guan Zhenhong, Du Ping, Wang Tao, Zhang Yu

(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031, China)

When sensorless control is realized in the high-frequency pulsating current injection method by means of saliency effect of the motor, to avoid demodulation failure of the HF response signal for extraction of rotor position information and torque ripple due to improper selection of the amplitude of injection signal, this paper presents a method for importing the high-pass resonator filter into the motor position extraction channel. Its principle is to take advantage of high attenuation of the high-pass resonator filter in the low frequency range as well as amplification of demodulated signal at the resonance point to raise the signal-to-noise ratio of the information containing original rotor position. This approach optimizes filtering of the rotor position signal so that it is not so difficult to demodulate the response signal by sensorless motor algorithm, and zero error can be realized in the estimation of rotor position and speed. Finally, simulation and comparison verify the correctness and effectiveness of the proposed approach.

high-frequency pulsating; saliency effect; sensorless; high frequency injection; rotor position

國家自然科學(xué)基金面上項目(51477146)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.004

TM351;TM341

A

1000-3886(2016)06-0011-03

關(guān)振宏(1967- )，男，湖南常德人，碩士生導(dǎo)師，副教授，研究方向為電力牽引與傳動控制。 杜平(1992- )，男，四川廣安人，碩士生，研究方向為電力電子與電力傳動。 王濤(1972- )，男，四川樂山人，碩士生導(dǎo)師，副教授，研究方向為交流調(diào)速控制，計算機控制技術(shù)。 張羽(1992- )，男，遼寧盤錦人，碩士生，研究方向為電力電子與電力傳動。

定稿日期: 2016-05-21