一種永磁同步風機全速范圍內(nèi)平穩(wěn)控制策略

洪金輝，金仁成，孫名謙，肖佩卿

(大連理工大學 遼寧省微納米技術及系統(tǒng)重點實驗室，遼寧 大連 116024)

0 引言

永磁同步電機(PMSM)由于其體積小、功率因數(shù)高等優(yōu)點在工業(yè)、汽車領域等應用廣泛[1]。在永磁同步電機控制系統(tǒng)中需要知道轉(zhuǎn)子的位置才能進行正確的控制，實際應用中通常使用霍爾傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器等傳感器獲取角度，但傳感器的工作條件受限會減小電機的適用范圍。因此，性能可靠的無感控制技術仍是電機控制領域的熱點。

目前，無感控制主要分為兩種：一種是利用電機凸極效應的高頻注入法；另一種是基于電機的反電動勢控制法，主要有滑模觀測器、狀態(tài)觀測器和神經(jīng)網(wǎng)絡控制法[2]?；Ｓ^測器是一種典型的反電動勢觀測器，其結構簡單，對內(nèi)外部擾動具有較強的魯棒性[3]?；Ｓ^測器作為典型的反電動勢觀測器在應用中由于滑模平面的不連續(xù)存在著固有抖動的問題。文獻[4]中使用連續(xù)函數(shù)代替開關函數(shù)減小了觀測器固有的抖振問題。文獻[5]采用自適應同步濾波器與正交鎖相環(huán)相結合消除了大量的抖動并沒有相位延遲，提高了估算精度。

電機低速時反電動勢小，信噪比小，觀測器不能準確識別，常使用I/F開環(huán)控制作為低速控制方法。文獻[6]通過對電流矢量幅值轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)提高了I/F啟動的穩(wěn)定性。文獻[7，8]進一步對低速到中高速的過渡策略進行了研究，通過連續(xù)的平滑過渡函數(shù)減小了狀態(tài)切換時的轉(zhuǎn)矩沖擊。

本文設計了一種風機用永磁同步電機的全速控制器，低速時采用I/F控制器對電機進行加速，高速時使用結合復系數(shù)濾波器的EPLL(Enhanced Phase-locked Loop，增強型鎖環(huán))求解轉(zhuǎn)子信息，提高了估算精度；并設計了新型過渡函數(shù)，實現(xiàn)了開環(huán)到閉環(huán)的平滑過渡；最后通過仿真和實驗驗證了該方法的可行性。

1 永磁同步電機滑模觀測器

1.1 永磁同步電機數(shù)學模型

在忽略電機鐵芯飽和，不計電機中的磁滯損耗和渦流的條件下，表貼式永磁同步電機d、q軸的定子電感相等，即Ld=Lq，其在兩相靜止坐標系的數(shù)學模型表示為：

(1)

其中：[uαuβ]T為定子電壓；R為電機定子電阻；P為微分算子；[iαiβ]T為兩相靜止坐標系下的電流分量；[EαEβ]T為擴展反電動勢，且可以表示為：

(2)

其中：Ψf為永磁磁鏈；θ為電機位置角；ωe為電機電角速度。

1.2 改進滑模觀測器

傳統(tǒng)滑模觀測器由于不連續(xù)的sign函數(shù)使系統(tǒng)存在著抖振現(xiàn)象，而使用反正切法會將抖動放大，造成估計誤差。為了解決上述問題，本文采用連續(xù)切換的飽和函數(shù)代替理想開關函數(shù)在一定程度上減少抖振，同時引入在中心頻率處不存在幅值衰減和相位滯后的復系數(shù)濾波器，在抑制抖動的同時消除相位誤差，最后使用EPLL求取位置信息，EPLL的原理已在文獻[9]中進行論述，本文不再贅述。改進后滑模觀測器(Sliding Mode Observer, SMO)解算框圖如圖1所示。

圖1 基于CCF-EPLL的SMO框圖

2 永磁同步電機I/F啟動

2.1 I/F啟動

永磁同步電機低速運轉(zhuǎn)時反電動勢很小，因此SMO在電機低速運轉(zhuǎn)時精度很低。通常采用V/F(電壓頻比)或I/F(電流頻比)啟動控制策略，將電極拖動到額定轉(zhuǎn)速的15%左右，此時觀測器能準確識別電機的轉(zhuǎn)速，進而將SMO的信息切入控制系統(tǒng)，實現(xiàn)速度閉環(huán)控制。圖2為I/F啟動控制系統(tǒng)原理框圖。由圖2可以看出I/F啟動是一種轉(zhuǎn)速開環(huán)、電流閉環(huán)的控制策略，因此對負載變化的適應力更強。考慮風機運行過程中負載變化較為復雜，因此本文采用I/F控制策略。

圖2 I/F啟動控制系統(tǒng)原理框圖

Te=1.5npΨfiq.

(3)

其中：Te為電機的電磁轉(zhuǎn)矩；np為電機的極對數(shù)。

(4)

圖3 I/F啟動過程坐標系變換示意圖

2.2 切換過程

在I/F控制下，電機達到一定轉(zhuǎn)速后需要進行速度開環(huán)到閉環(huán)的切換，其中包括電機開閉環(huán)計算角度θ的切換以及給定電流iqref的切換。切換過程中由于實際坐標系與虛擬坐標系之間存在相位差，會發(fā)生角度突變，引起轉(zhuǎn)矩突變。此時如果轉(zhuǎn)矩過小，會引起電機轉(zhuǎn)速掉落甚至失步，轉(zhuǎn)矩過大會導致速度超調(diào)。針對這個問題，本文提出了新的過渡函數(shù)對過渡過程坐標變換角度進行修正，使開環(huán)階段角度逐漸向觀測器角度靠近，消除突變。

過渡函數(shù)如下所示：

(5)

其中：eθ為坐標變換角度誤差修正系數(shù)；ω為開環(huán)轉(zhuǎn)速；ω1為過渡階段起始轉(zhuǎn)速；ω2為過渡階段結束轉(zhuǎn)速。過渡函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 過渡函數(shù)示意圖

因此電機運行的角度可以表示為：

θ=θopen+eθ·(θclose-θopen).

(6)

其中：θopen為開環(huán)角度；θclose為觀測器估算角度。

由式(6)可知，在切換過程中角度變化是連續(xù)的，不會產(chǎn)生突變，實現(xiàn)了切換過程的平穩(wěn)進行。

3 實驗驗證與結果分析

3.1 仿真分析

為了驗證本文所提方法的有效性，通過Simulink搭建仿真模型，仿真所選用永磁同步電機參數(shù)為：額定電壓U=160 V，額定轉(zhuǎn)速ωn=1 500 r/min，極對數(shù)np=4；定子電阻R=3 875 Ω；磁鏈Ψf=0.175 Wb；定子電感L=8.5 mH。設置I/F啟動加速度a=1.9×103rad/s2;過渡階段起始轉(zhuǎn)速為300 r/min，過渡階段結束轉(zhuǎn)速為500 r/min。

圖5為電機啟動過程中I/F控制角度和滑模觀測器角度差值，為便于顯示角度變化情況此處對過渡時間進行了一定的延長。圖5中,0.06 s～0.14 s為過渡階段，開始時觀測器角度領先于I/F估計角度，在過渡階段內(nèi)I/F角度逐漸向觀測器角度靠近，直至重合。

圖5 過渡階段角度變化示意圖

圖6為普通I/F啟動和引進平滑過渡函數(shù)后I/F啟動過程中電機的轉(zhuǎn)矩變化情況。從圖6(a)中可以明顯看出，普通I/F啟動在切換時刻電機轉(zhuǎn)矩有一個減小，造成電機速度衰減；引入平滑過渡函數(shù)后轉(zhuǎn)矩變化更加平滑，如圖6(b)所示。圖7為普通I/F啟動和改進I/F啟動的轉(zhuǎn)速變化圖，可以看出，本文提出的過渡方法可以有效地抑制電機狀態(tài)切換時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速衰減，使運行過程更加平穩(wěn)。

圖6 I/F啟動過程中轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖7 I/F啟動轉(zhuǎn)速波形

電機經(jīng)由I/F啟動后進入閉環(huán)運行。圖8為觀測器轉(zhuǎn)速估計誤差波形。由圖8可以明顯看出：改進的滑模觀測器有效地減少了觀測器的高頻抖動現(xiàn)象，同時估算誤差范圍由-8 r/min～10 r/min減小至-2 r/min～2 r/min，轉(zhuǎn)速估計的準確性有明顯提高。

圖8 觀測器轉(zhuǎn)速估計誤差

3.2 實驗分析

為驗證本文提出的控制策略，搭建三相表貼式PMSM無感控制平臺。選擇華大HC32M120作為主控芯片，采樣頻率與載波頻率為16 kHz，并在測功機上進行加載實驗。圖9為電機轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化情況，改進SMO在轉(zhuǎn)速上更為平穩(wěn)。實驗結果驗證了本文提出方法的可行性。

圖9 測功機加載實驗曲線

4 結論

本文針對風機上應用的永磁同步電機提出了一種全速范圍內(nèi)的平滑控制策略。低速采用I/F開環(huán)控制，達到一定轉(zhuǎn)速后采用平滑過渡函數(shù)對過渡角度進行修正，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流的平穩(wěn)切換。中高速使用基于復系數(shù)濾波器的EPLL求解電機角度有效地消除了滑模觀測器的高頻抖動，提高了估算精度。通過Simulink和實驗對上述方法進行了驗證，結果證明了該方法的可行性。