改進(jìn)型IF控制結(jié)合有效磁鏈法的永磁同步電機(jī)全速域無位置傳感器控制策略

付康壯 劉計(jì)龍 麥志勤 牧雅璐 李科峰

改進(jìn)型IF控制結(jié)合有效磁鏈法的永磁同步電機(jī)全速域無位置傳感器控制策略

付康壯 劉計(jì)龍 麥志勤 牧雅璐 李科峰

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033）

永磁同步電機(jī) 無位置傳感器控制 改進(jìn)型IF控制 有效磁鏈法 全速域

0 引言

永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）具有體積小、功率密度高、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、艦船推動、新能源汽車等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。實(shí)現(xiàn)PMSM高精度矢量控制需要實(shí)時(shí)獲取轉(zhuǎn)子位置信息，傳統(tǒng)的檢測方式是在電機(jī)內(nèi)部安裝機(jī)械式傳感器，這種方式會造成系統(tǒng)魯棒性降低、安裝和維護(hù)成本增加、線路連接復(fù)雜等諸多問題，嚴(yán)重影響PMSM的推廣應(yīng)用[5-7]。為拓寬PMSM的適用范圍，無位置傳感器控制技術(shù)逐漸成為眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

在PMSM中高速區(qū)采用基于電機(jī)基波模型的控制方法來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置辨識[8-11]，但在零速或者低速區(qū)電機(jī)反電動勢極其微弱，導(dǎo)致基于基波模型的轉(zhuǎn)子位置辨識方法失效。為了實(shí)現(xiàn)PMSM全速域無位置傳感器控制，必須要在低速區(qū)設(shè)計(jì)單獨(dú)的控制策略，目前常用的零低速區(qū)控制方法是高頻信號注入法[12-16]。高頻信號注入法是通過向電機(jī)注入連續(xù)的高頻電壓（電流）信號實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置辨識，在電機(jī)的零低速區(qū)具有較高的位置估計(jì)精度，但其工作時(shí)會產(chǎn)生額外的系統(tǒng)損耗和電磁噪聲，并且需要多個濾波器進(jìn)行濾波，計(jì)算量大且實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜，在一些有特殊要求的場合并不適用，如潛艇、水下自主航行器等。

IF控制（IF control）又稱為電流頻率比控制，是一種采用電流、頻率給定的控制方式，與高頻信號注入法相比，其實(shí)現(xiàn)過程簡單，工作時(shí)不產(chǎn)生附加振動噪聲，而且適配電機(jī)廣泛，既適用于隱極電機(jī)也適用于凸極電機(jī)，是常用的PMSM零低速區(qū)無位置傳感器控制方法之一。IF控制不依賴于轉(zhuǎn)子位置信息且引入電流閉環(huán)控制，可有效避免電機(jī)過電流，同時(shí)具備一定的抗負(fù)載擾動能力，在如今的工業(yè)控制中已經(jīng)應(yīng)用得較為成熟，常被用于電機(jī)起動加速過程[17-19]。

經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前依然沒有單一的且性能良好的無位置傳感器控制策略能夠同時(shí)兼顧PMSM零低速區(qū)和中高速區(qū)的控制，而實(shí)現(xiàn)全轉(zhuǎn)速區(qū)域無位置傳感器控制是該項(xiàng)技術(shù)服務(wù)于工程實(shí)踐的現(xiàn)實(shí)需求。因此，開展無位置傳感器高低速復(fù)合控制策略的研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。為提升控制系統(tǒng)的可靠性和適用范圍，一些學(xué)者將IF控制與中高速區(qū)觀測器法相結(jié)合，避免了采用高頻信號注入法帶來的電磁噪聲和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題[16-18]。

文獻(xiàn)[20-21]提出一種IF控制與滑模觀測器相結(jié)合的PMSM無位置傳感器復(fù)合控制策略，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的正（反）轉(zhuǎn)起動加速至額定轉(zhuǎn)速過程。文獻(xiàn)[22]采用IF控制與磁鏈觀測器法相結(jié)合的控制方法，并提出一種基于雙dq空間的起動、切換策略，實(shí)現(xiàn)了IF控制向磁鏈估計(jì)法的無縫平滑切換。文獻(xiàn)[23]提出一種IF控制與改進(jìn)型帶補(bǔ)償校正的反電動勢法相結(jié)合的復(fù)合控制策略，解決了船舶推進(jìn)PMSM在無位置傳感器控制下，無法實(shí)現(xiàn)從起動平滑加速至全速的問題。文獻(xiàn)[24]采用IF控制與反電動勢估計(jì)法相結(jié)合的控制方案應(yīng)用在滾筒洗衣機(jī)的驅(qū)動控制系統(tǒng)中。

1 零低速區(qū)IF控制

1.1 IF控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基本原理

IF控制是一種轉(zhuǎn)速開環(huán)、電流閉環(huán)的PMSM無位置傳感器控制方法，具有實(shí)現(xiàn)簡單、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，且在低速區(qū)具有一定的抗負(fù)載擾動能力，是實(shí)現(xiàn)PMSM零低速區(qū)無位置傳感器控制的重要手段之一。因此，本文在電機(jī)零低速區(qū)采用IF控制，傳統(tǒng)IF控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)IF控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在SPMSM中d=q，式（3）可近似簡化為

PMSM的轉(zhuǎn)矩平衡方程表達(dá)式為

式中，L為真實(shí)同步坐標(biāo)系和虛擬同步坐標(biāo)系之間的相位差；d、q分別為直軸電感和交軸電感；e為電磁轉(zhuǎn)矩；L為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；n為電機(jī)的極對數(shù)；f為永磁體磁鏈；為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量。

IF控制可以直接控制定子繞組的電流幅值，使得電機(jī)具有較好的負(fù)載轉(zhuǎn)矩匹配能力。根據(jù)IF控制的“轉(zhuǎn)矩-功角自平衡”原理可知，當(dāng)負(fù)載發(fā)生擾動時(shí)，通過功角的變化，電機(jī)會建立新的轉(zhuǎn)矩平衡，使其具備較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動能力。

1.2 傳統(tǒng)IF控制的局限性分析

圖2 傳統(tǒng)基于軸電流給定的坐標(biāo)系相位關(guān)系

表1 傳統(tǒng)IF控制零速穿越工況的實(shí)現(xiàn)過程

1.3 基于軸電流給定方式的改進(jìn)型IF控制

此時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為

圖3 改進(jìn)型IF控制下兩種坐標(biāo)系的相位關(guān)系

1）正轉(zhuǎn)起動至額定轉(zhuǎn)速過程

2）正轉(zhuǎn)降速至零速過程

3）反轉(zhuǎn)起動至額定轉(zhuǎn)速過程

4）反轉(zhuǎn)降速至零速過程

表2 改進(jìn)型IF控制零速穿越工況實(shí)現(xiàn)過程

2 全轉(zhuǎn)速范圍無位置傳感器控制策略

在中高速區(qū)工況下電機(jī)端口信號明顯，通常采用基于電機(jī)基波模型的無位置傳感器控制方法來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置辨識，其中包括滑模觀測器法、磁鏈估計(jì)法、模型參考自適應(yīng)法、卡爾曼濾波法等。與高速區(qū)其他控制算法相比，有效磁鏈法實(shí)現(xiàn)簡單、位置估計(jì)精度高，其研究也相對成熟，能同時(shí)適用于隱極電機(jī)和凸極電機(jī)，在工程中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[9-10]。

本文在中高速區(qū)采用有效磁鏈法進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置辨識。在上述研究的基礎(chǔ)上，本文可以較好地實(shí)現(xiàn)在無位置傳感器條件下，PMSM在零低速區(qū)、中高速區(qū)的可靠運(yùn)行，改進(jìn)型IF控制結(jié)合有效磁鏈法的全速域無位置傳感器控制框圖如圖4所示。從低速區(qū)IF控制到轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制需要經(jīng)歷一個過渡過程，通過設(shè)置合理的過渡過程實(shí)現(xiàn)兩種控制策略的平滑切換是PMSM無位置傳感器控制的重要研究內(nèi)容之一。本節(jié)重點(diǎn)針對改進(jìn)型IF控制與有效磁鏈法之間的平滑切換策略展開研究。

圖4 全速域無位置傳感器控制框圖

2.1 轉(zhuǎn)速區(qū)間的劃分

反轉(zhuǎn)情況），設(shè)置60r/min和100r/min為不同轉(zhuǎn)速區(qū)間的切換點(diǎn)，將電機(jī)轉(zhuǎn)速分為零低速區(qū)、過渡區(qū)和中高速區(qū)3個區(qū)間。表3為電機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間的具體劃分情況。

表3 轉(zhuǎn)速區(qū)域劃分

2.2 狀態(tài)機(jī)的滯環(huán)切換方案

本文利用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)間的切換，為防止系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速區(qū)間頻繁切換，在切換時(shí)采用了滯環(huán)切換。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，通常將滯環(huán)環(huán)寬設(shè)置為全速域?qū)挾鹊?%左右，本文電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為-500～500r/min，因此，滯環(huán)寬度設(shè)置為10r/min?；跔顟B(tài)機(jī)的滯環(huán)切換實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示。

圖5 狀態(tài)機(jī)的滯環(huán)切換實(shí)現(xiàn)原理

以電機(jī)正轉(zhuǎn)為例，在電機(jī)正轉(zhuǎn)加速和正轉(zhuǎn)減速工況下，對狀態(tài)機(jī)的切換方式進(jìn)行介紹。

2.3 轉(zhuǎn)速過渡區(qū)的軸電流儲備方案

圖6 基于過渡區(qū)的軸電流儲備方案示意圖

（1）控制策略切換。電機(jī)從零低速加速至額定轉(zhuǎn)速過程，控制方式由IF控制切換到有效磁鏈法（策略在切換點(diǎn)A處完成切換），該過程采用的切換方式是“雙dq空間切換”。PMSM的任一空間矢量都可以在雙dq空間中表現(xiàn)出不同的分量，各分量的關(guān)系可以由兩個坐標(biāo)系之間的相位差L唯一確定，雙dq空間切換示意圖如圖7所示。

圖7 雙dq空間切換示意圖

（2）控制策略切換。電機(jī)從額定轉(zhuǎn)速降速至零低速過程，其控制方式由有效磁鏈法切換到改進(jìn)型IF控制（在策略切換點(diǎn)B處完成切換），該過程采用的切換方式是“直接切換法”，原因分析如下：根據(jù)IF控制的特性可知，IF控制所需要的位置給定信號可以直接給定。在有效磁鏈法向IF控制切換時(shí)，由于有效磁鏈法全程工作，切換瞬間電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和dq軸電流已知，因此在有效磁鏈法向IF控制切換時(shí)，將磁鏈法所估計(jì)的位置信息直接用于IF控制給定，可以保持電機(jī)的電壓矢量和電流矢量不變，從而順利實(shí)現(xiàn)切換過程。因此，采用基于IF控制參數(shù)給定的直接切換策略，可以有效降低磁鏈法向IF控制切換的復(fù)雜度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提方法的可行性，搭建如圖8所示實(shí)驗(yàn)平臺對其進(jìn)行驗(yàn)證，直流母線電壓為500V，負(fù)載為一臺發(fā)電機(jī)。被試電機(jī)由變頻器供電并拖動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，發(fā)電機(jī)電能消耗在負(fù)載電阻柜上。在數(shù)據(jù)采集存儲方面，首先將DSP內(nèi)部的轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)保存在RAM中，停機(jī)之后再將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，然后利用Matlab完成數(shù)據(jù)處理并繪圖。實(shí)驗(yàn)所用的永磁同步電機(jī)參數(shù)見表4。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺

表4 永磁同步電機(jī)參數(shù)

3.1 IF控制與有效磁鏈法穩(wěn)態(tài)工況性能驗(yàn)證

圖9 控制模式50r/min穩(wěn)態(tài)工況下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和三相電流實(shí)驗(yàn)波形

圖10 有效磁鏈法控制模式500r/min穩(wěn)態(tài)工況下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和三相電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9為在50r/min穩(wěn)態(tài)工況下，電機(jī)采用改進(jìn)型IF控制時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和三相電流實(shí)驗(yàn)波形。由圖9可以看出，電機(jī)三相電流波形無明顯波動且接近標(biāo)準(zhǔn)正弦，說明IF控制在低速區(qū)具有較好的控制性能，可以滿足PMSM在零低速區(qū)的控制要求。

圖10為在500r/min穩(wěn)態(tài)工況下，采用有效磁鏈法控制方式估計(jì)的電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和三相電流實(shí)驗(yàn)波形。從圖10可以看出，PMSM在500r/min穩(wěn)態(tài)工況下運(yùn)行時(shí)，有效磁鏈法估計(jì)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波形與旋轉(zhuǎn)變壓器所檢測的實(shí)際轉(zhuǎn)速波形擬合程度較好，未發(fā)生明顯波動，三相電流波形具有較好的正弦度，電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有效磁鏈法可以實(shí)現(xiàn)PMSM在中高速區(qū)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的精確估計(jì)。

3.2 改進(jìn)型IF控制零速穿越性能驗(yàn)證

圖11 電機(jī)由-60r/min加速到60r/min工況下IF控制零速穿越性能驗(yàn)證

圖11為PMSM轉(zhuǎn)速由-60r/min加速到60r/min工況下的dq軸電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和三相電流實(shí)驗(yàn)波形。由圖11可以看出，采用改進(jìn)型IF控制時(shí)，在轉(zhuǎn)速過零瞬間轉(zhuǎn)速未發(fā)生波動，dq軸電流和三相電流也未產(chǎn)生明顯波動，電機(jī)由正轉(zhuǎn)切換到反轉(zhuǎn)過程連續(xù)且平滑。

圖12 電機(jī)由60r/min加速到-60r/min工況下IF控制零速穿越性能驗(yàn)證

圖12為PMSM在60r/min加速到-60r/min工況下的dq軸電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和三相電流波形。由圖12可知，在電機(jī)零速穿越過程中，dq軸電流和三相電流均未產(chǎn)生波動，電機(jī)正反轉(zhuǎn)切換過程平滑，且起動過程平穩(wěn)。

3.3 切換策略性能驗(yàn)證

PMSM加速階段采用的切換方式為雙dq空間切換（IF控制-有效磁鏈法），減速階段采用的切換方式為直接切換法（有效磁鏈法-IF控制）。本節(jié)對兩種控制方式之間的切換策略的切換性能進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13和圖14所示。

圖13 電機(jī)正轉(zhuǎn)工況下兩種控制方法切換策略性能驗(yàn)證

圖14 電機(jī)反轉(zhuǎn)工況兩種控制方法切換策略性能驗(yàn)證

由此可以看出，本文采用的切換策略在進(jìn)行切換過程中電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和三相電流均未發(fā)生明顯波動，可以有效實(shí)現(xiàn)IF控制與有效磁鏈法之間的靈活、平滑切換。

3.4 全轉(zhuǎn)速范圍無位置傳感器控制性能驗(yàn)證

圖15和圖16為在PMSM全轉(zhuǎn)速范圍對所提無位置傳感器復(fù)合控制策略性能驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖15給出電機(jī)在-500r/min到500r/min工況下的dq軸電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和狀態(tài)機(jī)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)波形。以電機(jī)正轉(zhuǎn)工況為例，通過觀察圖15可知，PMSM由0r/min加速至500r/min過程系統(tǒng)工作狀態(tài)如下：

圖15 轉(zhuǎn)速從-500r/min到500r/min變化時(shí)dq軸電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和狀態(tài)機(jī)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)波形

圖16 轉(zhuǎn)速從500r/min到-500r/min變化時(shí)dq軸電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和狀態(tài)機(jī)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)波形

（1）PMSM首先運(yùn)行在零低速區(qū)，由0r/min開始加速，狀態(tài)機(jī)處于Mode 1狀態(tài)，此時(shí)IF控制給定的轉(zhuǎn)子位置信息參與矢量閉環(huán)控制，有效磁鏈法開始工作。

圖16給出電機(jī)在500r/min到-500r/min工況下的dq軸電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和狀態(tài)機(jī)狀態(tài)實(shí)驗(yàn)波形。以電機(jī)正轉(zhuǎn)為例，通過觀察圖16可知，PMSM由500r/min減速至0r/min過程系統(tǒng)工作狀態(tài)如下：

（1）PMSM首先運(yùn)行在中高速區(qū)，由500r/min開始降速，此時(shí)狀態(tài)機(jī)處于Mode 3狀態(tài)，在該模式下有效磁鏈法估計(jì)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置信息參與矢量閉環(huán)控制。

圖17為全速域工況下有效磁鏈法位置估計(jì)結(jié)果與真實(shí)位置采樣結(jié)果的誤差實(shí)驗(yàn)波形。觀察圖17中轉(zhuǎn)子位置誤差波形可知，當(dāng)中高速區(qū)采用有效磁鏈法時(shí)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差的平均值在±8r/min范圍內(nèi)，基本滿足實(shí)際的工程需求。而當(dāng)轉(zhuǎn)速處于零低速區(qū)時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速偏低，電機(jī)端口反電動勢信號偏弱甚至消失，該轉(zhuǎn)速區(qū)有效磁鏈法的位置估計(jì)性能顯著下降。但是，本文中有效磁鏈法不用于電機(jī)的低速區(qū)控制，當(dāng)電機(jī)進(jìn)入低速區(qū)后，控制方法由有效磁鏈法切換至IF控制，因此電機(jī)依然保持正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖17 全速域PMSM轉(zhuǎn)子位置誤差實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的無位置傳感器復(fù)合控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)PMSM的全速域穩(wěn)定運(yùn)行，真正意義上實(shí)現(xiàn)了IF控制與高速區(qū)觀測器法相結(jié)合的全速域無位置傳感器控制，實(shí)現(xiàn)過程簡單可靠，工作時(shí)不產(chǎn)生附加的電磁噪聲，具有一定的參考價(jià)值。

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A Full-Speed Domain Sensorless Control Strategy for Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Improved IF Control and Effective Flux Method

（National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System Naval University of Engineering Wuhan 430033 China）

Permanent magnet synchronous motor, position sensorless control, improved IF control, effective flux method, full speed domain

TM351

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220542

國家自然科學(xué)基金面上基金資助項(xiàng)目（52177202）。

2022-04-07

2022-05-23

付康壯 男，1998年生，碩士研究生，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)無位置傳感器控制技術(shù)。

E-mail: ndfukzh@163.com

麥志勤 男，1992年生，博士，助理研究員，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)驅(qū)動及無位置傳感器控制技術(shù)。

E-mail: 827239136@qq.com（通信作者）

（編輯 崔文靜）