田素立;赵瑞杰;李朝锋;邢珊珊
【摘 要】The research status quo of sensor-less control scheme of permanent magnet synchronous motor is analyzed.A motor soft phase-locked loop estimation method is mentioned.In the two-phase stationary system,the mathematical model of PMSM is established to obtain the motor angle and speed information.Through the integration of back EMF information,high-pass filtering and normalized processing,the motor angle sine and cosine information are obtained.The software PLL and its key parameters are designed to get the angle and synchronous speed of PMSM.Simulation analysis and experimental results show that the soft PLL of permanent magnet synchronous motor can accurately obtain the motor angle and speed information.And the vector control system is stable and has a good dynamic characteristics based on the method.%分析了永磁同步电机无传感器控制的研究现状,设计一种电机角度软锁相环估算方法.在两相静止坐标系下建立永磁同步电机数学模型,获得包含电机角度和转速信息.通过对反电动势信息的积分、高通滤波及归一化处 全息设备理,获得仅包含电机角度正余弦信息.借角度观测器理论,设计了软锁相环并确定了其关键参数,最终获得永磁同步电机电角度及同步转速.仿真分析及试验结果表明,此永磁同步电机角度软锁相环能够准确获得电机角度和转速信息,基于此方法的矢量控制系统稳定且动态特性好.
【期刊名称】《电力系统保护与控制》
【年(卷),期】2017(045)018
电力线网络摄像机
智能电力电容器【总页数】6页(P108-113)
【关键词】永磁同步电机;无位置传感器;转子角度;软锁相环;角度观测器
【作 者】田素立;赵瑞杰;李朝锋;邢珊珊
【作者单位】许继集团有限公司,许昌许继风电科技有限公司,河南许昌461000;许继集团有限公司,许昌许继风电科技有限公司,河南许昌461000;许继集团有限公司,许昌许继风电科技有限公司,河南许昌461000;许继集团有限公司,许昌许继风电科技有限公司,河南许昌461000
【正文语种】带馅面条中 文
PMSM无位置速度传感器控制一般有3种实现方案：1)基于电机理想模型的开环计算方法；2)基于各种观测模型的闭环算法；3)通过叠加激励信号基于电机非理想特性算法。
基于电机理想模型的开环计算方案优点在于实现简单，但鲁棒性差，已经不再是研究热点。基于各种观测模型的闭环算法，因其鲁棒性高且计算准确而成为研究热点。文献[1]提出了一种基于自适应陷波滤波器的内置式永磁电机转子位置观测方法；文献[2]提出了一种基于中心差分滤波算法的非线性系统角度识别方法；文献[3-4]提出基于分数阶、双滑模模型参考自适应系统的PMSM无位置传感器控制策略。基于电机非理想模型的叠加激励信号算法提高了系统在低转速条件下锁相精度[5-6]。
软锁相环具有锁相准确和鲁棒性好的特点，在电机角度计算中得到广泛应用。文献[7]提出了一种基于有效磁链模型的锁相环的转子位置识别方法；文献[8]提出了一种基于正弦型软开关滑膜观测器的锁相环转子位置识别方法；文献[9]提出了一种具有电机电阻和电感参数辨识功能滑膜观测器的锁相环转子位置识别策略。所提及锁相环输入多为广义反电动势分量，计算复杂且转速和角度耦合；对于锁相环及关键参数设计不够明确。
轴流风机启动在充分借鉴以上文献结论基础上，提出一种电机角度软锁相环估算方法。即依据Clark坐标变换，在两相静止坐标系下建立PMSM数学模型，获得包含电机角度和转速的反电动势信息。通过对反电动势信息的积分、高通滤波及归一化处理，获得仅包含电机角度正余弦信息。借助角度观测器理论，设计了软锁相环并确定了其关键参数，最终获得PMSM电角度及同步转速。仿真分析结果以及试验结果表明，此PMSM角度软锁相环能够准确获得电机角度和转速信息，基于此方法的矢量控制系统稳定且动态特性好。
永磁同步电机磁场定量矢量控制由转速外环和转矩(电流)内环构成，其核心是在转子磁场旋转坐标系中针对励磁电流和转矩电流分别控制。PMSM无传感器矢量控制原理图如图1所示。
坐标变换中使用的电角度q¢以及转速外环角速度反馈值w¢均由无传感器角度、转速估算单元获得。本文采用实现方案为：使用包含角度信息的PMSM数学模型，使用角度观测器结合软锁相环估算方法进行锁相，得到PMSM角度和转速信息。
PMSM采用三相交流供电，具有多变量、强耦合及非线性的特点，控制复杂。为简化控制，在保证输出磁链等效的前提下，引入坐标变换思想，将PMSM简化为直流电机进行控
制。依据Clark坐标变换，坐标系下的PMSM电压方程为
式中：分别表示定子等效电压和电流在轴的分量；Rs为定子相电阻；为轴上的等效磁链分量(式(2))。
式中：Lm为励磁电感；al和bl分别为永磁体磁链在轴上的分量。
式(2)代入式(1)，有式中：为电机同步转速；为永磁体磁链与轴夹角，即电机电角度。
式(3)包含了 PMSM 同步转速及电角度信息。对于 PMSM，Rs和 Lm是已知信息，均可以通过电压及电流传感器测量后再经过计算获得，也可以使用图1所示的控制器输出控制量。因此PMSM的同步转速及电角度信息可以通过式(3)获取。
软锁相环一般由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器三部分组成，结构框图如图2所示。
其基本工作原理为：鉴相器用于比较参考相角和锁相环输出相角信号的误差，经过环路滤波器和压控振荡器的调节作用使得两者的相位差尽可能地小。当时，锁相环输出相位便是参考相位，即
通过对式(3)积分，有
通常情况下，因数据采集造成的零漂问题，积分后会出现比较大的影响，因此需要对积分后的值进行高通滤波处理，滤波器截止频率尽量低，以保证低转速情况下转速信息的提取。
对式(4)三角函数归一化有
式(5)中磁链 可以通过求得。因此可以得到两相静止坐标系下，由PMSM电压方程获得电机电角度信息的原理图如图1所示。
结合角度观测器的基本理论及三角函数变换公式，可得
当q¢®q时相位锁定，有q¢=q。应用到PMSM电角度跟踪上，得到改进后[10]的软锁相环控制流程图如图4所示。
如图4所示，在已知角度正余弦值的情况下，可以得到PMSM角速度及电角度信息。在估算电角度和实际电角度相差很小的情况下，简化后的改进型SPLL控制流程图如图5所示。
PMSM无传感器矢量控制坐标变换中使用的电角度为锁相环估算电角度，锁相环输出转速估算值除以电机极对数作为电机实际转速值。
简化后的SPLL闭环传递函数为
典型二阶系统传递函数
式中：ωn为闭环系统圆频率；ξ为阻尼系数。对比标准二阶系统传递函数，确定SPLL中PI调节器参数选择
由式(9)可知，通过合理的kp和ki参数的选取能够获得SPLL理想的动态响应及稳态效果。
系统采样及控制周期125 ms，电机额定转速1800 rpm时。为了使锁相快速、稳定，软锁相环系统无阻尼振荡圆频率取ωn=1000 rad/s。锁相环系统不振荡[11-12]，取阻尼系数取 ξ=1。代入式(9)得到软锁相环PI调节器参数kp =2000，ki =10 000。
使用Matlab软件Simulink进行仿真模型搭建以及仿真分析。仿真分析分开环分析和闭环分析两部分。
开环分析是指使用位置传感器(旋转变压器或者编码器)计算所得转速、角度信号(认为实际值)进行矢量控制，软锁相环角度、转速估算值与之对比。观察软锁相环估算方法所得转速、角度与实际转速、角度是否一致，即验证锁相结果的准确性。
将位置传感器计算所得的转速、角度投入到图1所示的矢量控制模型中，观察锁相环输出稳定性及动态特性。选择额定转速为1800 rpm(极对数 3)的PMSM作为控制对象，设计合适的转速及电流环控制器参数及负载扭矩，在给定转速为0→1800 rpm时，记录传感器计算所得转速、角度信号及软锁相环估算转速、角度信号曲线如图6所示。
由图6可知，软锁相环估算所得PMSM转速、角度与实际值误差很小，转速、角度输出稳定且动态特性很好。
闭环分析是指使用锁相环估算转速、角度值进行矢量控制，传感器计算所得转速、角度信号作为实际值与之对比。观察锁相环所得信号参与矢量控制的动态效果。
将图3、图4所示的软锁相环估算角度、转速模块代入到图1所示的PMSM无传感器矢量控制模型中，观察控制系统稳定性及动态特性。与开环分析时采用相同的系统参数时，在给
定转速为 0→1800 rpm，记录传感器计算所得转速、角度信号及软锁相环估算转速、角度信号曲线如图7所示。
卤钨灯光谱给定转速为 0→1800 rpm→900 rpm→1800 rpm→900 rpm，记录传感器计算所得转速信号及软锁相环估算转速信号曲线如图8所示。
由图7、图8可知，软锁相环估算所得PMSM转速、角度在参与闭环矢量控制时，系统稳定且动态特性很好。
搭建实验平台，使用额定转速为1800 rpm、极对数3的永磁同步电机作为拖动对象。使用TI公司TMS320F28335的浮点DSP作为主控制芯片的伺服驱动器对PMSM进行软锁相环估算的矢量控制实验。
将软锁相环估算所得角度、转速信息用于PMSM矢量控制实验，给定转速为0→1800 rpm时，上位机软件录波方式记录软锁相环估算转速(rpm)如图9所示。
编程实现给定转速为1600 rpm→780 rpm→1500 rpm，考察系统工作动态特性。上位机软件录波方式记录软锁相环估算转速(rpm)曲线如图10所示。
由图9和图10可知，软锁相环估算所得转速进行闭环矢量控制时，系统稳定且动态特性很好，与仿真结果一致。
给定转速为1000 rpm时，上位机软件录波方式记录软锁相环估算电角度如图11所示。
图中相位超前为实际值，相位滞后为估算值。软锁相环估算所得电角度与实际电角度误差很小，相位稍微滞后一些，符合软锁相环预定设计。
永磁同步电机角度软锁相环估算方法研究，通过以下方案实现：
1)通过对控制对象在两相静止坐标系下建模，获得包含角度信息的PMSM数学模型。
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