隐极式PM SM 无电流传感器调速控制系统研究
收稿日期:2010 02 01
基金项目: 高档数控机床与基础制造装备 科技重大专项(2009ZX04010 015)
韩 利,刘春燕,何震球
(北京和利时电机技术有限公司,北京 100192)
摘 要:隐极式永磁同步电机采用正弦波电流控制方案实现速度闭环控制时,一般采用直轴电流指令等于零的控制方法,通过控制交轴电流来实现对转矩和转速的控制,因此需要电流测量传感器,调理电路以及AD 转换器,增加了驱动控制系统的硬件成本。该文从隐极式永磁同步电机的数学模型出发,提出了直轴电压指令值等于零的新型控制策略,该控制策略可以实现隐极式永磁同步电机的速度环无电流传感器矢量控制,并在基于TM S320F2808D SP 的电机驱动控制系统中得到了实验验证和应用。使用结果表明,应用该控制策略的隐极式永磁同步电机速度环控制具有运行平稳,电流噪声小,系统实现成本低等优点。关键词:隐极式;永磁同步电机;无电流传感器;调速控制;矢量控制
中图分类号:TM 341;TM 51 文献标志码:A 文章编号:
1001 6848(2010)07 0036 04
Current Sensorless Speed Loop V ector Control of SurfacedM ounted P M SM
HAN L,i LIU Chun yan ,HE Zheng qiu
(Beijing H oll y s y s E lectrical Technology C o .,L t d .B eijing 100192,Ch i n a)
Abst ract :The trad itional speed loop vector contro l o f surfaced m ounted P MSM is based on zero d ax ia cur rent reference and q ax ia current for torque and speed regu l a ti o n .The m ethod needs hardware cost of current sensors and re l a ted cond ition i n g c ircu its and ADC .I n this paper ,a novel control strategy w ith zero d ax is vo ltage reference w as proposed based on the m athe m atic mode l of surfaced m oun ted P M S M.The ne w l y intro duced algorithm can i m ple m ent speed loop vector contro l of P M S M w it h out current sensor any m ore .The al gorith m has been verified on a P M S M contro l platfor m based on T M S320F2808DSP .The experi m en tal and app lication resu lts sho w that the proposed strategy has the advantages o fm o tor r unni n g quietly w ith l o w no i s e and lo w cos.t K ey W ords :Surfaced m oun ted ;P M SM;Current senso rless ;Speed l o op ;V ector contr o l
0 引 言
随着稀土永磁材料、电力电子技术以及电机控制理论等的快速发展,永磁同步电机(P MSM )以其高转矩/惯性比、高功率密度、高效率、牢固性和维修性好等优点,在纺织、化纤、数控机床、工业机器人以及航空航天等领域得到日益广泛的应用
[1]
。
根据永磁同步电机的结构不同,永磁同步电机分为凸极式和隐极式两种。在工业应用场合,大部分的永磁同步电机为隐极式电机。当采用正弦波电流控制方案实现速度控制时,其控制策略一般采用直轴电流指令等于零的控制方法,通过控制交轴电流来实现对转矩和转速的控制。这种控制方法首先用速度调节控制器得到交轴电流指令,交直轴电流再通过电流调节控制器实现电流闭环
[2 3]
。总之,这
种控制策略一定是需要电机电流测量反馈,也即需
要相应的电流传感器,调理电路以及AD 转换器,并因此增加了驱动控制系统的硬件成本。
本文从隐极式永磁同步电机的数学模型出发,提出了一种新型的基于直轴电压指令值等于零的控制策略。该控制策略可以实现隐极式永磁同步电机的速度环无电流传感器矢量控制。该控制策略已在基于TM S320F2808的32位DSP 电机驱动控制系统中得到了验证和应用。使用结果表明,应用该控制策略的隐极式永磁同步电机速度环控制具有运行平稳,电流噪声小,系统实现成本低等优点。
1 隐极式P M S M 数学模型
假设电动机是线性的,参数不随温度等变化,忽略磁滞、涡流损耗,转子无阻尼绕组,则基于转子磁场定向坐标系(d -q 轴)中,永磁同步电动机的数学模型为
[1]
:
36
电压方程:u d=R i d+d
d t
d- q(1)
u q=R i q+d
d t
q+ d(2)
转矩方程:
T em=3
2
P m( d i q- q i d)=
3
2
p m( m i q-(L q-L d)i d i q)
式中, d, q分别为定子d-q轴磁链分量;i d,i q 为定子d-q轴电流分量;L d,L q分别为d-q轴电感, m为永磁体磁链;u d,u q为定子d-q轴电压分量;R为电机定子电阻; 为电机转子转速;p m 为电机极对数。
对于隐极式永磁同步电机,L d=L q=L,磁链方程和转矩方程分别简化为:
磁链方程: d=Li d+ m
q=L i q
(3)
转矩方程: T em=3
2
p m m i q(4)
2 直轴电压指令值为零的控制策略研究
在永磁同步电机正弦稳态运行时,在静止坐标系上,三相绕组电流可以表示为:
i a=A si n( t)
i b=A sin( t-2
3 )
i c=A si n( t+2
3
)
(5)
其中,A为电流幅值。
C larke坐标变换将静止坐标系上三相绕组电流坐标变换到两相坐标系 - 上:
i
i
=
10
1
3
2
3
i a
i b
(6)
Park
坐标变换将两相静止坐标系上绕组电流变
换到d-q同步坐标系上:
i d
i q
=
cos si n
-si n cos
i
i
(7)
其中, 为永磁转子磁场位置,且 =
d
d t
。
由式(5)~式(7)运算化简可得:
i d=
3
2
A si n( t- )
因此,在永磁同步电机在三相电流正弦稳态工作时:
d
d t
i d=
3
2
A cos( t- )
d
d t
( t- )=0
本文提出对隐极式永磁同步电机采用直轴电压指
令值为零(u*d=0)的控制策略。当电机由电压源逆变
器(VSI)来驱动时,忽略VSI的管压降和死区的影响,
可近似认为:u d=u*d=0。则由式(1)和式(3)可得:
u d=R i d+
d
d t
(L i d+ m)- Li q=0
即:R i d+L
d
d t
i d= L i q
在正弦稳态时,有
d
d t
i d=0,因此,
i q=
R
L
i d(8)
或i d=
R
L
i q(9)
由式(9)可以看出,当永磁电机转速 升高时,
d轴电流i d将下降,由于 值本身数值较大,可以
近似认为当电机转速较高时,d轴电流i d趋于零,
与常规的d轴电流指令值等于零(i*d=0)的控制策略
基本接近。
将式(9)带入式(2),化简得:
u q=L
d
d t
i q+R+
L2 2
R
i q+ m(10)
表达为以i q为状态变量的状态空间方程:
d
d t
i q=-
R2+L2 2
RL
i q+
1
L
(u q- m)(11)
其中, m为永磁同步电机的动生反电动势,对状
态变量i q的控制输入u q而言,是一个扰动项。因
此,由上式可以看出,可以通过控制q轴电压分量
u q来实现对q轴电流i q的控制,进一步由转矩公式
T em=
3
2
P m m i q可知,可以通过控制q轴电压分量u q
来实现对电磁转矩的间接控制。可见,这种控制策
略可以避开电流环控制,从而实现低成本的无电流
传感器控制。同时,由于没有电流闭环控制,只通
过电压矢量直接控制电机的转矩和转速,电流的谐
波含量将明显减少,电机运行噪声显著下降。
当然,这种无电流传感器控制策略也是有代价
或缺点的,由式(9)可知,在低速时i d 0,即定子
电流存在额外的励磁电流分量,却对电磁转矩没有
贡献,因此长期在低速运行时,功率因数比较低,
永磁电机可能存在发热问题。但在很多工业应用场
合,永磁同步电机主要运行在较高速度范围内,这
个问题完全可以回避。另外,由于没有电流闭环控
制,系统的动态性能也相对较弱。
37
3 无电流传感器调速控制系统实现
如图1所示,为实现无电流传感器的隐极式永磁同步电机速度环矢量控制系统。系统通过安装在
电机轴端的码盘得到转子机械位置 m ,由M /T 法计算出电机机械转速 m 。当设定的目标转速为 *
m 时,则通过PI D 调节器得到q 轴电压分量命令值u c m d q
。
图1 隐极式永磁同步电机无电流传感器速度环矢量控制系统
由式(10)可知,永磁同步电机在启动之初,速度没有建立起来,动生电动势 m 为0,另外,d 轴电流i d 也没有建立,感生电动势L
d
d t
i q 也为0,q 轴电压分量将全部加在电阻R 上,所以启动时导致冲击电流很大,很容易造成功率器件过流损坏或保护。为避免这种情况的发生,q 轴电压分量命令值u c md
q 将通过一个低通滤波器LPF 的处理再得到q 轴电压分量指令值u *q
。
采用本文所提出的控制策略:u *d
=0,将u *d
和u *q
通过如下的PARK 逆变换得到静止坐标系上的电压矢量u *
和u *
。其中: =P m m 。
u
*
u *
=
cos -
sin si n
cos
u *d u *
q
电压源逆变器(VSI)由电压为u dc 的直流母线供电。电压矢量u * 和u *
通过SVP WM 空间电压矢量脉宽调制算法生成VSI 所需的功率器件脉宽信号[4]
,
驱动隐极式永磁同步电机按设定速度闭环工作。
4 实验结果与讨论
实验用的隐极式永磁同步电机的各项参数为:额定输出功率200W,额定转速3000r /m i n ,额定转矩0 637Nm,电势系数0 411V s/rad ,转矩系数0 411Nm /A,转子惯量0 167 10-4
kg m 2
,,电枢绕
组(线间)电阻15 42 ,电枢绕组(线间)电感
30 08mH 。阻尼系数4 831 10
-5
Nm s/rad 。
无电流传感器速度环矢量控制系统采用32位DSP T M S320F2808来实现,使用C 语言编程实现全部控制算法。系统采样频率为10k H z 。电机速度通过2500线码盘实现位置与速度的反馈测量,为研究算法方便,通过霍尔传感器ACS712对电机电流进行同步跟踪记录。4 1 实验结果
图2为电机目标转速为1500r /m in 时的空载动态速度响应实验结果,图3为电机启动时的定子电压和电流的暂态变化过程。可以看出,电机速度响应过程很好地满足了速度缓慢改变的要求;低通滤波器LPF 实现了对速度环PI D 控制输出的平滑作用,从而使电机电流实现软启动的控制效果。
在电机运行转速到达1500r/m i n 并进入稳态阶段的电机电压和电流结果如图4所示。可见静止坐标系上的电压指令值u *
和u *
在稳态时的正弦性非
常好。图中的q 轴电压分量命令值u c md q 和指令值u *
q 的细微区别来自于LPF 定点计算时存在的细微计算误差,可以忽略不计。4 2 实验结果讨论
从实验结果可以看出,在电机转速上升后,电机的d 轴电流基本为0,这时主要依靠q 轴电压矢量加到电机上产生q 轴电流来提供电磁转矩,与理论分析结果保持一致。
在系统速度环控制实现过程中,由于没有电流传感器,因此可以实现低成本的速度环控制。另外,由于电机电压驱动采用空间电压矢量脉宽调制SVP WM 算法,因此可以在功率器件驱动中使用电荷泵供电方案,进一步降低了系统的硬件设计成本。
由于没有电流传感器闭环反馈,电机的电流控制为开环控制,在实验和实际使用中,电机主要表现出机械摩擦噪声,几乎听不到电流闭环控制中经常存在的电流谐波噪声。这一点也可以从图4中所示的电压电流波形可以看出来。因此,本文的控制
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5 结 语
基于对隐极式永磁同步电机的数学模型的分析,
提出了一种新型的基于直轴电压指令值等于零的控
制策略。该控制算法可以实现无电流传感器的永磁
同步电机速度环矢量控制,从而有效地降低系统硬
件成本。应用该控制策略的永磁同步电机速度环控
制具有运行平稳和低噪声的优点,并在基于
TM S320F2808的32位DSP电机驱动控制系统中得到
了验证和应用。
参考文献
[1] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版
社,2002.
[2] 比马尔K.博斯.现代电力电子学与交流传动[M].英文影印
版.北京:机械工业出版社,2003.
[3] Novot ny D W,Lipo T A.Vector contro l and dynam ics ofAC dri ves
[M].Oxford:C l arendon p ress,1996.
[4] 韩利,温旭辉,陈桂兰.交流感应电机矢量控制系统的全离散
混合式仿真研究[J].系统仿真学报,2007,19(7):
16 1650.
作者简介:韩 利(1974-),男,博士,主要研究方向为交流
伺服电机驱动控制。
刘春燕(1962-),女,硕士、副教授,主要研究方向为电力
电子。
何震球(1969-),本科,高级工程师,主要研究方向为数控、
伺服和运动控制技术的行业应用。
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