摘　要:介紹了一種基于電機(jī)空間凸極追蹤的轉(zhuǎn)子位置無(wú)傳感器自檢測(cè)的方法。該方法采用高頻電壓載波注入法，通過采用外差法的轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測(cè)器完成了轉(zhuǎn)子位置信息的提取,實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)械位置傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)。并通過仿真證明了這種方法的可行性。 　 自20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，交流伺服控制技術(shù)的發(fā)展得以極大的邁進(jìn)，使得先前困擾著交流伺服系統(tǒng)的電機(jī)控制復(fù)雜、調(diào)速性能差等問題取得了突破性的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)的性能日漸提高，價(jià)格趨于合理，使得交流伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)尤其是在高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域成了現(xiàn)代電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。滿足高性能系統(tǒng)的技術(shù)要求.以永磁同步電機(jī)電力傳動(dòng)系統(tǒng)為例,為了實(shí)現(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能的速度和位置控制,一般應(yīng)采用磁場(chǎng)定向矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制.但是無(wú)論采取哪種控制方案,都需要測(cè)量轉(zhuǎn)子的速度和位置,一般是通過機(jī)械式傳感器(編碼器、解算器和測(cè)速發(fā)電機(jī))來(lái)實(shí)現(xiàn).但是,這類傳感器有安裝、電纜連接、故障等問題,并影響系統(tǒng)的可靠性和限制系統(tǒng)的使用范圍,不符合集成應(yīng)用系統(tǒng)的要求。 為了解決機(jī)械傳感器給調(diào)速系統(tǒng)帶來(lái)的各種缺陷,許多學(xué)者開展了無(wú)機(jī)械傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)的研究.無(wú)機(jī)械傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)是指利用電機(jī)繞組中的有關(guān)電信號(hào),通過適當(dāng)?shù)姆椒ü烙?jì)出轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè).曾有很多文章提出了各種轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測(cè)方法,其中大多數(shù)都是通過檢測(cè)基波反電勢(shì)來(lái)獲得轉(zhuǎn)子的位置信息.這種基于基波激勵(lì)的方法實(shí)施雖然簡(jiǎn)單,但在零速或低速時(shí)因反電勢(shì)過小而根本無(wú)法檢測(cè),因此只適用于高轉(zhuǎn)速運(yùn)行.另外,由于這些方法要利用基波電壓和電流信號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置和速度,它們對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化很敏感,魯棒性差。 為了包括在零速在內(nèi)的任何速度下都能夠獲得精確的轉(zhuǎn)子位置信息,一些文獻(xiàn)提出了一種新的轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)方法,即轉(zhuǎn)子凸極追蹤法.這種方法要求電機(jī)具有一定程度的凸極性,而且需要有持續(xù)高頻激勵(lì),從而可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)全速度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè).由于這種方法追蹤的是電機(jī)轉(zhuǎn)子的空間凸極效應(yīng),因此對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化不敏感,魯棒性好.可以看出,這種轉(zhuǎn)子位置無(wú)傳感器自檢測(cè)方法學(xué)術(shù)思想新穎,其研究具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。 本文基于轉(zhuǎn)子凸極追蹤思想,介紹了采用高頻電壓載波注入法對(duì)內(nèi)插式永磁IPM同步電機(jī)轉(zhuǎn)子凸極位置實(shí)現(xiàn)跟蹤的原理,詳細(xì)討論了SPWM電壓勵(lì)磁條件下轉(zhuǎn)子自檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)技術(shù),利用Mat-lab建立了凸極效應(yīng)自檢測(cè)過程的仿真模型,給出了高、低速運(yùn)行下轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)結(jié)果。 1 基于電機(jī)空間凸極的追蹤轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)原理 除了面貼式外,一般永磁同步電機(jī)均會(huì)呈現(xiàn)出一定凸極性,從而為通過注入高頻載波信號(hào)來(lái)跟蹤轉(zhuǎn)子凸極提供可能. 高頻載波信號(hào)注入法可分為電流注入法和電壓注入法,其中電壓注入法實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單.設(shè)注入的三相平衡電壓用一個(gè)以載波信號(hào)頻率旋轉(zhuǎn)的載波電壓矢量來(lái)表示 式中： 為靜止d-q坐標(biāo)系中注入的高頻載波電壓，為載波電壓矢量的幅值。 在SPWM電壓源型逆變器供電的拖動(dòng)系統(tǒng)中，可以通過逆變器將高頻載波信號(hào)直接加在電機(jī)的基波勵(lì)磁上，如圖1所示。此時(shí)，電機(jī)的端電壓為 式中：為基波電壓矢量的幅值。 圖1 電流型PWM電壓源逆變器高頻信號(hào)注入法原理圖 高頻載波信號(hào)的頻率一般取1kHZ左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基波頻率，因此在載波電壓信號(hào)勵(lì)磁時(shí)，電機(jī)的阻抗主要取決于電機(jī)的自感 ，此時(shí)電機(jī)的模型可以簡(jiǎn)化為 如果電機(jī)在每一個(gè)極距范圍內(nèi)只呈現(xiàn)出一個(gè)空間凸極，那么在以基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系中，電機(jī)定子電感可以表示為 在靜止d-q坐標(biāo)系中，上式可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為 式中：為定子平均電感，為定子微分電感，為以電角度表示的凸極位置。 載波電壓矢量作用在有凸極效應(yīng)的電機(jī)中，產(chǎn)生出的載波電流矢量包含有正相序和負(fù)相序兩個(gè)分量，即 式中載波電流正、負(fù)相序分量的幅值分別為： 其中，正相序分量不包含位置信息，其幅值與平均電感成正比；負(fù)相序分量包含位置信息，其幅值與微分電感成正比。 為了提取載波電流負(fù)相序分量相角中包含的凸極位置信息，必須濾除基波電流和載波電流的正相序分量?；娏髋c載波電流頻率相差較大，可簡(jiǎn)單地采用帶通濾波器濾除。載波電流的正相序分量與負(fù)相序分量的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此可以先將載波信號(hào)電流轉(zhuǎn)換到與載波信號(hào)電壓同步旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系中，使載波電流的正相序分量呈現(xiàn)成直流，再利用高通濾波器將其濾除。這種同步高通濾波器的框圖如下圖所示： 圖2 同步高通濾波器 在濾除定子電流的基波分量和正相序載波電流分量后，可利用轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子空間位置的自檢測(cè)。跟蹤觀測(cè)器采用外差法，通過單位幅值載波電路負(fù)相序分量與實(shí)際載波電流負(fù)相序分量的矢量叉乘獲得轉(zhuǎn)子位置誤差信號(hào)。即 圖3 采用外差過程的轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測(cè)器 由于負(fù)相序載波電流分量的估計(jì)值采用了單位幅值表達(dá)，估計(jì)值對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化不敏感。 2 內(nèi)插式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè) 為了驗(yàn)證基于空間凸極追蹤的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)原理的正確性和可行性，筆者對(duì)一臺(tái)內(nèi)插式永磁同步電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)過程仿真，采用電流矢量控制實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制，額定運(yùn)行頻率為200HZ，注入高頻載波信號(hào)頻率為1400HZ，供電用SPWM電壓源型逆變器，開關(guān)頻率為14kHZ。仿真中所用電機(jī)參數(shù)如下： 額定電壓 220V 額定電流 2A 額定功率 400W 額定轉(zhuǎn)速 6000r/m in 額定轉(zhuǎn)矩 0.64N?m 定子每相電阻 1.51Ω 極對(duì)數(shù) 2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0.244×10-3kg.m2 由于所選的永磁同步電機(jī)的基波電壓額定頻率為200HZ，注入電壓信號(hào)頻率取為1500HZ,其幅值取為基波幅值的1/10,以避免對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響，PWM逆變器采用SPWM調(diào)制，且載波頻率為20KHZ，圖5所示是電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速（6000r/min）下運(yùn)行時(shí)提取的高頻電流矢量的空間軌跡。由于轉(zhuǎn)子的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置角成為時(shí)間的函數(shù)，此時(shí)的空間軌跡并非是一般的封閉橢圓，但同樣表明了依賴于轉(zhuǎn)子位置的凸極存在。 圖4 靜止坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子不同位置上載波電流矢量軌跡 當(dāng)轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，靜止d－q坐標(biāo)系中載波電流矢量軌跡如圖5所示。由于轉(zhuǎn)子一直在轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)載波電流周期的載波電流矢量不能形成一個(gè)閉合橢圓，但每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，載波電流矢量的軌跡仍將閉合，且橢圓轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向一致。 圖5 靜止坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)載波電流矢量軌跡 由上面的原理分析中我們可知載波矢量負(fù)相序分量是一個(gè)長(zhǎng)度固定，其角位置包含凸極位置信息。故利用轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測(cè)器對(duì)載波電流矢量的負(fù)相序分量進(jìn)行適當(dāng)處理，就可以獲得轉(zhuǎn)子的空間位置。 為了考核包括接近零轉(zhuǎn)速在內(nèi)的全速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的有效性，選擇轉(zhuǎn)速60和6000r/min進(jìn)行仿真。當(dāng)轉(zhuǎn)速在60r/min時(shí)，估算與實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)子位置曲線如圖6所示，轉(zhuǎn)子估算值與實(shí)測(cè)值之差幾乎為零；而在6000r/min時(shí)的轉(zhuǎn)子實(shí)際位置和估算位置的情況也與60r/min時(shí)差不多。由上可以看出，無(wú)論運(yùn)行在低速還是高速，這種自檢測(cè)方法都能夠很好地跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置，獲得很好的跟蹤精度。 圖6 轉(zhuǎn)子位置的測(cè)量值與估算值（60r/min） 圖7 轉(zhuǎn)子位置的測(cè)量值與估算值（6000r/min） 3 結(jié)論 本文介紹了一種基于電機(jī)空間凸極這一基本現(xiàn)象的轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)方法高頻注入法的永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器控制技術(shù)，高頻信號(hào)注入法的出現(xiàn)使電機(jī)在低速和高速時(shí)的轉(zhuǎn)子位置都可以一目了然，擺脫了傳統(tǒng)的基波信息檢測(cè)、辨識(shí)的處理方式；但它的美中不足就是只有對(duì)凸極較高的電機(jī)才能過起到不受電機(jī)參數(shù)的變化和魯棒性等的影響，準(zhǔn)確跟蹤到轉(zhuǎn)子位置；但這種方法將位置傳感器由電機(jī)內(nèi)部無(wú)傳感器調(diào)速系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以滿足高精度的電機(jī)系統(tǒng)對(duì)速度控制和位置控制的高要求，有一定的市場(chǎng)前景。