维普资讯 http://www.cqvip.com ELECTRIC DRIVE 2008 Vo1.38 No.1 电气传动 2008年 第38卷 第1期 基于信号注入的极低速PMSM 无速度传感器控制 吴姗姗,李永东 (清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084) 摘要:介绍了一种极低速段永磁同步电机无速度传感器矢量控制方法。该方法基于低频信号注入,通过 注入低频定子电流信号,利用产生的电压响应估计电机转速,不依赖于永磁同步电机的非理想特性,仅利用基 波模型就可实现转速估计。因此,该方法不仅适用于内埋式永磁同步电机,还适用于表面式永磁同步电机。 通过理论分析及大量的仿真实验证明,提出的低频信号注入方法可以很好地实现表面式永磁同步电机在极 低速甚至零速区的无速度传感器矢量控制。 关键词:低频信号注入;永磁同步电机;无速度传感器;矢量控制 中图分类号:TP273 文献标识码:A Speed Sensorless Control of PMSM at Very Low Speeds Based on Signal Injection WU Shan—shan.LI Yong—dong (Electrical Engineering Department,Tsinghua University,Beijing 100084,China) Abstract:A sensorless vector control method for permanent magnet synchronous motor(PMSM)drive at very low speed was presented.The proposed method is based on low—frequency signal injection,where a low frequency stator current signal is injected and the corresponding voltage response is detected tO estimate the ro tor speed.This method doesn t rely on the non—ideal features but j ust the fundamental model of PMSM.As a result,the introduced method can be applied tO not only interior magnet synchronous motors,but also tO sur— face mounted magnet synchronous motors.Theoretical analysis and various simulations prove the good per formances of the introduced method on speed sensorless contro1 of PMSM at very 1OW speed and even at zero speed. Key words:low—frequency signal injection;permanent magnet synchronous motor(PMSM);speed sensor 1ess:vector contro1 近年来,永磁同步电机(PMSM)的无速度传 性,如电磁凸极和饱和效应等。所以,这些方法适用 于具有转子凸极的内埋式永磁同步电机(IPMSM), 感器矢量控制成为研究热点。目前,PMSM无速 度传感器矢量控制在中高速段已获得良好的控制 性能,但在极低速段(<1 Hz)却仍未实现良好的 而对表面式永磁同步电机(SPMSM)的控制效果不 明显。 控制。这是因为PMSM无速度传感器矢量控制 需要利用反电势,而反电势在极低速时很小,受电 机参数变化影响较大,导致控制性能降低,无 法实现极低速以及零速的无速度传感器矢量 控制。 本文介绍了一种低频信号注入法 ],并搭建了 仿真模型,实现了极低速段及零速区的SPMSM无 速度传感器控制。该方法通过注入低频d轴定子 电流信号,利用产生的反电势响应估计电机转速, 仅利用PMSM的基波模型,不依赖于各种非理想 特性,所以适用于SPMSM控制。本文进行了大量 为了实现极低速段的PMSM无速度传感器控 制,研究人员提出了各种控制方法。其中研究较多 的是高频信号注入法,利用注入的高频定子电压信 号产生的电流响应来估计转子位置 ]。这些基于 高频信号注入的方法都利用了PMSM的非理想特 的仿真并对仿真结果进行了分析,不仅证明了该方 法的有效性,还提出了需要进一步研究的问题和 方向。 作者简介:吴姗姗(198O一),女,博士研究生,Email:wuss03@mails.tsinghua.edu.cn 19 维普资讯 http://www.cqvip.com 电气传动2008年第38卷第1期 吴姗姗,等:基于信号注入的极低速PMSM无速度传感器控制 1 PMSM数学模型 设定d—q坐标系的d轴与PMSM的磁场方 向一致,则PMSM在d—q坐标系下的数学模型为 由式(7)可得i叼引起的电磁转矩响应为 T (£)一娑 到谐波引起的转速响应为 (£)sine (8) 将式(8)代入式(7)并假定负载转矩恒定,得 嘲一 ] (1) (£’ (£)一 msine f (舢 (9) 根据式(5)和式(9),可得到注入信号引起的 式中:U ,U , ,i , , 。 分别为定子电压、定 子电流、定子磁链的d轴和q轴分量;R 为定子 电阻;cc, 为转子电角速度,P为微分算子。 定子磁链可表示为 自一IL _Jl —I 0L _ L三瑚Jl LI i+_Jl +I 0L _ …lJ (2) 式中:L ,L 分别为d轴及q轴电感; 为磁链。 由于SPMSM的d轴及q轴电感相等,式(2) 可简化为 ∞一[1 _J—l 儿 厂l~0 L嘲i+ 0 _ J ㈤ 将式(3)代入式(1)得: U 一R i3口+(£’ Li +(£’ lm (4) 将q轴反电势定义为 e口一一(£’ (5) 电磁转矩为 丁e一1.5p i (6) 式中,P为极对数。 系统运动方程为 r=TP(T一e丁I』L) J) (‘(7)7) , 式中:'厂为转动惯量;TL为负载转矩。 2低频信号注入法原理 在实际系统中,估计的转子位置与实际的转 子位置之间存在误差e。如果在估计的d 轴方向注 入一个低频定子电流信号i (£)一√2IcCOS(cc, £), 将会在实际的d轴及q轴上产生谐波分量i耐及 i 。。如图1所示。 图1 d-q轴坐标系及注入信号 Fig.1 d—g frame and injected signal 20 q轴反电势响应: 一 sin(o ̄t 该响应在估计的g 轴上的分量为 P (£)一ecqC08e (11) 假设误差角e足够小,可得: 一e sin(mot V厶J(u 由上述推导可以看出,如果控制e 为零,则 可以准确估计转子位置。而e 为零可以通过控 制e为零来实现。但由于无法直接得到误差e,需 要构造一个误差函数FE,使得当 一0时,s一0。 经过推导,得到: F£≈一e (13) 2√2'厂(£’ 由式(13),经过PI调节,可得到转速估计值: 一是 F£+忌i I F dt (14) 式中:忌。,忌。分别为比例、积分系数。 理论上,由式(14)即可得到转速估计值,但为 了提高系统的动态响应速度,将由式(4)得到转速 的稳态值 OA一巧Uqref -R ̄iqru 一 ef(15) 与由误差信号得到的转速估计值 叠加,得 到最终的转速估计值: (£’ 一(£’ +(£’ (16) 由此可得转子位置角为 一I(£’ dt (17) 图2为上述低频信号注入法的系统控制原理 框图。 上述分析表明,本文介绍的低频信号注入法 不依赖于转子凸极及PMSM的非理想特性,仅利 用了PMSM的基波模型。因此,从理论分析来 看,该方法适用于SPMSM的极低频控制。下面 的仿真结果也证明了这一结论。 维普资讯 http://www.cqvip.com 昊姗姗,等:基于信号注入的极低速PMSM无速度传感器控制 电气传动 2008年 第38卷 第1期 图2低频信号注入法系统控制原理框图 Fig.2 Block diagram of the control system with low frequency signal injection method 3仿真结果及分析 本文利用Mtlab/Simulink对提出的低频信 号注入法进行了仿真。仿真中所用的电机参数如 、 寺毒帮 , 辱毒 表1所示。 日 口.a蹬 表1仿真所用SPMSM参数 — Tab.1 Parameters of SPMSM used in simulation 参数 数值 直流母线电压、,d。/V 300 额定电流 /A 3.06 额定频率fN/Hz 125 额定转速n/r・min_1 3 750 额定转矩T/N・m 1.7 定子电阻r/a 4.765 d轴定子电感Ld/H 0.014 口轴定子电感L /H 0.014 转子永磁磁链 /Wb 0.184 8 转动惯量J/kg・m。 1.051×10—4 极对数P 根据仿真所用的电机参数,注入的低频d轴 定子电流信号的频率为62.5 Hz,幅值为0.5 A。 图3为SPMSM极低速满载运行时,突然由 正转变为反转的响应波形。虽然转速突变引起较 图3 SPMSM满载(1.7N・m)1.5 S时 转速方向突变响应波形 Fig.3 Fast speed reversal under full load at 1.5 S 大脉动,但系统能够较快达到稳态,且实际转速的 稳态误差很小。 图4、图5分别为极低速及零速下,SPMSM 的负载转矩由零突变为满载1.7 N・1TI的响应波 形。从图4、图5中可以看出,不管空载还是满 载,SPMSM都能稳定运行在极低速甚至零速区。 当负载突变时,虽然有较大波动,但系统能较快恢 复稳定,且实际转速的稳态误差很小。 寺毒榔妪 图4转速75 r/min下负载转矩 突变为满载的响应波形 Fig.4 Load torque step up at 75 r/min rotor speed 50o 衅 0 枷 诋 l一500 , 黾一1 00O 一1 500 衅 0 0.2 0A 0.6 0.8 l 1.2 1.4 1.6 l,8 2 t/s g Z 衅 榔 一 0 0.2 0.4 0.6 0.8 l 1.2 1.4 1.6 1.8 2 t/s 图5零速F负载转矩突变为满载的响应波形 Fig、5 Load torque step up at zero speed 图6为零速下,SPMSM的负载转矩由零突 变为一1.7 N・1TI的响应波形。从图6中可以看 出,不管负载如何变化,SPMSM都能稳定运行 在零速区。当负载突变时,虽然有较大波动,但 系统能较快恢复稳定,且实际转速的稳态误差 很小。 从上述仿真结果可以看出,本文的低频信号 注入法可以实现极低速段甚至零速区的SPMSM 无速度传感器矢量控制,并且稳态误差较小,稳态 性能较好。但也存在一些问题。从仿真结果中可 21 、 ●g_N、维普资讯 http://www.cqvip.com 电气传动2008年 第38卷 第1期 吴姗姗,等:基于信号注入的极低速PMSM无速度传感器控制 以看出,当转速或负载突变时,转速脉动较大,同 时系统的动态响应速度也稍显缓慢。因此,为了 提高系统的动态响应速度,减小脉动,需要进一步 研究将本文的低频信号注入法与更高级的观测器 相结合,以提高极低速段SPMSM的控制性能。 1 的转速及转矩脉动,需要继续深入研究。 参考文献 1 Consoli A,Scareella G,Testa Industry Application of Zero- speed Sensorless Control Techniques for PM Synchronous Motors.IEEE Trans.Ind.Applieat.,2001,37(2):513—521 2 Jang J H.Sul S K.Sensorless Drive of SMPM Motor by High Frequency Signal In]ection.in Proe.APEC,2002:279—285 _星 3 Sehroedl M.Sensorless Control of AC Machines at Low Speed 囊鼍一 and Standstil1 Based on the INFORM Method.in Conf.Ree. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1,4 1.6 1.8 2 IEEE-IAS Annu.Meeting,1996:27O一277 t/s 4 Corley M J,Lorenz R D.Rotor Position and Velocity Estima- 争 Z tion for a Permanent Magnet Synchronous Machine at Stand— 囊 辩 still and High Speeds.IEEE Trans.Ind、Applieat、,l 998,34 褥 (4):784—789 5 Harneforts L,Nee H P.A General Algorithm for Speed and Position Estimation of AC Motors IEEE Trans.Ind.Elec- 图6 零速下负载转矩突变为一1.7N・m的响应波形 tron,,2000,35(1):77—83 Fig.6 Generating load torque step up at zero speed 6 Linke M。Kenne1 R,Hohz J.Sensorless Position Contro1 of Permanent Magnet Synchronous Machines Without Limitation 4 结论 at Zero Speed.in Proe、IEC0N,2002:674~679 7 Parasiliti F,Petrella R,Tursini M.Sensorless Speed Contro1 本文介绍了一种基于低频信号注入法的极低 of Salient Rotor PM Synchronous Motor Based on High Fre— 速段永磁同步电机无速度传感器矢量控制方法。 quency Signal Injection and Kalman Filter.in Proe.ISIE, 经过理论分析及仿真验证,该方法不依赖永磁同 2002:623—628 8 Kereszty T,Leppanen V M,Luomi J.Sensorless Control of 步电机的非理想特性,仅由基波模型即可得到,因 Surface Magnet Synchronous Motors at Low Speeds Using 此不仅适用于内埋式永磁同步电机,还适用于不 Low-frequency Signal Injection.in Proe.IEC0N,2003:1 239 具有凸极的表面式永磁同步电机。与基于高频信 —1 243 号注入的方法相比,具有更广泛的适用性。但如 顿福百丽 丽百=丽 何加快其动态响应速度以及减小动态过程中较大 修改稿日期:2007-08—16 (上接第18页) 仿真结果与常规对称7段式SVPWM固定 用研究[J].电气传动,2006,36(4):13—17 开关频率控制方式相比较,本文所采用的方法更 5 Kang Jun—Koo,Sul Seung—Ki.New Direct Torque Control of Induction Motor for Minimum Torque Ripple and Constant 主动,不但减少了谐波,而且降低了开关损耗。在 Switching Frequency[J].IEEE Reansactions Industry Appli— 高速DSP广为应用的今天,它具有比常规DTC cations,1999,35(5):1 076—1 081 更好的应用前景。 6 孙丹,贺益康.基于恒定开关频率空间矢量调制的永磁同步 电机直接转矩控制[J].中国电机工程学报,2005,25(12): 参考文献 112—116 7 1 Zhong L,Rahman M F,Hu W Y,et a1.Analysis of Direct 张志强,夏立,马丰民.基于最小开关损耗RPWM逆变器的 Torque Control in Permanent Synchronous Motor Drives[J]. 仿真研究.电气传动,2006,36(4):41—43 IEEE Trans.on P.E.,1997,12(3):528—535 8 Depenbrock M.Direct Self-control(DSC)of Inverter-fed In- 2 冯江华,许睃峰.永磁同步电机直接转矩控制系统转矩调节 duction Machines[J].IEEE Trans.on Power Electronics, 新方法[J].中国电机工程学报,2006,26(13);151~157 1988,3(4):420—429 3 朱琰,余焱,姜建国.一种改进的直接转矩控制电压矢量调翩 方法[J],微特电机,2006,34(3):28—31 硬藕百丽 而 丽 4 贾洪平,贺益康.永磁同步电机直接转矩控制中零矢量的作 修改稿日期:2007-07—18 22