摘 要：針對傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制運用在低速區(qū)時存在的給定電流不可控、電機運行效率低、易失步的問題，提出一種新型的無位置傳感器I/F控制方法。該方法將改進算法的高頻脈振電壓注入法運用在傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制中，對采樣得到的三相電流進行信號處理以獲取所需的軸系夾角信息，經(jīng)由PI控制器對給定電流的幅值進行閉環(huán)調(diào)節(jié)，同時對給定電流的電角速度進行閉環(huán)補償。實驗結(jié)果表明，在該方法下表貼式永磁同步電機可根據(jù)負(fù)載變化對給定電流幅值和電角速度進行動態(tài)調(diào)節(jié)，使其運行在最大轉(zhuǎn)矩電流比狀態(tài)，且具有漸進穩(wěn)定性，提高了電流利用率，增強了電機抗負(fù)載擾動能力。

　　關(guān)鍵詞：表貼式永磁同步電機;無位置傳感器控制;高頻注入法;I/F控制;最大轉(zhuǎn)矩電流比

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　　0 引 言

　　永磁同步電機(permanent magnet synchronous motor，PMSM)具有功率密度大、功率因數(shù)高、調(diào)速范圍寬、動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點，在電動汽車、大容量艦船電力推進系統(tǒng)等高性能交流傳動領(lǐng)域中有著巨大的應(yīng)用前景[1-2]。為了實現(xiàn)高性能的PMSM矢量控制，多采用機械式位置傳感器獲取實時準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息，這也帶來了成本過高、安裝困難、可靠性低等缺陷[3]。因此研究低成本、高可靠性的PMSM無位置傳感器控制方法具有重要的意義。

　　PMSM無位置傳感器控制方法按照其適用的轉(zhuǎn)速范圍不同，可分為低速運行控制方法和中高速運行控制方法。其中中高速運行控制方法是通過電機旋轉(zhuǎn)反電動勢獲取轉(zhuǎn)子位置信息，主要有模型參考自適應(yīng)法[4]、擴展卡爾曼濾波器法[5]、滑模觀測器法[6-7]等。

　　低速運行的控制方法大多是利用電機的凸極特性獲取轉(zhuǎn)子位置信息，有高頻旋轉(zhuǎn)注入法[8]、高頻脈振注入(pulsating high frequency voltage injection，PHFVI)法[9]、高頻方波注入法[10]等。文獻(xiàn)[8]注入的為雙向高頻旋轉(zhuǎn)信號，減小了定子電阻的影響，提高了位置估計準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)[9]將高頻脈振信號注入到兩相靜止坐標(biāo)系中，提高了估計系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但也存在依賴電機參數(shù)的問題。文獻(xiàn)[10]將注入高頻方波信號的頻率提高到開關(guān)頻率的一半，去除了傳統(tǒng)方波信號注入法中濾波器的使用，減少了時間延遲，但為了高信噪比提高的注入電壓幅值限制了基波控制的電壓利用率。

　　然而，在低速范圍內(nèi)普遍采用的高頻注入法都需要對反饋電流處理得到位置誤差角信息，再通過轉(zhuǎn)子位置觀測器估算出轉(zhuǎn)子位置角，算法較復(fù)雜。因此，有學(xué)者在低速區(qū)采用了開環(huán)的I/F控制方法，該方法不依賴于電機參數(shù)，算法簡單，電機啟動過程中無過沖電流。通過將低速區(qū)的I/F控制方法和中高速區(qū)的觀測器類無位置傳感器控制方法進行復(fù)合，實現(xiàn)了全速度范圍內(nèi)的PMSM無位置傳感器控制[11-13]。但是，文獻(xiàn)[11-12]采用的開環(huán)I/F控制方法中給定電流為固定值，電流不可控，電機運行效率低。文獻(xiàn)[13]則根據(jù)特定電機的轉(zhuǎn)矩特性，離線調(diào)試擬合出電流頻率比曲線，不具有普適性。

　　為解決上述問題，本文提出了一種適用于表貼式永磁同步電機(surface permanent magnet synchronous motor，SPMSM)的雙閉環(huán)I/F控制方法。該方法將PHFVI法運用在傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制中，利用反饋電流得到位置誤差角信息，通過PI控制器對給定電流幅值進行閉環(huán)控制，同時對給定電流的電角速度進行實時閉環(huán)補償。無需轉(zhuǎn)子位置觀測器，改進了基本的PHFVI法的算法，可根據(jù)實際負(fù)載變化的情況動態(tài)地調(diào)節(jié)給定電流幅值和電角速度，提高了電流利用率和電機抗負(fù)載擾動能力，且能使SPMSM運行在最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)狀態(tài)。

　　1 傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制方法

　　I/F控制方法是一種轉(zhuǎn)速開環(huán)、電流閉環(huán)、給定電流為固定值的控制策略，避免了起動階段出現(xiàn)過沖電流。圖1為開環(huán)I/F控制方法框圖。

　　該方法去除了基本的高頻脈振電壓注入法中的轉(zhuǎn)子位置觀測器，簡化了算法，相較于傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制，拓寬了電機穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)矩角區(qū)域，提高了電機的抗負(fù)載擾動能力，同時也使得電機能穩(wěn)定運行在MTPA狀態(tài)，提高了I/F控制效率。

　　4 實驗驗證

　　為了驗證本文提出的基于改進PHFVI法的雙閉環(huán)I/F控制方法在低速區(qū)的運行效果，搭建了如圖6所示的SPMSM驅(qū)動實驗平臺，對電機的起動階段至穩(wěn)態(tài)運行以及突加突減負(fù)載進行了對比實驗。主控芯片采用的是TI公司的TMS320F28035，開關(guān)頻率為10 kHz。所用電機為額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min的4對極SPMSM。將SPMSM與一臺永磁同步發(fā)電機同軸連接，通過永磁同步發(fā)電機的三相輸出至整流器再連接負(fù)載電阻，釋放出SPMSM產(chǎn)生的能量。改變負(fù)載電阻的阻值，可以調(diào)節(jié)SPMSM的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。以下所有雙閉環(huán)I/F控制方法中注入的高頻脈振電壓的幅值均為20 V，頻率均為1 000 Hz。

　　本實驗采用2種方式采集所需數(shù)據(jù)：通過泰克TPS2024型示波器記錄三相電流數(shù)據(jù)并處理;通過RAM實時存儲電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子軸系夾角、虛擬軸系給定電流等數(shù)據(jù)，待電機停機后再將數(shù)據(jù)導(dǎo)出處理。

　　圖7給出了帶載電機分別在開環(huán)I/F控制和雙閉環(huán)I/F控制方法下由起動到轉(zhuǎn)速300 r/min的運行過程。由圖可見，電機轉(zhuǎn)速能跟蹤給定的轉(zhuǎn)速曲線，且波形較為平穩(wěn)。

　　圖10分別為開環(huán)I/F控制和電角速度未補償?shù)膯伍]環(huán)I/F控制下，于1.5 s突加一倍負(fù)載的電機轉(zhuǎn)速和電流波形。在開環(huán)以及只有給定電流幅值閉環(huán)的狀態(tài)下，若突加負(fù)載，電機將進入失步狀態(tài)。由此可見在這2種方法下，電機的抗負(fù)載擾動能力不強。

　　5 結(jié) 論

　　本文提出了一種基于改進PHFVI法的雙閉環(huán)I/F控制方法，將算法改進了的高頻脈振電壓注入在傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制方法中，可根據(jù)負(fù)載的變化動態(tài)地調(diào)節(jié)δ軸給定電流幅值和電角速度，使得夾角θerr收斂至0°，即轉(zhuǎn)矩角為90°。和傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制方法對比，提高了電流利用率，加強了抗擾動能力，電機運行在最大轉(zhuǎn)矩電流比狀態(tài)。實驗結(jié)果證明了基于改進PHFVI法的雙閉環(huán)I/F控制優(yōu)于傳統(tǒng)的開環(huán)I/F控制。

　　參 考 文 獻(xiàn)：

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　　[4] 張洪帥， 王平， 韓邦成. 基于模糊PI模型參考自適應(yīng)的高速永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置檢測[J]. 中國電機工程學(xué)報， 2014， 34(12)： 1889.

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　　ZHANG Meng， XIAO Xi， LI Yongdong. Speed and flux linkage observer for permanent magnet synchronous motor based on EKF[J]. Proceedings of the CSEE， 2007， 27(36)： 36.