摘　要:介紹了一種基于電機空間凸極追蹤的轉(zhuǎn)子位置無傳感器自檢測的方法。該方法采用高頻電壓載波注入法，通過采用外差法的轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測器完成了轉(zhuǎn)子位置信息的提取,實現(xiàn)無機械位置傳感器的電機轉(zhuǎn)子位置的檢測。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，隨著現(xiàn)代電機技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)及計算機技術(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)動領(lǐng)域成了現(xiàn)代電伺服驅(qū)動系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢。滿足高性能系統(tǒng)的技術(shù)要求.以永磁同步電機電力傳動系統(tǒng)為例,為了實現(xiàn)高精度、高動態(tài)性能的速度和位置控制,一般應(yīng)采用磁場定向矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制.但是無論采取哪種控制方案,都需要測量轉(zhuǎn)子的速度和位置,一般是通過機械式傳感器(編碼器、解算器和測速發(fā)電機)來實現(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。 為了解決機械傳感器給調(diào)速系統(tǒng)帶來的各種缺陷,許多學(xué)者開展了無機械傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)的研究.無機械傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)是指利用電機繞組中的有關(guān)電信號,通過適當(dāng)?shù)姆椒ü烙嫵鲛D(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置自檢測.曾有很多文章提出了各種轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測方法,其中大多數(shù)都是通過檢測基波反電勢來獲得轉(zhuǎn)子的位置信息.這種基于基波激勵的方法實施雖然簡單,但在零速或低速時因反電勢過小而根本無法檢測,因此只適用于高轉(zhuǎn)速運行.另外,由于這些方法要利用基波電壓和電流信號計算轉(zhuǎn)子位置和速度,它們對電機參數(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)子位置自檢測方法,即轉(zhuǎn)子凸極追蹤法.這種方法要求電機具有一定程度的凸極性,而且需要有持續(xù)高頻激勵,從而可以實現(xiàn)電機全速度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子位置的檢測.由于這種方法追蹤的是電機轉(zhuǎn)子的空間凸極效應(yīng),因此對電機參數(shù)的變化不敏感,魯棒性好.可以看出,這種轉(zhuǎn)子位置無傳感器自檢測方法學(xué)術(shù)思想新穎,其研究具有重要的理論意義和工程實用價值。 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內(nèi)插式永磁IPM同步電機轉(zhuǎn)子凸極位置實現(xiàn)跟蹤的原理,詳細(xì)討論了SPWM電壓勵磁條件下轉(zhuǎn)子自檢測方法的實現(xiàn)技術(shù),利用Mat-lab建立了凸極效應(yīng)自檢測過程的仿真模型,給出了高、低速運行下轉(zhuǎn)子位置自檢測結(jié)果。 1 基于電機空間凸極的追蹤轉(zhuǎn)子位置檢測原理 除了面貼式外,一般永磁同步電機均會呈現(xiàn)出一定凸極性,從而為通過注入高頻載波信號來跟蹤轉(zhuǎn)子凸極提供可能. 高頻載波信號注入法可分為電流注入法和電壓注入法,其中電壓注入法實現(xiàn)較為簡單.設(shè)注入的三相平衡電壓用一個以載波信號頻率旋轉(zhuǎn)的載波電壓矢量來表示 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系統(tǒng)中，可以通過逆變器將高頻載波信號直接加在電機的基波勵磁上，如圖1所示。此時，電機的端電壓為 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注入法原理圖 高頻載波信號的頻率一般取1kHZ左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基波頻率，因此在載波電壓信號勵磁時，電機的阻抗主要取決于電機的自感 ，此時電機的模型可以簡化為 如果電機在每一個極距范圍內(nèi)只呈現(xiàn)出一個空間凸極，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電流轉(zhuǎn)換到與載波信號電壓同步旋轉(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)子位置跟蹤觀測器實現(xiàn)轉(zhuǎn)子空間位置的自檢測。跟蹤觀測器采用外差法，通過單位幅值載波電路負(fù)相序分量與實際載波電流負(fù)相序分量的矢量叉乘獲得轉(zhuǎn)子位置誤差信號。即 圖3 采用外差過程的轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測器 由于負(fù)相序載波電流分量的估計值采用了單位幅值表達(dá)，估計值對電機參數(shù)的變化不敏感。 2 內(nèi)插式永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置檢測 為了驗證基于空間凸極追蹤的轉(zhuǎn)子位置檢測原理的正確性和可行性，筆者對一臺內(nèi)插式永磁同步電機進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測過程仿真，采用電流矢量控制實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，額定運行頻率為200HZ，注入高頻載波信號頻率為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 極對數(shù) 2 轉(zhuǎn)動慣量 0.244×10-3kg.m2 由于所選的永磁同步電機的基波電壓額定頻率為200HZ，注入電壓信號頻率取為1500HZ,其幅值取為基波幅值的1/10,以避免對電動機運行產(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所示是電動機在額定轉(zhuǎn)速（6000r/min）下運行時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，轉(zhuǎn)子位置角成為時間的函數(shù)，此時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)動時，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，每個載波電流周期的載波電流矢量不能形成一個閉合橢圓，但每當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一圈時，載波電流矢量的軌跡仍將閉合，且橢圓轉(zhuǎn)動的方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向一致。 圖5 靜止坐標(biāo)系中轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動時載波電流矢量軌跡 由上面的原理分析中我們可知載波矢量負(fù)相序分量是一個長度固定，其角位置包含凸極位置信息。故利用轉(zhuǎn)子位置跟蹤觀測器對載波電流矢量的負(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，估算與實測的轉(zhuǎn)子位置曲線如圖6所示，轉(zhuǎn)子估算值與實測值之差幾乎為零；而在6000r/min時的轉(zhuǎn)子實際位置和估算位置的情況也與60r/min時差不多。由上可以看出，無論運行在低速還是高速，這種自檢測方法都能夠很好地跟蹤電機轉(zhuǎn)子實際位置，獲得很好的跟蹤精度。 圖6 轉(zhuǎn)子位置的測量值與估算值（60r/min） 圖7 轉(zhuǎn)子位置的測量值與估算值（6000r/min） 3 結(jié)論 本文介紹了一種基于電機空間凸極這一基本現(xiàn)象的轉(zhuǎn)子位置自檢測方法高頻注入法的永磁同步電機無傳感器控制技術(shù)，高頻信號注入法的出現(xiàn)使電機在低速和高速時的轉(zhuǎn)子位置都可以一目了然，擺脫了傳統(tǒng)的基波信息檢測、辨識的處理方式；但它的美中不足就是只有對凸極較高的電機才能過起到不受電機參數(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內(nèi)部無傳感器調(diào)速系統(tǒng)來實現(xiàn)，可以滿足高精度的電機系統(tǒng)對速度控制和位置控制的高要求，有一定的市場前景。