永磁同步电机变频控制器位置预估及实现方法

刘学鹏，郝晓红，张东升

(1.中山职业技术学院机械工程系，广东中山528404;2.华南理工大学自动化学院，广东广州510641;3.成都电子科技大学机电学院，四川成都610054;4.西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049)

永磁同步电机的变频控制是电机行业的一个难点，尽管国内外已有一定的研究基础和产品，但是从行业角度和实践来看，这一技术本身的发展还远远不能满足实际生产的需要，尚未形成一个比较系统而实用的体系。因此，开展永磁同步电机变频控制研究和产业化技术仍是当前变频行业发展的一个重要研究内容。

变频控制的核心在于保障高低频下反馈信号推导出精确的转子位置关联因素。低频下，同步电机电流和电压变化量小，国内外的很多学者和工程师针对基于微小信号的电机位置预估进行了研究，提出神经网络、小波分析等现代手段，取得了一定的成果［1－6］，但是这些技术具有计算量庞大、计算手段复杂、难以产生实际应用的缺点。现有的变频器在快速变频的过程中，具有负荷不稳定、噪声大、耗能大的缺点。

作者提出了一种能够迅速稳定工况、负荷稳定、耗能低、噪声小的基于电信号的永磁电机变频控制器位置预估及实现方法。

1 永磁同步电机模型

对于由PMSM组成的变频调速系统来说，采用定向磁场调节技术 (用固定于转子的参考坐标即旋转坐标系来描述和分析它们的稳态和动态性能)是十分方便的。取永磁体磁场的方向为d轴，顺着旋转方向超前d轴电角度90°的为q轴，转子参考坐标的旋转速度即为转轴速度［1－2］，dq轴系随同转子以角频率ω一道旋转，可得到永磁同步电机在转子同步旋转坐标系dq下的数学模型为:

式中:id，iq分别为d轴和q轴的定子电流;Vd，Vq分别为d轴和q轴的端电压;φa为磁通量;R为定子电阻;Ld，Lq分别为d轴和q轴的自感;p为微分因子;Pn为电机极对数。

2 位置预估

根据低通滤波模块输出的两相电流信号和同步电机模型，得出电流预估方程:

其中:iγ(n)为预估坐标系γ－δ下γ轴的预估电流值;iδ(n)为预估坐标系γ－δ下δ轴的预估电流值;iγ(n-1)为预估坐标系γ－δ下γ轴的当前电流值;iδ(n-1)为预估坐标系γ－δ下δ轴的当前电流值;R为电机电阻;T为采样周期;˙θM为当前转子角速度;eM为当前旋转电动势;Ld为随动坐标系d－q下d轴电感值;Lq为随动坐标系d－q下q轴电感值。

转子位置预估示意图见图1。根据电流预估模块中的电流预估方程推导出转子位置角预估方程:

其中:eM(n)为预估旋转电动势;eM(n-1)为当前旋转电动势;Δiγ(n)为预估坐标系γ－δ下γ轴的预估电流变化值;Δiδ(n)为预估坐标系γ－δ下δ轴的预估电流变化值;θM(n)为γ－δ坐标轴下的预估转子位置角为预估坐标系γ－δ下的当前转子角速度;Ke、Km为可调参数。

图1 位置预估

得到上述预估转子位置角，从而实现下一时间段永磁电机转子位置的预估。

3 控制器功能模块

图2是功能模块控制图。转子位置预估模块将电机转动的全频段分为多个频率段，在每个频段内，可调参数Ke、Km都有对应的一组值，实现全频段参数调节。

图2 功能模块图

上位机或系统要求频率值设定模块可以根据负荷大小要求设定电机转动频率。

最大转矩和功率模块内设定有频率阈值，它连接在转子位置判定模块的转子位置预估模块与二相到三相变换模块之间，同时与上位机或系统要求频率值设定模块连接。

最大转矩和功率模块根据上位机或系统要求频率值设定模块输入的频率来进行选择输出，当上位机或系统要求频率值设定模块设定的转动频率小于该频率阈值时，最大转矩和功率模块输出最大转矩来控制永磁电机;当上位机或系统要求频率值设定模块设定的转动频率大于该频率阈值时，最大转矩和功率模块输出最大频率来控制永磁电机。

为了保护永磁电机，在故障排除和软件过滤模块和智能功率模块的功率模块火线之间还设有过滤电路，过滤电路将从智能功率模块的火线脚采集的母线电压进行监控，避免出现过压和欠压情况，过滤电路采用数字低通滤波。

4 结论

实验机具体参数为:d轴感抗为5.6 mH，q轴感抗为9.1 mH，电阻为0.7 Ω，磁通量为0.862 Wb，惯性量为 6.85×10－4kg·m2。实验的条件为:环境温度为10℃，电压采用市电220 V交流电源，负荷为1.2 N·m。工况稳定后连续运行1 h。图3是运行图，可以看出运行平稳。

图3 运行图

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