用于高效電機(jī)控制的無傳感器矢量控制技術(shù)繼續(xù)發(fā)展

作者：Anders Norlin Frederiksen

以電機(jī)和功率級動(dòng)力學(xué)為中心的高級建模技術(shù)可以顯著提高電機(jī)控制效率，確保實(shí)時(shí)適應(yīng)系統(tǒng)行為波動(dòng)的精確控制。通過應(yīng)用無傳感器矢量控制技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以提高電機(jī)系統(tǒng)的性能并降低功耗，并符合旨在提高能源效率的新興政府法規(guī)。由下一代數(shù)字信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新電機(jī)控制方案有望加速先進(jìn)控制方案的采用。

在過去十年中，高度暴露的永磁材料的開發(fā)和更容易部署推動(dòng)了許多工業(yè)應(yīng)用中永磁同步電機(jī)（PMSM）在高性能變速電機(jī)中的使用。使用 PMSM 驅(qū)動(dòng)器的固有優(yōu)勢包括高扭矩重量比、高功率因數(shù)、更快的響應(yīng)、堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)、易于維護(hù)、易于控制和高效率。高性能速度和/或位置控制需要準(zhǔn)確了解轉(zhuǎn)子軸的位置和速度，以便將相位激勵(lì)脈沖同步到轉(zhuǎn)子位置。這意味著需要速度和位置傳感器，例如連接到電機(jī)軸上的絕對編碼器和磁性旋轉(zhuǎn)變壓器。然而，在大多數(shù)應(yīng)用中，這些傳感器存在一些缺點(diǎn)，例如可靠性降低、易受噪聲影響、額外的成本和重量以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性增加。無傳感器矢量控制消除了對速度/位置傳感器的需求，克服了這些挑戰(zhàn)。

近年來，研究文獻(xiàn)中提出了幾種解決方案，重點(diǎn)是PMSM的速度和位置無傳感器方法。已經(jīng)開發(fā)了三種基本技術(shù)來估計(jì)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的無傳感器轉(zhuǎn)子位置：

基于反電動(dòng)勢（反電動(dòng)勢）估計(jì)的各種技術(shù)

基于狀態(tài)觀察器和擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）的技術(shù)

基于實(shí)時(shí)電機(jī)建模的其他技術(shù)

反電動(dòng)勢技術(shù)

基于反電動(dòng)勢技術(shù)的位置估計(jì)根據(jù)電壓和電流估計(jì)磁通和速度，這對低速范圍內(nèi)的定子電阻特別敏感。由于機(jī)器的反電動(dòng)勢小，開關(guān)器件的非線性特性產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲，幾乎無法檢測到機(jī)器終端上的實(shí)際電壓信息。反電動(dòng)勢方法在中高速和高速中產(chǎn)生良好的位置估計(jì)，但在低速區(qū)域則失敗。

反電動(dòng)勢電壓的大小與轉(zhuǎn)子速度成正比，因此在靜止時(shí)無法估計(jì)初始位置。因此，從未知的轉(zhuǎn)子位置啟動(dòng)可能伴隨著暫時(shí)的反向旋轉(zhuǎn)或可能導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。由于EKF能夠?qū)ι婕半S機(jī)噪聲環(huán)境的非線性系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，因此對于PMSM的速度和轉(zhuǎn)子位置的在線估計(jì)，EKF似乎是一種可行且計(jì)算高效的候選者。

基于使用磁顯著性的空間顯著性跟蹤的技術(shù)適用于零速運(yùn)行，并且可以在沒有參數(shù)影響的情況下估計(jì)初始轉(zhuǎn)子位置。對于轉(zhuǎn)子初始位置，主要有兩種基本方法，基于使用脈沖信號注入或正弦載波信號注入。

讓我們看一個(gè)例子。

圖1.反電動(dòng)勢和初始啟動(dòng)的平衡（歸因于Bon-Ho Bae）。

圖1顯示了不帶位置傳感器的無傳感器矢量控制方案的框圖。在框圖中，前饋項(xiàng) Vds_ff和 Vqs_ff，對于軸之間的控制，方程可以構(gòu)造為：

其中 ωr是轉(zhuǎn)子的速度。

僅查看內(nèi)部永磁同步電機(jī)（IPMSM）的標(biāo)準(zhǔn)電壓方程，參考系由下式表示：

與 θ犯 錯(cuò)是真實(shí)角度和估計(jì)角度之間的角度差。

現(xiàn)在重新定位 d 軸時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)：

定義電流PI穩(wěn)壓器將產(chǎn)生一個(gè)小誤差 - θ犯 錯(cuò)很小，D 軸可以表示為：

在圖1的估計(jì)器和推導(dǎo)方程中，誤差信號Vds_error由PI補(bǔ)償器處理，得出轉(zhuǎn)子的速度，通過積分估計(jì)的速度計(jì)算轉(zhuǎn)子的角度。在其他傳統(tǒng)方法中，微分過程用于計(jì)算速度，但這使得系統(tǒng)容易受到噪聲的影響。在Bon-Ho Bae的研究中，實(shí)驗(yàn)研究表明，所提出的估算器為應(yīng)用提供了非常準(zhǔn)確和強(qiáng)大的速度信息。但在零速和低速時(shí)，反電動(dòng)勢電壓不足以滿足所提出的矢量控制。因此，為了從零速無縫運(yùn)行，電流以恒定的幅度和預(yù)模式的頻率進(jìn)行控制。這里，同步參考系的角度是通過對頻率進(jìn)行積分（初始啟動(dòng)方法）得出的。

EKF技術(shù)

讓我們看另一個(gè)例子，現(xiàn)在使用 EKF 技術(shù)原理（歸功于 Mohamed Boussak），并再次與初始啟動(dòng)相結(jié)合。

圖2.

從PMSM的基礎(chǔ)知識開始，并將其重寫為四階動(dòng)態(tài)模型，我們得到：

哪里：

永磁同步電機(jī)產(chǎn)生的扭矩為：

動(dòng)態(tài)模型基于一些簡單的假設(shè) - 忽略正弦反電動(dòng)勢和渦流，現(xiàn)在給出：

d軸和q軸電流不能由Vd和Vq電壓獨(dú)立控制，因?yàn)閮蓚€(gè)軸之間的交叉耦合效應(yīng)如圖2所示。對于高性能速度控制，需要應(yīng)用具有去耦前饋補(bǔ)償?shù)膁軸和q軸電流調(diào)節(jié)器。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請參見圖 3。

圖3.

d 軸參考電流 i*d設(shè)置為零，以最大化 IPMSM 的扭矩與電流比。q軸參考電流i*q通過調(diào)速器從速度誤差得到，如圖3所示。電流調(diào)節(jié)器的輸出在旋轉(zhuǎn)參考系中提供參考電壓。在圖3的框圖中，前饋項(xiàng)ed和 eq，用于解耦控制，由下式給出：

正如Boussak所描述的，兩種補(bǔ)償（電流控制和電壓指令）是確保穩(wěn)定和最佳控制的重要因素——增強(qiáng)矢量控制和弱磁控制。

EKF因其簡單性、最優(yōu)性、可追蹤性和魯棒性而成為非線性系統(tǒng)跟蹤和估計(jì)最廣泛使用的方法之一。為了實(shí)現(xiàn)對突出極IPMSM的無傳感器控制，使用EKF來估計(jì)速度和轉(zhuǎn)子位置。電機(jī)的線路電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩是系統(tǒng)的矢量輸入變量。速度和轉(zhuǎn)子位置是要估計(jì)的兩個(gè)量級，它們與電機(jī)電流一起構(gòu)成狀態(tài)矢量。電機(jī)電流將是構(gòu)成輸出矢量的唯一可觀測幅度。

對于無傳感器IPMSM驅(qū)動(dòng)器的EKF實(shí)施，選擇雙軸參考框架至關(guān)重要。理想的情況是使用連接到轉(zhuǎn)子的 d 軸和 q 軸旋轉(zhuǎn)參考系。該解決方案與IPMSM無傳感器速度控制不兼容，因?yàn)楣浪闫鞯妮斎胧噶浚娏骱碗妷海┤Q于轉(zhuǎn)子位置。在實(shí)現(xiàn)中觀察到，轉(zhuǎn)子初始位置的估計(jì)誤差可能會在EKF相對于實(shí)際系統(tǒng)的進(jìn)度中引起誤差，從而產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

在這種情況下，Boussak建議將IPMSM控制與轉(zhuǎn)子參考系對齊。速度和位置僅使用定子電壓和電流的測量值來估計(jì)?；?EKF 的觀察者使用電機(jī)模型，其數(shù)量在固定參考系中α-β連接到定子框架，因此與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)。推導(dǎo)了靜止參考系中IPMSM的非線性動(dòng)態(tài)狀態(tài)模型，以完成估計(jì)器：

兩個(gè)定子電流，電速度和位置被用作系統(tǒng)狀態(tài)變量（更高級的計(jì)算方案可以在Boussak的工作中找到）。

Bon-Ho Bae和Boussak開發(fā)的部署方法使無傳感器控制器的可行性保持一致，將更高級的建模引入實(shí)時(shí)電機(jī)控制方案。在過去五年中，微控制器和DSP制造商一直高度專注于通過新型嵌入式處理器提供足夠的性能和必要的功能。這些是使設(shè)計(jì)人員能夠在現(xiàn)實(shí)世界中應(yīng)用現(xiàn)代矢量控制的關(guān)鍵因素。

電機(jī)效率始于處理器

如今，ADI公司新ADSP-CM40x ARM Cortex-M4系列等處理器的增強(qiáng)功能正在實(shí)現(xiàn)性價(jià)比平衡，使更復(fù)雜的電機(jī)控制算法的實(shí)現(xiàn)開始在大批量解決方案中獲得牽引力。特別是在處理器功能方面，內(nèi)置數(shù)字濾波器功能、高性能浮點(diǎn)功能和擴(kuò)展的數(shù)學(xué)功能都允許更復(fù)雜的組合算法來創(chuàng)建更好的控制器和控制方案，從而將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的效率推近 100%。在行業(yè)內(nèi)，毫無疑問，運(yùn)行基于實(shí)時(shí)模型的估計(jì)器的多個(gè)觀察者模型的增強(qiáng)將有助于提高（i）驅(qū)動(dòng)器的性能，（ii）系統(tǒng)效率和拓?fù)洌约埃╥ii）設(shè)計(jì)的部署方法。關(guān)于（iii），像MATLAB/Simulink這樣的圖形系統(tǒng)今天能夠簡化設(shè)計(jì)流程并增強(qiáng)新算法的開發(fā)。這些工具與執(zhí)行處理器一起，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的部署。與內(nèi)核速度、模數(shù)轉(zhuǎn)換分辨率和內(nèi)存集成相關(guān)的處理器級增強(qiáng)功能將為設(shè)計(jì)人員提供能力和精度，以實(shí)現(xiàn)更高的質(zhì)量和更高的性能目標(biāo)，同時(shí)加快上市時(shí)間。?

隨著ADI公司最近推出的ADSP-CM40x系列混合信號嵌入式控制器，在降低價(jià)格的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了顯著的處理性能提升，為以前由性能受限的處理器和微控制器提供服務(wù)的電機(jī)控制應(yīng)用帶來了DSP級性能。電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將利用這種性能曲線，通過使用更先進(jìn)的算法來實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)功能和精度，這些算法可用于準(zhǔn)確確定轉(zhuǎn)子軸的位置和速度，從而消除系統(tǒng)中對位置/速度傳感器的需求。

ADSP-CM40x體現(xiàn)了上述趨勢，即提高片內(nèi)集成度，例如用于精確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和建模精度的世界級分辨率ADC，以及用于進(jìn)一步加快算法處理速度的集成閃存，這兩種方法都最大限度地減少了片外組件并降低了整體系統(tǒng)成本。處理器提供性能和片上集成的最佳組合，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)許多系統(tǒng)級設(shè)計(jì)目標(biāo)，包括實(shí)時(shí)處理更多數(shù)據(jù)、減少延遲、將處理任務(wù)整合到單個(gè)處理器，以及更靈活地優(yōu)化系統(tǒng)接口和控制功能。

如今，新技術(shù)正在推動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)功能的范式轉(zhuǎn)變，平衡設(shè)計(jì)拓?fù)浜吞幚砥鲗傩?，以?shí)現(xiàn)更高的整體系統(tǒng)性能和效率。高性能處理器/DSP 使現(xiàn)代高效的控制理論能夠用于高級系統(tǒng)建模，確保任何實(shí)時(shí)電機(jī)系統(tǒng)的最佳功率和控制效率。無傳感器矢量控制的廣泛應(yīng)用現(xiàn)已觸手可及，并有望加速全球向更節(jié)能、更高性能的工業(yè)設(shè)備發(fā)展的趨勢。

審核編輯：郭婷