永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的無傳感器穩(wěn)定的v/f控制方法
摘要：
永磁同步電機(jī)( pmsm)用于泵、風(fēng)扇電機(jī)時(shí)，可用v/f控制方法來控制。轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組的pmsm的開環(huán)v/f控制時(shí)，在超過一定的施加頻率后存在固有的不穩(wěn)定性。本文提出了一個(gè)新的v/f控制方法使得電機(jī)驅(qū)動能夠穩(wěn)定運(yùn)行于一個(gè)很寬的頻率范圍。為了保持一個(gè)恒定的定子磁鏈在pmsm中必須控制電壓。隨著輸入的變化相應(yīng)調(diào)制施加頻率，從而使驅(qū)動穩(wěn)定運(yùn)行于寬的頻率范圍，實(shí)現(xiàn)這個(gè)穩(wěn)定技術(shù)不需要位置傳感器。小信號分析和試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這種穩(wěn)定技術(shù)的有效性。對于泵、風(fēng)扇電機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果也表明了驅(qū)動令人滿意的性能。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)( pmsm)，無傳感器控制，同步電動機(jī)穩(wěn)定性，電壓頻率(v/f)控制。
1引言
由于永磁同步電機(jī)有諸如高效、高功率密度等吸引入的特點(diǎn)，在傳動控制設(shè)備中對它們的需求非常大[1]-[3]。對于高性能的傳動控制設(shè)備，像伺服電機(jī)、磁場定位的閉環(huán)控制中應(yīng)該加以配備以達(dá)到位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制方面更好的動態(tài)性能[2]一[4]。轉(zhuǎn)子位置和速度的理論是磁場定位控制的pmsm驅(qū)動器系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在無傳感器控制時(shí)，需要對它們做更精確一點(diǎn)的估計(jì)[5]-[7]，然而，當(dāng)pmsm驅(qū)動器用于像泵、風(fēng)扇這些對動態(tài)性能要求不高的電機(jī)時(shí)，簡單的v/f控制策略可用來取代無傳感器的磁場定位控制的方法。
如圖1所示用在泵和風(fēng)扇電機(jī)中，在轉(zhuǎn)子上設(shè)計(jì)有內(nèi)置阻尼繞組釣pmsms，可用于開環(huán)的v/f控制[2]。阻尼繞組的存在保證了轉(zhuǎn)子和定子運(yùn)行的同步性，在同步電機(jī)控制中這是基本的需要。正如圖1所示，這使得可以在開環(huán)控制時(shí)，電機(jī)仍保持穩(wěn)定。
因?yàn)楦叩闹圃斐杀竞蜑槟承┓N類的pmsms設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)予的阻尼繞組的困難（比如面裝式磁鋼的pmsms），永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子并不總是有阻尼繞組。在圖l所示的開環(huán)v/f控制方法下，轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組的永磁同步電機(jī)并不能保證定轉(zhuǎn)子運(yùn)行的同步性。pmsms在開環(huán)v/f控制方法下這將導(dǎo)致不穩(wěn)定的問題，這就需要給vf控制器提供一個(gè)額外的信號，以確保同步性和穩(wěn)定運(yùn)行。
在[8]-[10]中，直流電流的擾動被用來調(diào)整v/f控制器中所施加的頻率，以使轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組的永磁同步電機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行。在[8]和[10]中，通過一個(gè)合成的搜索算法電壓得到控制，而pmsm的輸入功率最小，面在[9]中，電壓得到控制是為了得到高達(dá)1的功率因數(shù)。即使通過頻率調(diào)整驅(qū)動的穩(wěn)定性得到提高，但是在[8]-[10]所描述的這些v/f控制器系統(tǒng)中，驅(qū)動的低速性能還沒達(dá)到一個(gè)令人滿意的水平。
在[11]中提出了在轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組的同步感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)定的i/f控制方法。相比于v/f控制方法，在這個(gè)驅(qū)動中電流控制提供了過電流保護(hù)和更好的起動性能。根據(jù)功率因數(shù)角的變化調(diào)整電流的幅值可使驅(qū)動達(dá)到穩(wěn)定。然而，沒有可用的模型用來設(shè)計(jì)這種i/f控制器。本文提出了一種新的用于轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組的pmsms的伴有穩(wěn)定技術(shù)的v/f控制方法。首先討論了為了提高驅(qū)動低速性能的電壓控制方法，接著是驅(qū)動的穩(wěn)定分析。這會引出驅(qū)動穩(wěn)定性的討論。用小信號模型分析，可以看出根據(jù)輸入功率的擾動成比例的調(diào)整施加的頻率，可以增加必要的抑制使得驅(qū)動在一個(gè)寬頻范圍內(nèi)運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這個(gè)控制策略。
2 電壓控制方法和穩(wěn)定性分析
2.1電壓控制方法
在給定的v/f控制方法中，計(jì)算出電壓值以保持永磁同步電機(jī)有定子磁鏈為常數(shù)。這樣，在歷有運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，pmsm產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩。為了保持常值的定子磁鏈數(shù)，在計(jì)算電壓值時(shí)，定子的電阻壓降需要得到精確的補(bǔ)償在低速運(yùn)行階段這一點(diǎn)尤為重要[12]。圖2中，pmsm穩(wěn)態(tài)矢量圖可用來解釋用矢量補(bǔ)償定子電阻電壓降，以計(jì)算出電壓值。
圖2所示的三角形oab中，ac垂直于ob。從三角形oab中可以如下得到矢量的電壓值
式中，五是電流矢量的值，es是由定子磁鏈感應(yīng)的電壓矢量的值，φ0是功率因數(shù)角；所有的都是穩(wěn)態(tài)值。rs是每相繞組電阻。運(yùn)用三角關(guān)系式，從(l)得到的電壓矢量值也可為
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