數字RDC在PMSM控制系統中的應用

  暴杰，楊責杰，趙金良

(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)

    摘要：為構造結構簡單、成本低廉、可靠性高的全數字化永磁同步電動機(PMsM)驅動控制系統，提出了一種具有隆伯格(Luenber)觀測器結構的數字軸角變換算法：利用Madah， nk進行軟件仿真，并據此搭建了基于數字RDc的PMsM矢量控制平臺。仿真和實驗結果表明，這種算法抗干擾能力強，能夠實現精度較高的電機轉子磁極位置檢測，改善了伺服控制系統的運行性能

    關鍵詞：隆伯格觀測器；數字軸角變換器；旋轉變壓器；永磁同步電動機

    中圖分類號：TM41    文獻標識碼：A    文章編號：1004—7018(2009)12—0050—03

0引  言

    在永磁同步電動機(以下簡稱PMsM)的精密伺服驅動控制系統中，獲得精準的轉子磁極位置信息尤為重要，磁極位置的準確與否直接關系到系統的運行性能。鑒于PMSM的轉子磁極位置是物理可觀測的，為了得到準確的轉子位置信息，工程上的一般做法是在電機上安裝高精度的獨立位置傳感器：傳感器有****編碼器、增量編碼器以及旋轉變壓器等幾種。其中，旋轉變壓器困其抗干擾和適應環能力強，封裝尺寸小、引線少，安裝方便、使用可靠而備受青睬，應用廣泛。旋轉變壓器的輸出信號是高頻調制量，要獲得控制電路所需的數字位置信號，必須通過軸角變換器(RDc)對旋轉變壓器輸出的模擬信號進行解調和變換，需要高精度的RDc芯片做硬件支持。然而，高精度的專用RDc芯片價格昂貴，接口電路復雜，對高頻調制的位置信號會產生原理性的相位滯后，也無法跟蹤加速度不為零和變加速度的位置信號，這些都使得系統的高動態運行性能受到限制。為降低成本，改善系統的運行性能，有學者提出了采用軟件算法來實現軸角變換器的方案，即所謂的數字RDc技術。傳統的數字RDc算法主要有反正切法和鎖相環法[1-4]。等。反正切算法抗干擾能力差，鎖相環算法在轉子運動形式復雜變化時存在原理誤差。針對以上問題，本文構造了基于隆伯格觀測器的數字RDc，既保留軟件實現RDc的優點，又可消除伺服系統中由于旋轉變壓器所引起的相位

滯后等問題，有效提高了系統的抗干擾能力和動態特性．

1基于隆伯格觀測器的數字RDc構造

    隆伯格觀測器[5-7]是一種具有自適應結構的觀測器，其實質是狀態重構。基本原理是利用原系統中可直接測量到的變量作為新構造系統的輸入信號，并使重構狀態在一定的條件下等價于原系統狀態，等價的原則就是兩者的誤差在動態變化中能夠漸近穩定并且趨近于零。因此它是一種反饋校正方式的閉環狀態估計，可以顯著提高伺服系統克服參數影響的剛性。隆伯格觀測器由以下五個部分組成[8]：傳感器輸出、功率變換器輸出(電氣設備的驅動輸入)、電氣設備數學模型、傳感器數學模型以及觀測器補償器單元。根據隆伯格觀測器的原理和結構，取電氣設備驅動輸入為電機電磁轉矩Te，電氣設備為電動機，傳感器為旋轉變壓器，觀測器補償器為PI調節器，可以構造出電動機系統中的隆伯格觀測器[9]，用來觀測永磁同步電動機的轉子磁極位置。假設電機極對數為p，負載轉矩為T1，則其原理框圖如圖l所示。

    圖1中，J為電動機轉動慣量，ω1和θ1為隆伯格觀測器觀測到的電機轉子電角速度和轉子位置信息，△e是觀測器誤差vs1和vc1分別是在旋轉變壓器激磁信號處于****幅值時對其輸出采樣得到的正余弦信號：

式中：uc為旋轉變壓器激磁信號的****幅值；k為旋轉變壓器的變比。

    結合隆伯格觀測器原理框圖，可得到觀測器補償誤差為：

    在電機極對數p、負載轉矩正的前提下，PMsM的運動方程如下：

    根據上面的關系，得到電機的轉子角加速度后,經過兩個積分環節即可獲得電機的轉子位置θ1，由J/P和兩個積分環節構成了電機的估算數學模型；另外，由圖l可以看到，將隆伯格觀測器觀測到的轉子位置信息θ1取正弦和余弦后，得到了與旋轉變壓器正余弦返回信號解調后形式相同的信號sinθ1和cosθ1，即是旋轉變壓器的估算數學模型。觀測器誤