永磁同步電機驅(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( pmsm)用于泵、風(fēng)扇電機時，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，在超過一定的施加頻率后存在固有的不穩(wěn)定性。本文提出了一個新的v/f控制方法使得電機驅(qū)動能夠穩(wěn)定運行于一個很寬的頻率范圍。為了保持一個恒定的定子磁鏈在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)定運行于寬的頻率范圍，實現(xiàn)這個穩(wěn)定技術(shù)不需要位置傳感器。小信號分析和試驗結(jié)果證實了這種穩(wěn)定技術(shù)的有效性。對于泵、風(fēng)扇電機，試驗結(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( pmsm)，無傳感器控制，同步電動機穩(wěn)定性，電壓頻率(v/f)控制。
1引言
由于永磁同步電機有諸如高效、高功率密度等吸引入的特點，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、磁場定位的閉環(huán)控制中應(yīng)該加以配備以達到位置、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，需要對它們做更精確一點的估計[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時，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)扇電機中，在轉(zhuǎn)子上設(shè)計有內(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)子和定子運行的同步性，在同步電機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，電機仍保持穩(wěn)定。
因為高的制造成本和為某些種類的pmsms設(shè)計轉(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并不能保證定轉(zhuǎn)子運行的同步性。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控制器提供一個額外的信號，以確保同步性和穩(wěn)定運行。
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能穩(wěn)定運行。在[8]和[10]中，通過一個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到一個令人滿意的水平。
在[11]中提出了在轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組的同步感應(yīng)電機的穩(wěn)定的i/f控制方法。相比于v/f控制方法，在這個驅(qū)動中電流控制提供了過電流保護和更好的起動性能。根據(jù)功率因數(shù)角的變化調(diào)整電流的幅值可使驅(qū)動達到穩(wěn)定。然而，沒有可用的模型用來設(shè)計這種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)動在一個寬頻范圍內(nèi)運行。試驗結(jié)果驗證了這個控制策略。
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，計算出電壓值以保持永磁同步電機有定子磁鏈為常數(shù)。這樣，在歷有運行頻率范圍內(nèi)，pmsm產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩。為了保持常值的定子磁鏈數(shù)，在計算電壓值時，定子的電阻壓降需要得到精確的補償在低速運行階段這一點尤為重要[12]。圖2中，pmsm穩(wěn)態(tài)矢量圖可用來解釋用矢量補償定子電阻電壓降，以計算出電壓值。
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。運用三角關(guān)系式，從(l)得到的電壓矢量值也可為
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