先進(jìn)的電機(jī)和功率級(jí)動(dòng)態(tài)特性建模技術(shù)可以大大提高電機(jī)控制效率，保證根據(jù)系統(tǒng)行為的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行精確控制。通過(guò)無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以增強(qiáng)電機(jī)系統(tǒng)的性能，降低功耗，并滿足旨在提高能效的新法規(guī)的要求?；谛乱淮鷶?shù)字信號(hào)處理技術(shù)的新型電機(jī)控制方案有望加速先進(jìn)控制方案的應(yīng)用。
在過(guò)去的十年中，隨著永磁材料的不斷發(fā)展和被調(diào)查資源的更容易開(kāi)發(fā)，越來(lái)越多的高性能變速電機(jī)和永磁同步電機(jī)(PMSM)被用于工業(yè)應(yīng)用。使用PMSM驅(qū)動(dòng)的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)包括：高扭矩重量比，高功率因數(shù)，更快的反應(yīng)，耐用的結(jié)構(gòu)，易于維護(hù)，易于控制和高效率。高性能速度和/或位置控制需要精確確定旋轉(zhuǎn)軸的位置和速度，以使相位激勵(lì)脈沖與轉(zhuǎn)子位置同步。因此，速度和位置傳感器，如絕對(duì)編碼器和磁性分解器應(yīng)安裝在電機(jī)軸上。然而，在大多數(shù)應(yīng)用中，這些傳感器會(huì)帶來(lái)許多缺點(diǎn)，例如可靠性降低、易受噪聲影響、成本和重量增加以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更加復(fù)雜。無(wú)傳感器矢量控制不需要速度/位置傳感器，因此這些問(wèn)題將不再存在。
近年來(lái)，關(guān)于PMSM無(wú)速度傳感器速度和位置控制方法的研究文獻(xiàn)有很多。對(duì)于由PMSM驅(qū)動(dòng)的無(wú)傳感器轉(zhuǎn)子位置估計(jì)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了三種基本技術(shù)：
基于反電動(dòng)勢(shì)(BEMF)估計(jì)的各種技術(shù)
基于狀態(tài)觀測(cè)器和擴(kuò)展卡爾曼濾波器的技術(shù)(EKF)
基于實(shí)時(shí)電機(jī)建模的其他技術(shù)
反電動(dòng)勢(shì)技術(shù)
基于反電動(dòng)勢(shì)技術(shù)的位置估計(jì)根據(jù)電壓和電流估計(jì)磁通量和速度。在較低的速度范圍內(nèi)，這種技術(shù)對(duì)定子電阻特別敏感。由于機(jī)器的反電動(dòng)勢(shì)很小，開(kāi)關(guān)設(shè)備的非線性特性會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)噪聲，很難獲得關(guān)于機(jī)器端子的實(shí)際電壓信息。在中高速范圍內(nèi)，反電動(dòng)勢(shì)法可以獲得較好的位置估計(jì)，但在低速范圍內(nèi)不可行。
反電動(dòng)勢(shì)電壓的幅度與轉(zhuǎn)子速度成正比，因此無(wú)法估計(jì)靜止時(shí)的初始位置。因此，從未知的轉(zhuǎn)子位置起動(dòng)可能伴隨著暫時(shí)的反轉(zhuǎn)，或者可能導(dǎo)致起動(dòng)失敗。EKF可以在隨機(jī)噪聲環(huán)境中對(duì)非線性系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，因此它似乎是PMSM速度和轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的一種可行且計(jì)算效率高的候選方法。
基于空間顯著性跟蹤的技術(shù)利用了磁顯著性，適用于零速運(yùn)行，可以在不受其他參數(shù)影響的情況下估計(jì)轉(zhuǎn)子初始位置。轉(zhuǎn)子初始定位有兩種基本方法，即基于脈沖信號(hào)注入和正弦載波信號(hào)注入。
我們來(lái)看一個(gè)例子。
圖1。反電動(dòng)勢(shì)和初始啟動(dòng)之間的平衡(來(lái)自Bon-Ho Bae)
圖1是沒(méi)有位置傳感器的無(wú)傳感器矢量控制方案的框圖。在框圖中，軸間控制的正饋電項(xiàng)Vds_ff和Vqs_ff可以表示為：
其中，r是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
只看內(nèi)置PMSM (IPMSM)的標(biāo)準(zhǔn)電壓公式，坐標(biāo)系可以表示為：
其中err是實(shí)際角度和估計(jì)角度之間的差值。
現(xiàn)在重新定位D軸，你可以得到：
假設(shè)電流PI調(diào)節(jié)器將產(chǎn)生小誤差，并且err非常小，D軸可以表示為：
在圖1的所提出的估計(jì)器和導(dǎo)出公式中，誤差信號(hào)Vds_error由PI補(bǔ)償器處理以導(dǎo)出轉(zhuǎn)子速度，并且通過(guò)對(duì)所估計(jì)的速度進(jìn)行積分來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)子角度。其他常用的方法使用微分法計(jì)算速度，但這會(huì)使系統(tǒng)容易受到噪聲的影響。Bon-Ho Bae的實(shí)驗(yàn)研究表明，所提出的估計(jì)器可以為應(yīng)用提供非常準(zhǔn)確和可靠的速度信息。然而，在零速度和低速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)電壓不夠高，不足以用于所提出的矢量控制。因此，為了從零速度進(jìn)行無(wú)縫操作，估計(jì)器以恒定的幅度和預(yù)定的模式頻率控制電流。這里，同步坐標(biāo)系的角度是通過(guò)對(duì)頻率進(jìn)行積分得到的(初始啟動(dòng)方法)。
EKF技術(shù)公司
現(xiàn)在讓我們看另一個(gè)使用EKF技術(shù)原理的例子(來(lái)自Mohamed Boussak)，它也與初始啟動(dòng)相結(jié)合。
圖2。
從PMSM的基本公式開(kāi)始，改寫成四階動(dòng)力學(xué)模型：
image/SAo176cEqhJdGe?from=pc">其中：
PMSM所產(chǎn)生的扭矩為：
動(dòng)態(tài)模型基于一些簡(jiǎn)單的假設(shè)，忽略正弦反電動(dòng)勢(shì)和渦電流，于是可以得到：
由于d軸和q軸之間存在交叉耦合效應(yīng)，如圖2所示，因此兩個(gè)軸的電流無(wú)法由電壓Vd和Vq獨(dú)立控制。為實(shí)現(xiàn)高性能速度控制，需要運(yùn)用具有去耦正饋補(bǔ)償功能的d軸和q軸電流調(diào)整器。更多信息請(qǐng)參考圖3。
圖3.
為使IPMSM的扭矩電流比最大，d軸基準(zhǔn)電流i*d設(shè)置為0。q軸基準(zhǔn)電流i*q從速度調(diào)整器的速度誤差獲得，如圖3所示。電流調(diào)整器的輸出提供旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的基準(zhǔn)電壓。在圖3所示的框圖中，用于去耦控制的正饋?lái)?xiàng)ed和eq由下式給出：
正如Boussak所述，兩個(gè)補(bǔ)償機(jī)制(電流控制和電壓命令)對(duì)于確保穩(wěn)定和最優(yōu)控制十分重要，有助于增強(qiáng)矢量控制和弱磁控制。
EKF以其簡(jiǎn)單、最佳、易控制和穩(wěn)定可靠，成為應(yīng)用最廣泛的非線性系統(tǒng)跟蹤和估計(jì)方法之一。為實(shí)現(xiàn)對(duì)凸極IPMSM 的無(wú)傳感器控制，可以利用EKF估計(jì)速度和轉(zhuǎn)子位置。電機(jī)的線路電壓和負(fù)載扭矩均為系統(tǒng)矢量輸入變量。速度和轉(zhuǎn)子位置是需要估計(jì)的兩個(gè)幅度，二者與電機(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(cè)幅度。
要對(duì)無(wú)傳感器IPMSM驅(qū)動(dòng)實(shí)施EKF技術(shù)，雙軸坐標(biāo)系的選擇至關(guān)重要。最佳選擇是采用轉(zhuǎn)子上安裝的d軸和q軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。但估計(jì)器的輸入矢量(電流和電壓)取決于轉(zhuǎn)子位置，所以這種方案與IPMSM無(wú)傳感器速度控制不兼容。實(shí)施過(guò)程中可觀察到，轉(zhuǎn)子初始位置的估計(jì)誤差可能會(huì)將誤差引入EFK相對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)的處理過(guò)程中，從而引起嚴(yán)重后果。
對(duì)于這種情況，Boussak建議在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中調(diào)準(zhǔn)IPMSM控制。速度和位置僅利用定子電壓和電流測(cè)量結(jié)果來(lái)估計(jì)?；贓KF的觀測(cè)器所使用的電機(jī)模型含有安裝于定子框架上的固定坐標(biāo)系α-β ，因此獨(dú)立于轉(zhuǎn)子位置。導(dǎo)出IPMSM在固定坐標(biāo)系中的非線性動(dòng)態(tài)模型，以完成估計(jì)器公式：
兩個(gè)定子電流、電機(jī)速度和位置用作系統(tǒng)狀態(tài)變量(更高級(jí)計(jì)算方案請(qǐng)參考Boussak的論文)。
諸如Bon-Ho Bae和Boussak所開(kāi)發(fā)的部署方法，利用無(wú)傳感器控制器的可行性將更高級(jí)模型引入實(shí)時(shí)電機(jī)控制方案。過(guò)去5年來(lái)，微控制器和DSP制造商一直積極通過(guò)新型嵌入式處理器提供足夠的性能和必要的功能，這是確保設(shè)計(jì)人 員將現(xiàn)代矢量控制運(yùn)用于實(shí)際的關(guān)鍵因素。
電機(jī)效率始于處理器
如今，增強(qiáng)型處理器正在將性價(jià)比提升到新的水平，使得更復(fù)雜電機(jī)控制算法的實(shí)施開(kāi)始受到大規(guī)模應(yīng)用解決方案的青瞇。尤其在處理器能力方面——內(nèi)置數(shù)字濾波器功能、高性能浮點(diǎn)能力和擴(kuò)展數(shù)學(xué)運(yùn)算能力等都支持更復(fù)雜、集成度更高的算法，以便提供更佳的控制器和控制方案，迫使電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率接近100%。在工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)運(yùn)行實(shí)時(shí)模型估計(jì)器的多觀測(cè)器模型的改善，無(wú)疑將有助于增強(qiáng)：(i)驅(qū)動(dòng)性能，(ii)系統(tǒng)效率和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及(iii)設(shè)計(jì)的部署方法。就第(iii)方面而言，MATLAB/Simulink?等圖形系統(tǒng)便能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，促進(jìn)新算法的開(kāi)發(fā)。這些工具與執(zhí)行處理器相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜的部署方案。與內(nèi)核速度、模數(shù)轉(zhuǎn)換精度和存儲(chǔ)器集成有關(guān)的處理器級(jí)改善將使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)更高的質(zhì)量和性能目標(biāo)，同時(shí)加速產(chǎn)品上市。
ADI公司最近推出ADSP-CM40x系列混合信號(hào)嵌入式控制器，不僅大幅提升了處理器性能，而且降低了價(jià)格，使得以前采用性能受限的處理器和微控制器的電機(jī)控制應(yīng)用也能享用DSP水平的性能。借助這種處理性能，電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以利用更先進(jìn)的算法實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的系統(tǒng)功能和更高精度，精確判定轉(zhuǎn)軸位置和速度，這樣系統(tǒng)就無(wú)需位置和速度傳感器。
用于加速算法處理的閃存，二者均有利于減少片外器件并降低系統(tǒng)整體成本。這些處理器提供性能與片內(nèi)集成度的最佳融合，使得設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)許多系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)目標(biāo)，例如：實(shí)時(shí)處理更多數(shù)據(jù)，延時(shí)更短，將處理任務(wù)集中于單個(gè)處理器進(jìn)行，以及更靈活地優(yōu)化系統(tǒng)接口和控制能力。
如今，新技術(shù)正在推動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)能力實(shí)現(xiàn)范式轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與處理器特性平衡則可實(shí)現(xiàn)更高的整體系統(tǒng)性能和效率。高性能處理器/DSP支持運(yùn)用現(xiàn)代高效控制理論完成高級(jí)系統(tǒng)建模，從而確保所有實(shí)時(shí)電機(jī)系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)最佳電源和控制效率。無(wú)傳感器矢量控制的廣泛應(yīng)用勢(shì)在必行，必將加速全球提高工業(yè)設(shè)備能效和性能的進(jìn)程。
作者：Anders Norlin Frederiksen
來(lái)源：ADI
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