周香珍， 張 順

(1.南京理工大學(xué) 泰州科技學(xué)院， 泰州 225300；2.江蘇省電力公司檢修分公司，南京 210000)

電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)控制系統(tǒng)

周香珍1， 張 順2

(1.南京理工大學(xué) 泰州科技學(xué)院， 泰州 225300；2.江蘇省電力公司檢修分公司，南京 210000)

針對(duì)現(xiàn)有位置自檢測(cè)技術(shù)存在的問題，研究了一種永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)復(fù)合控制算法。該算法不僅具有良好的魯棒性，而且能夠在全速包括零速范圍內(nèi)具有很好的位置跟蹤效果?；谒岢龅目刂扑惴ǎ罱穗妱?dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)控制系統(tǒng)模型，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了該控制算法在全速范圍內(nèi)估算位置的有效性。

電動(dòng)汽車；永磁同步電動(dòng)機(jī)；矢量控制；位置自檢測(cè)控制

0 引 言

由于電動(dòng)汽車具有無污染、噪聲低、能源利用多元化和高效化等顯著優(yōu)點(diǎn)，其在汽車產(chǎn)業(yè)中倍受青睞[1]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車核心技術(shù)之一，因此有必要對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)加以研究。相對(duì)于其它類型的電機(jī)，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有高效率、高功率密度、高可靠性以及寬調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用到電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中[2]。

目前，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域中，大多數(shù)采用的是基于矢量控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的高精度和高動(dòng)態(tài)性能，就需要在控制過程中利用位置傳感器來檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和速度。然而額外的位置傳感器在使用時(shí)會(huì)帶來高成本、低可靠性以及應(yīng)用范圍受環(huán)境所限等缺點(diǎn)[3-4]。位置自檢測(cè)控制技術(shù)是利用電機(jī)繞組的電壓和電流信號(hào)，估算出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度，以替代位置傳感器。由于位置自檢測(cè)控制技術(shù)可以有效地解決位置傳感器帶來的問題，近年來得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。

目前，適用于無刷交流永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)的方法通常分為兩類，一類是適用于中高速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)技術(shù)[5-7]，另一類是適用于零速和低速時(shí)的轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)技術(shù)[8-10]。第一類檢測(cè)方法通常是直接或者間接地基于反電動(dòng)勢(shì)來估算轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，該類方法主要包括基于反電動(dòng)勢(shì)或定子磁鏈的開環(huán)估算方法、模型參考自適應(yīng)法、狀態(tài)觀測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器、滑模觀測(cè)器和基于人工智能理論的位置檢測(cè)算法。基于反電動(dòng)勢(shì)或定子磁鏈的估算方法僅依賴于電機(jī)的電壓方程，比較容易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)參數(shù)變化比較敏感，低速時(shí)誤差較大；模型參考自適應(yīng)法估算出的位置精度和模型的選取有關(guān)，同時(shí)受電機(jī)的參數(shù)影響較大，但該算法中的估算參數(shù)能夠漸近收斂，并具有良好的動(dòng)態(tài)性能；狀態(tài)觀測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)有魯棒性強(qiáng)以及穩(wěn)定性好，然而該算法相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)計(jì)算量較大，并且還對(duì)負(fù)載變化較敏感；擴(kuò)展卡爾曼濾波器的優(yōu)點(diǎn)有準(zhǔn)確性高以及穩(wěn)定性好，但是此算法需要矩陣求逆運(yùn)算，計(jì)算量大并且復(fù)雜；滑模觀測(cè)器顯著的優(yōu)勢(shì)是魯棒性很好，但是該算法由于存在不連續(xù)開關(guān)控制，從而導(dǎo)致系統(tǒng)抖振；基于人工智能理論的位置檢測(cè)算法目前還不夠完善，而且算法復(fù)雜、計(jì)算量過大，所以很難適用于電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化中。第二類檢測(cè)方法能夠有效解決電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子位置估算不準(zhǔn)確的問題，該類方法主要包括基于電感變化的位置估算法和高頻信號(hào)注入法?；陔姼凶兓奈恢霉浪惴ū举|(zhì)上是一種開環(huán)計(jì)算法，其收斂性能得不到可靠的保證，尤其在磁路飽和時(shí)電感發(fā)生變化的情況下，位置偏差會(huì)很大；高頻信號(hào)注入法利用電機(jī)磁路的凸極特性對(duì)高頻載波信號(hào)調(diào)制，再對(duì)電流解調(diào)提取轉(zhuǎn)子的位置信息。

文獻(xiàn)[11]針對(duì)傳統(tǒng)滑模觀測(cè)器的抖振問題，提出了一種基于寬速滑模觀測(cè)器的無位置傳感器控制算法，該算法無需低通濾波器，并且可以提高電機(jī)低速時(shí)轉(zhuǎn)子位置的估算精度，但是仍無法解決電機(jī)零速運(yùn)行問題。文獻(xiàn)[12]對(duì)比了兩種基于高頻注入法的無位置傳感器控制算法，但仍然無法保證電機(jī)中高速運(yùn)行時(shí)的良好性能。因此，研究一種適用于全速范圍的位置自檢測(cè)控制技術(shù)非常關(guān)鍵。本文提出一種轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)復(fù)合控制算法，將新型滑模觀測(cè)器和脈振高頻注入法相結(jié)合，不但魯棒性好，而且能夠在全速包括零速范圍內(nèi)具有較好的位置跟蹤效果。

1 新型滑模觀測(cè)器

1.1 反電勢(shì)觀測(cè)器設(shè)計(jì)

永磁同步電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)方程：

(1)

(2)

根據(jù)式(2)，可構(gòu)造反電勢(shì)觀測(cè)器：

(3)

將式(3)與式(2)作差，得到反電勢(shì)觀測(cè)器的誤差方程：

(4)

為證明式(4)穩(wěn)定性，由Lyapunov定理，有：

(5)

對(duì)上式求導(dǎo)得：

(6)

將式(4)代入上式整理可得：

(7)

由式(7)可見，該反電勢(shì)觀測(cè)器是漸近穩(wěn)定的。

1.2 新型滑模觀測(cè)器設(shè)計(jì)

永磁同步電動(dòng)機(jī)電壓方程可表示：

(8)

采用sigmoid函數(shù)為滑模變結(jié)構(gòu)函數(shù)，則：

(9)

定義變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：

(10)

將式(9)與式(8)相減，可得到新型滑模觀測(cè)器的動(dòng)態(tài)方程：

(11)

根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)控制理論，當(dāng)系統(tǒng)在滑模面上滑動(dòng)時(shí)，則：

(12)

將式(12)代入式(11)，得：

(13)

估算出反電動(dòng)勢(shì)后，轉(zhuǎn)子近似位置估算角：

(14)

(15)

(16)

由式(13)和式(14)可知，當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，反電勢(shì)幅值較小，若取0 >l2> -1，則Fe的幅值可比反電勢(shì)的幅值大得多，因此相對(duì)于傳統(tǒng)SMO算法，估算轉(zhuǎn)子位置的精度大大提高了。圖1給出了基于新型滑模觀測(cè)器的位置自檢測(cè)控制算法的控制框圖。

圖1 新型滑模觀測(cè)器算法結(jié)構(gòu)框圖

2 脈振高頻注入法

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，高頻余弦電壓信號(hào)和高頻電流：

(17)

(18)

從式(18)可以看出，如果d軸和q軸上的高頻阻抗不等，則在估計(jì)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，d軸和q軸高頻電流分量的幅值都與轉(zhuǎn)子位置估算誤差角有關(guān)。當(dāng)位置估算誤差角等于零時(shí)，式(18)中高頻電流q軸分量等于零，在這種情況下，對(duì)高頻電流q軸分量進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理，經(jīng)過位置跟蹤觀測(cè)器，可提取轉(zhuǎn)子的位置和速度信息。

相對(duì)于高頻電感，高頻電阻來很小，可忽略，因此dq軸高頻阻抗以及式(18)中q軸上的高頻電流可以簡(jiǎn)寫成：

(19)

(20)

式中：Ldh，Lqh為d軸和q軸的高頻電感，且Rdiff=(Rdh-Rqh)/2，Ldiff=(Ldh-Lqh)/2。

為了提取式(20)中的轉(zhuǎn)子位置估算誤差角，可先用帶通濾波器(BPF)獲取q軸上的高頻電流分量，然后利用sinωht信號(hào)進(jìn)行解調(diào)以提取與半差高頻電感有關(guān)的高頻電流分量，再經(jīng)低通濾波器(LPF)后獲取轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器的輸入信號(hào)，提取過程：

(21)

(22)

(23)

永磁同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程：

(24)

(25)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

基于龍伯格狀態(tài)觀測(cè)器轉(zhuǎn)子位置估算的狀態(tài)方程：

(26)

(27)

從式(26)和式(27)可以看出，通過調(diào)節(jié)增益Kd和Kp來調(diào)節(jié)觀測(cè)器的動(dòng)態(tài)性能。為了改善龍伯格觀測(cè)器的抗擾動(dòng)和穩(wěn)態(tài)性能，通常情況下會(huì)增加積分增益Ki。再結(jié)合上述計(jì)算轉(zhuǎn)子位置估計(jì)器輸入信號(hào)的過程，則基于龍伯格狀態(tài)觀測(cè)器的脈振高頻電壓信號(hào)注入法的原理框圖如圖2所示。

圖2 基于龍伯格觀測(cè)器的脈振高頻電壓

3 新型位置自檢測(cè)復(fù)合控制技術(shù)

通過對(duì)比新型滑模觀測(cè)器和脈振高頻電壓信號(hào)注入法的優(yōu)缺點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，新型滑模觀測(cè)器具有很好的動(dòng)靜態(tài)性能和魯棒性，但對(duì)電機(jī)參數(shù)變化敏感，在零低速運(yùn)行時(shí)會(huì)因反電勢(shì)過小而無法準(zhǔn)確地檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置。但是，脈振高頻電壓信號(hào)注入法對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化不敏感，但因多個(gè)濾波器的使用會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的估算位置和速度存在滯后現(xiàn)象，而且信號(hào)處理過程較復(fù)雜，高速時(shí)不能及時(shí)跟蹤系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，多用于電機(jī)低速運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)全速度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)，可以將新型滑模觀測(cè)器和脈振高頻電壓信號(hào)注入法相結(jié)合構(gòu)成一種新型位置自檢測(cè)復(fù)合控制，如圖3所示。在電機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行低速時(shí)，采用脈振高頻電壓信號(hào)注入法來估算轉(zhuǎn)子位置和速度，中高速時(shí)則采用新型滑模觀測(cè)器來保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性，并利用

圖3 新型轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

滯環(huán)切換方式來實(shí)現(xiàn)兩種無位置傳感器控制算法之間的切換。

4 仿真研究

為驗(yàn)證電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)位置自檢測(cè)控制系統(tǒng)的有效性與優(yōu)勢(shì)，利用MATLAB/Simulink在帶額定負(fù)載情況下進(jìn)行了仿真研究。

仿真中電機(jī)的主要參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速為400 r/min，定子相繞組電阻為2.18 Ω，定子相繞組電感為20 mH，永磁磁鏈為0.1 Wb，轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)為23，額定電磁轉(zhuǎn)矩為8 N·m，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.021 658 kg·m2，摩擦系數(shù)為0.025 N·m·s/rad。

新型滑模觀測(cè)器算法在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)位置估算存在問題，而脈振高頻電壓信號(hào)注入法能在電機(jī)低速甚至零速時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和速度，為此，本文選擇了30 r/min進(jìn)行仿真研究。圖4為基于脈振高頻電壓注入法的位置自檢測(cè)控制下的仿真波形，由圖中的轉(zhuǎn)速誤差波形可知，電機(jī)在30 r/min運(yùn)行下估算轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速始終保持一致，具有很好的靜態(tài)跟蹤性能。另外，由位置波形可知，基于脈振高頻電壓信號(hào)注入法的位置自檢測(cè)算法能夠準(zhǔn)確跟蹤轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置，獲得良好的跟蹤精度。

為驗(yàn)證該新型轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)復(fù)合方法的可行性和有效性，本文對(duì)圖3所示的模型進(jìn)行了變速運(yùn)行的仿真研究。其中，切換轉(zhuǎn)速設(shè)定為50 r/min，參考轉(zhuǎn)速在0.2 s時(shí)由30 r/min突升為200 r/min，然后在0.4 s時(shí)參考轉(zhuǎn)速又突降為30 r/min，仿真結(jié)果波形如圖5所示。從轉(zhuǎn)速誤差波形可知，電機(jī)在升

圖4 基于脈振高頻電壓注入法的位置自檢測(cè)控制下的波形圖5 變速運(yùn)行時(shí)的仿真結(jié)果

降速中經(jīng)過轉(zhuǎn)速切換區(qū)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)有微弱的抖動(dòng)，但并不影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體的切換，只是在變速區(qū)估算轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的誤差略有增大，但在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速基本保持一致，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好。另外，從位置誤差波形可以看出，電機(jī)在升速中經(jīng)過轉(zhuǎn)速切換區(qū)時(shí)，位置誤差有了明顯的增大，但穩(wěn)態(tài)時(shí)估算位置基本和實(shí)際位置重合，跟蹤效果很好。由上述仿真結(jié)果可知，當(dāng)該電機(jī)在位置自檢測(cè)控制下運(yùn)行時(shí)，新型位置自檢測(cè)復(fù)合控制技術(shù)能夠在脈振高頻電壓信號(hào)注入法和新型滑模觀測(cè)器之間有效的切換，驗(yàn)證了該方法的可行性和準(zhǔn)確性。

5 實(shí)驗(yàn)研究

為進(jìn)一步驗(yàn)證電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)位置自檢測(cè)控制系統(tǒng)的良好性能，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，選用DSP TMS320F2812為控制核心，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)與仿真中的相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 位置自檢測(cè)控制下的帶額定負(fù)載實(shí)驗(yàn)波形圖7 永磁同步電動(dòng)機(jī)高速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波形

圖8 永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速波形圖9 永磁同步電動(dòng)機(jī)變負(fù)載運(yùn)行時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

圖6為位置自檢測(cè)控制下的帶額定負(fù)載實(shí)驗(yàn)波形，由圖可知，通過脈振高頻電壓信號(hào)注入法能夠很好地完成電機(jī)啟動(dòng)，并且啟動(dòng)階段其轉(zhuǎn)速并沒有發(fā)生大的抖動(dòng)。當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于中速區(qū)時(shí)，切換到基于新型滑模觀測(cè)器的位置自檢測(cè)控制，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速抖動(dòng)小，說明轉(zhuǎn)子位置信號(hào)精確，整個(gè)控制過程滿足了電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器的要求。

在基于新型滑模觀測(cè)器算法的控制下，對(duì)該電機(jī)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)。圖7給出了電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，電機(jī)在高速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，估算轉(zhuǎn)速和估算位置的效果好，估算轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)誤差最大約為2.5%。

圖8為電機(jī)從250 r/min降到150 r/min再升回250 r/min變速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速和估算轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)波形。由圖可知，估算轉(zhuǎn)速雖然不是很平滑，但是運(yùn)行趨勢(shì)基本與實(shí)際轉(zhuǎn)速保持一致。實(shí)驗(yàn)證明位置自檢測(cè)控制系統(tǒng)能夠變速運(yùn)行，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該電機(jī)控制系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動(dòng)性能，對(duì)該電機(jī)加載以及減載的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，該電機(jī)在突加負(fù)載后運(yùn)行的轉(zhuǎn)子估算轉(zhuǎn)速稍有下降，但是變載過程估算轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速?zèng)]有發(fā)生很大變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了位置自檢測(cè)算法對(duì)負(fù)載擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)，在分析其位置自檢測(cè)控制技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，建立了基于新型轉(zhuǎn)子位置自檢測(cè)復(fù)合方法的永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。所提出的控制算法不僅具有良好的魯棒性，而且能夠在全速包括零速范圍內(nèi)具有很好的位置跟蹤效果。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該永磁同步電動(dòng)機(jī)位置自檢測(cè)控制系統(tǒng)的良好性能，滿足電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求。

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Research on Rotor Position Self-Sensing Control System of a PMSM for Electric Vehicles

ZHOUXiang-zhen1,ZHANGShun2

(1.Nanjing University of Science and Technology,Taizhou 225300，China;2.Maintenance Branch of Jiangsu Power Company,Nanjing 210000，China)

There are many problems exist in the traditional rotor position self-sensing control. To overcome these problems, a hybrid approach of rotor position self-sensing control based on a PMSM for electric vehicles is investigated in this paper. The proposed method has good robustness and position tracking performance at full speed including zero speed. Based on the proposed algorithm, a PMSM position self-sensing control system is set up. Simulation and experiment are implemented on the platform. The results verify the feasibility and effectiveness of the proposed method.

electric vehicle; PMSM; vector control; position self-sensing control

2015-11-18

TM341；TM351

A

1004-7018(2016)12-0048-05