電動(dòng)車用永磁無刷電機(jī)無位置傳感器控制研究

馬桂芳，劉生建

(龍巖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 龍巖 364012)

電動(dòng)車用永磁無刷電機(jī)無位置傳感器控制研究

馬桂芳，劉生建

(龍巖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 龍巖 364012)

針對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)車用永磁無刷直流電機(jī)中位置傳感器所帶來的一系列缺點(diǎn)，基于模型參考自適應(yīng)法的原理，建立了正弦型永磁無刷直流電機(jī)模型參考自適應(yīng)方法的數(shù)學(xué)模型。在Matlab/Simulink環(huán)境下構(gòu)建了無位置傳感器運(yùn)行仿真系統(tǒng)，對(duì)無位置傳感器進(jìn)行仿真研究。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，模型參考自適應(yīng)方法可準(zhǔn)確檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，基本滿足了電動(dòng)車用永磁無刷直流電機(jī)的運(yùn)行要求。

電動(dòng)車；永磁無刷直流電機(jī)；MRAS；無位置傳感器

0 引言

兩輪電動(dòng)車與傳統(tǒng)的自行車相比，具有省力、輕快和舒適的優(yōu)點(diǎn)，與摩托車相比，運(yùn)行費(fèi)用低、零排放、無污染，已經(jīng)逐漸成為人們生活中一種重要的綠色交通工具。電動(dòng)車的動(dòng)力系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制裝置、蓄電池和充電器4個(gè)主要部件構(gòu)成。電動(dòng)車所用驅(qū)動(dòng)電機(jī)是4個(gè)主要部件中最關(guān)鍵的動(dòng)力源，其性能直接決定了電動(dòng)車的整體運(yùn)行性能。

永磁無刷直流電機(jī)(BLDCM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、調(diào)速性能好、功率密度高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。特別是隨著永磁材料價(jià)格的下降、材料的磁性能提高、新型永磁材料的出現(xiàn)，以及電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使得永磁無刷直流電機(jī)不斷發(fā)展起來，在交通工具、家電、計(jì)算機(jī)、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近幾年，永磁無刷直流電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域逐漸成為電動(dòng)車研發(fā)的熱點(diǎn)。

在永磁無刷直流電機(jī)正弦波控制策略中，軟件算法比方波控制要復(fù)雜一些，但能獲得較平滑的轉(zhuǎn)矩輸出性能，此控制方式需要知道精確的轉(zhuǎn)子位置，所以電機(jī)上要安裝一些與電機(jī)同軸相連的傳感器，如開關(guān)型霍爾傳感器、光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，使空間坐標(biāo)系變換成為可能。而位置傳感器也是永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)中最脆弱的部分，會(huì)帶來一系列的問題，存在如增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性、在惡劣環(huán)境下不適用等缺點(diǎn)。因此，無位置傳感器的永磁無刷直流電機(jī)技術(shù)的研究具有更廣闊的應(yīng)用前景[1]。

永磁無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)主要就是在不利用位置傳感器的情況下能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)到轉(zhuǎn)子的位置并將該信號(hào)及時(shí)反饋給控制系統(tǒng)。在過去幾年中，人們提出了基于反電勢(shì)法(反電勢(shì)過零點(diǎn)法、反電勢(shì)積分法、反電勢(shì)鎖相環(huán)法、反電勢(shì)3次諧波積分法)、續(xù)流二極管法、電感法、電流法、磁鏈估計(jì)法和基于觀測(cè)器的位置檢測(cè)法等[2]。本研究中我們采用了模型參考自適應(yīng)方法(Model Reference Adaptive System,MRAS)來估算轉(zhuǎn)子位置，建立了永磁無刷直流電機(jī)MRAS數(shù)學(xué)模型，并對(duì)位置和速度辨識(shí)的正確性、電機(jī)的動(dòng)態(tài)性進(jìn)行了仿真研究。

1 MRAS原理

模型參考自適應(yīng)方法的原理框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由2個(gè)環(huán)路構(gòu)成，內(nèi)環(huán)由控制器和被控對(duì)象組成，外環(huán)由參考模型和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)組成。參考模型是一個(gè)具有固定結(jié)構(gòu)和恒定參數(shù)的理想系統(tǒng)，目標(biāo)信號(hào)同時(shí)加在可調(diào)系統(tǒng)和參考模型上，通過比較被控對(duì)象與參考模型的輸出或狀態(tài)得到兩者之間的誤差e(t)，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)按照一定的自適應(yīng)律來修正控制器的參數(shù)，從而使被控對(duì)象的輸出盡可能跟隨參考模型的輸出。MRAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的問題是如何決定和綜合自適應(yīng)律，其理論基礎(chǔ)為局部參數(shù)優(yōu)化方法、李雅普諾夫穩(wěn)定性理論和波波夫(Popov)超穩(wěn)定性理論[3]。

圖1 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)

2 正弦型永磁無刷直流電機(jī)MRAS數(shù)學(xué)模型

正弦型永磁無刷直流電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)與永磁同步電機(jī)相同，所以可以面裝式永磁同步電機(jī)建立永磁無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

以下為面裝式永磁同步電動(dòng)機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型[4]。

(1)

式(1)中u為電壓；i為電流；ψ為磁鏈；d,q 2個(gè)下標(biāo)分別表示定子直軸、交軸坐標(biāo)分量； ωe為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度，在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)等于電源同步角頻率ωf；Rs為定子繞組的電阻； Ls為定子繞組的等效同步電感；ψs,ψf分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶俊?/p>

把式(1)化成矩陣形式為：

(2)

(3)

可得:

(4)

式(4)簡(jiǎn)寫為：

(5)

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型可知，所得模型中電流模型中存在電機(jī)的轉(zhuǎn)速ωe，確定電流模型為可調(diào)模型，電機(jī)本體則為參考模型。

參考模型和可調(diào)模型確定后，可以對(duì)自適應(yīng)律進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(6)

式(6)簡(jiǎn)寫為：

(7)

第1步，方程(5)減去方程(7)得:

(8)

定義廣義誤差為：

(9)

則式(8)可寫為：

(10)

式(10)為定子電流矢量誤差方程。

若選取D=I，則y=Ie=e，可得其傳遞函數(shù)為：

(11)

(12)

式(12)中，ki,kp≥0。

將式(4)代入式(12)得:

(13)

圖2 模型參考自適應(yīng)算法的運(yùn)算框圖

3 仿真研究

為了驗(yàn)證基于MRAS的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)原理的正確性和可行性，用Matlab/Simulink仿真軟件對(duì)所提出的永磁無刷電機(jī)進(jìn)行了無位置傳感器矢量控制的仿真研究。采用MRAS的無位置傳感器永磁無刷電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。永磁無刷電機(jī)仿真參數(shù)為：額定頻率50 Hz，額定功率7.5 kW，額定電壓72 V，額定電流170 A，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，相繞組電阻Rs=0.266 Ω,定子繞組的等效同步電感Ls=3.8 mH,電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)為21 N·m/A，反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為0.17 V/(r·min-1)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.78 kg·m2,摩擦阻尼系數(shù)為0.025 N·m/(r·min-1)。

圖3 采用MRAS的無位置傳感器永磁無刷電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 轉(zhuǎn)子速度和位置的實(shí)測(cè)值與估算值(600 r/min)

圖5 轉(zhuǎn)子速度和位置的估計(jì)誤差(600 r/min)

圖6 轉(zhuǎn)子速度和位置的實(shí)測(cè)值與估算值(3 000 r/min)

圖7 轉(zhuǎn)子速度和位置的估計(jì)誤差(3 000 r/min)

4 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述理論分析，為了更好地驗(yàn)證基于MRAS的轉(zhuǎn)子位置估算方法是否可行，電動(dòng)車采用永磁無刷直流電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，控制電路主控制芯片采用DSP芯片TMS320F28335，它是TI公司的一款TMS320C28X系列浮點(diǎn)DSP控制器，具備32位浮點(diǎn)處理單元，有多達(dá)18路的PWM輸出，與前代DSC相比，平均性能提升50%，并與定點(diǎn)C28X控制器軟件兼容，且具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高等優(yōu)點(diǎn)，帶有CAN控制器，資源豐富。控制器如圖8所示，電機(jī)測(cè)試設(shè)備如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的估算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比分別如圖10(a)、(b)所示。由圖10可見轉(zhuǎn)子位置的跟蹤精度高，轉(zhuǎn)速的估算值與實(shí)測(cè)值誤差小。

圖8 控制器

圖9 電機(jī)測(cè)試設(shè)備

圖10 估算值與實(shí)測(cè)值(3 000 r/min)

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電動(dòng)車用永磁無刷直流電機(jī)正弦波控制的基于MRAS的無位置傳感器研究是一種基于穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的參數(shù)辨識(shí)方法，其既能保證參數(shù)估計(jì)的漸進(jìn)收斂，又對(duì)轉(zhuǎn)子位置的觀測(cè)具有良好的跟蹤精度，能夠較為準(zhǔn)確地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的速度和位置，且對(duì)參數(shù)變化和負(fù)載波動(dòng)影響較小，魯棒性較強(qiáng)，對(duì)電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展有很高的使用價(jià)值。

[1] 紀(jì)鐵生.無位置傳感器永磁無刷直流電機(jī)控制策略的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[2] 杜曉蕓,林瑞光,吳建華.無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制策略[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2002,6(1):21-25.

[3] Yang J,Zhao J,Qin C,et al.Model reference adaptive sensorless control for surface permanent magnet synchronous machine under severe starting conditions[C].International Power Electronics and Motion Control Conference,2004,2:1018-1022.

[4] 汪立偉.電動(dòng)車用永磁無刷直流電機(jī)正弦波控制的研究[D].錦州：遼寧工業(yè)大學(xué)，2015.

[5] 王會(huì)明,丁學(xué)明.無刷直流電機(jī)正弦波控制及其在電動(dòng)自行車中的應(yīng)用[J].測(cè)控技術(shù),2013,32(7):74-78.

[6] 林平，胡長(zhǎng)生，李明峰，等.基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)算法的速度估算核的研制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(1)：118-123.

(責(zé)任編輯 吳鴻霞)

Research on Position Sensorless Control of Permanent Magnet Brushless Motor for Electric Vehicle

MaGuifang,LiuShengjian

(School of Mechanical and Electronic Engineering,Longyan University,Longyan Fujian 364012)

For a series of shortcomings brought by position sensor of permanent magnet brushless DC motor for the traditional electric vehicles,based on model reference adaptive principle,the mathematical model of model reference adaptive method of sinusoidal permanent magnet brushless DC motor was established.In Matlab/Simulink environment the position sensorless operation simulation system was constructed and simulation research was done for position sensorless.The results of the simulation and experiment showed that model reference adaptive method can detect accurately the rotor position signal,basically meeting the needs of the permanent magnet brushless DC motor operation requirements for electric vehicles.

electromotive motorcycle;brushless DC motor;MRAS;position sensorless

2016-04-25

龍巖學(xué)院百名青年教師攀登項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：LYXY2011078)。

馬桂芳，講師，碩士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.01.004

TM306

A

2095-4565(2017)01-0011-05