新型電機(jī)控制方案有望加速先進(jìn)控制方案的運(yùn)用

面向電機(jī)和功率級(jí)動(dòng)態(tài)特性的高級(jí)建模技術(shù)可以大幅提高電機(jī)控制效率，確保根據(jù)系統(tǒng)行為的實(shí)時(shí)變動(dòng)實(shí)行精密控制。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，并且符合旨在提高能效的新法規(guī)要求。基于新一代數(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)控制方案的運(yùn)用。

在過(guò)去十年中，隨著永磁體材料的不斷發(fā)展和勘測(cè)到的資源越來(lái)越容易開(kāi)采，采用永磁體同步電機(jī)(PMSM)的工業(yè)應(yīng)用高性能變速電機(jī)越來(lái)越多。使用PMSM驅(qū)動(dòng)的先天優(yōu)勢(shì)包括：高扭矩重量比、高功率因數(shù)、響應(yīng)更快、結(jié)實(shí)耐用的構(gòu)造、易于維護(hù)、易于控制以及高效率。高性能速度和/或位置控制要求準(zhǔn)確判定轉(zhuǎn)軸位置和速度，使相位激勵(lì)脈沖與轉(zhuǎn)子位置同步。因而電機(jī)軸上需安裝絕對(duì)編碼器和磁性旋轉(zhuǎn)變壓器等速度和位置傳感器。然而，在大多數(shù)應(yīng)用中，這些傳感器會(huì)帶來(lái)多種弊端，例如：可靠性遞減，易受噪聲影響，成本和重量增加，以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更復(fù)雜等。無(wú)傳感器矢量控制則不需要速度/位置傳感器，因而這些問(wèn)題也就不復(fù)存在。

近年來(lái)，關(guān)于PMSM的無(wú)傳感器速度和位置控制方法，研究文獻(xiàn)中提出多種解決方案。針對(duì)PMSM驅(qū)動(dòng)的無(wú)傳感器轉(zhuǎn)子位置估計(jì)，已開(kāi)發(fā)出三種基本技術(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(EKF)的技術(shù)

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，并且開(kāi)關(guān)設(shè)備的非線性特征會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)噪聲，因此很難得到關(guān)于機(jī)器終端的實(shí)際電壓信息。在中高速范圍內(nèi)，利用反電動(dòng)勢(shì)方法可以獲得較好的位置估計(jì)，但在低速范圍內(nèi)則不行。

反電動(dòng)勢(shì)電壓的幅度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成比例，因此靜止時(shí)無(wú)法估計(jì)初始位置。所以，從未知轉(zhuǎn)子位置啟動(dòng)可能伴隨著暫時(shí)反向旋轉(zhuǎn)，或者可能導(dǎo)致啟動(dòng)故障。EKF能夠?qū)﹄S機(jī)噪聲環(huán)境中的非線性系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)估計(jì)，因而對(duì)于PMSM的速度和轉(zhuǎn)子位置估計(jì)，似乎是可行且具計(jì)算效率的候選方法。

基于空間顯著性跟蹤的技術(shù)利用磁顯著性，適合零速工作，可以估計(jì)初始轉(zhuǎn)子位置，而不會(huì)受其它參數(shù)影響。針對(duì)初始轉(zhuǎn)子位置，主要有兩種基本方法，分別基于脈沖信號(hào)注入和正弦載波信號(hào)注入。

我們看一個(gè)例子。

圖1. 反電動(dòng)勢(shì)與初始啟動(dòng)的平衡(來(lái)源于Bon-Ho Bae)

圖1為無(wú)傳感器矢量控制方案的框圖，其中不含位置傳感器?？驁D中，軸間控制的正饋?lái)?xiàng)Vds_ff 和Vqs_ff可以表示為：

其中， ωr為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

只看內(nèi)置式PMSM (IPMSM)的標(biāo)準(zhǔn)電壓公式，坐標(biāo)系可以表示為：

其中，θerr為實(shí)際角度與估計(jì)角度之間的差值。

現(xiàn)在重新定位d軸，可以得到：

假定電流PI調(diào)整器將產(chǎn)生小誤差，θerr很小，d軸可以表示為：

在圖1的建議估計(jì)器及所導(dǎo)出的公式中，誤差信號(hào)Vds_error由 PI補(bǔ)償器處理，以導(dǎo)出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)子的角度則通過(guò)對(duì)估計(jì)的速度進(jìn)行積分而算得。其它常見(jiàn)方法用微分法計(jì)算速度，但這會(huì)使系統(tǒng)易受噪聲影響。Bon-Ho Bae的實(shí)驗(yàn)研究表明，建議估計(jì)器能夠?yàn)閼?yīng)用提供非常準(zhǔn)確且可靠的速度信息。但在零速和低速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)電壓不夠高，無(wú)法用于所建議的矢量控制。因此，對(duì)于從零速度開(kāi)始的無(wú)縫操作，估計(jì)器利用恒定幅度和預(yù)定模式頻率來(lái)控制電流。這里，同步坐標(biāo)系的角度通過(guò)對(duì)頻率進(jìn)行積分而導(dǎo)出 (初始啟動(dòng)方法)。

EKF技術(shù)

我們現(xiàn)在看另一個(gè)利用EKF技術(shù)原理的例子(來(lái)源于 Mohamed Boussak)，并且同樣與初始啟動(dòng)相結(jié)合。

圖2.

從PMSM的基本公式開(kāi)始，將其重寫(xiě)為四階動(dòng)態(tài)模型：

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?xún)r(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。

原文標(biāo)題：面向高效電機(jī)控制的無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)繼續(xù)發(fā)展

文章出處：【微信公眾號(hào)：電子發(fā)燒友網(wǎng)】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。