永磁同步電機(jī)全速域無感控制策略

永磁同步電機(jī)因其高效能、高功率密度和良好的控制特性，在現(xiàn)代工業(yè)和消費（如新能源電動汽車）中被廣泛使用。在永磁同步電機(jī)中，位置傳感器可以實時提供轉(zhuǎn)子位置反饋，使得電機(jī)控制可以更加精確和高效，然而位置傳感器的使用也同時增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。設(shè)計與開發(fā)無位置傳感器的電機(jī)機(jī)控制方法（無感控制）已經(jīng)成為一種趨勢！在 MathWorks 贊助的今年第十九屆研究生電子設(shè)計競賽中，來自上海工程技術(shù)大學(xué)的高英杰、王育潔和吳琪歡三位同學(xué)所組成的未來使者團(tuán)隊，設(shè)計與開發(fā)了一種基于混合觀測器的內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)（IPMSM）全速域無感控制策略，解決了“零低速域平穩(wěn)啟動”及“順滑過渡到中高速域”的問題，有效地提高了IPMSM的性能和可靠性。他們使用 MATLAB 和 Simulink 構(gòu)建仿真模型、半實物仿真平臺和原理樣機(jī)，驗證了所提出的控制策略。 未來使者團(tuán)隊合影 未來使者團(tuán)隊同時獲得了全國技術(shù)賽三等獎和 MathWorks 企業(yè)專項獎的二等獎。他們使用MATLAB和Simulink提高了設(shè)計與開發(fā)效率，節(jié)約了時間和成本。以下是未來使者的分享：

概述

綠色低碳發(fā)展已經(jīng)成為全球發(fā)展潮流，對作為新能源汽車動力系統(tǒng)核心部件主驅(qū)電機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)與經(jīng)濟(jì)參數(shù)提出了更高要求。國內(nèi)外對于永磁同步電機(jī)的無位置傳感器算法已有較多深入研究，根據(jù)速域可將研究成果分為兩類——零低速域與中高速域。

在零低速域，大部分利用電機(jī)內(nèi)部凸極性獲得轉(zhuǎn)子位置信息，目前常用的注入高頻信號主要包括旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號、脈振高頻電壓信號、載波頻率成分分析法等。

在中高速域，IPMSM 可依據(jù)反電動勢方法衍生出滑膜觀測器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器法、參考自適應(yīng)法等。

盡管現(xiàn)有的混合控制算法通過融合轉(zhuǎn)子位置信息已取得了階段性成果，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。因此，我們提出了一種基于高頻注入與高階滑膜觀測器的永磁同步電機(jī)全速域無位置傳感器控制策略。通過這一策略，解決了“零低速域平穩(wěn)啟動”及“順滑過渡到中高速域”的問題，從而有效地提高了電機(jī)控制的性能和可靠性。算法結(jié)構(gòu)設(shè)計目前已有學(xué)者提出了在電機(jī)低速運行時采用高頻脈振注入法，和中高速運行時采用高階滑膜觀測器法，并基于余弦切換的融合控制算法。但由于余弦函數(shù)的固有性質(zhì)，運行中會引起輸出角度的小范圍但劇烈的抖動，這種抖動會導(dǎo)致電機(jī)在切換過程中產(chǎn)生不平滑的運行和異響。我們提出了一種新型融合策略——利用高階函數(shù)設(shè)計一種切換比例系數(shù)連續(xù)光滑的切換方法。

全速域混合觀測器結(jié)構(gòu)框圖 算法的亮點主要包含以下幾個方面：

由于電機(jī)在低速域運行時，使用低通濾波器求解轉(zhuǎn)子角度信息會導(dǎo)致相移，并且高頻信號的注入會使轉(zhuǎn)子電角頻率產(chǎn)生紋波。針對以上問題，我們通過改進(jìn)脈振高頻方波信號的注入方法，向 q ? 軸注入高頻方波信號，從d ? 軸提取轉(zhuǎn)子位置信息與電角頻率，并將 q ? 軸電流導(dǎo)數(shù)計算改為差分信號，從而避免了低通濾波器的使用，增強(qiáng)系統(tǒng)帶寬，保證電機(jī)在零速工作狀態(tài)下?lián)Q向時，觀測器處于收斂狀態(tài)。

利用雙二階廣義積分器（DSOGI）系統(tǒng)替代帶通濾波器提取高頻電壓信號，鎖定并輸出高頻階段電機(jī)角頻率，提高系統(tǒng)動態(tài)性能，防止電機(jī)啟動時發(fā)生抖動。與傳統(tǒng)方法相比，系統(tǒng)在調(diào)節(jié)參數(shù)時更加簡便。

將脈振高頻方波注入法與反電動勢模型法相結(jié)合，采用以高階函數(shù)為背景的全速域融合策略。在切換觀測器時，本算法將轉(zhuǎn)子位置信息與角頻率信號使用系數(shù)方法進(jìn)行融合，保證電機(jī)在切換階段順利過渡，從而實現(xiàn)全速域無位置傳感器控制。

仿真模型與結(jié)果我們使用 MATLAB/Simulink 搭建三相電機(jī)仿真模型，對系統(tǒng)工作原理和控制策略進(jìn)行了仿真驗證。

三相電機(jī)離散仿真模型 其中綠色邊框的算法模塊主要包含以下四個部分： 高頻注入模塊在電機(jī)啟動至低速時啟用，算法使用高頻注入觀測器產(chǎn)生的角頻率作為輸入角度，并且角頻率經(jīng)過 DSOGI 模塊，能夠達(dá)到去除大部分紋波的作用。 當(dāng)達(dá)到切換閾值后，算法采用高階函數(shù)進(jìn)行平滑切換，Park 變換所采取的角度也切換成高階滑膜算法。 速度環(huán)采用 LADRC 控制器，通過使用高頻注入方法，觀測器很快能夠輸出觀測的轉(zhuǎn)子位置，同時通過PLL鎖相環(huán)能夠輸出觀測速度。將參考速度與觀測速度送入 LADRC 速度控制器，輸出參考電流指令。 反 Park 變換和 SVPWM 生成模塊：電流環(huán)輸出的指令送入反 Park 變換模塊，計算后的 uα,uβ 傳入 SVPWM 生成模塊，生成三相驅(qū)動信號。在實際代碼中將其寫入 TIMER0 的 CCR 寄存器。

觀測器模型（a）高頻方波注入模塊

觀測器模型（b）高階滑膜注入模塊

狀態(tài)機(jī)控制模型 在 Simulink 模型中，我們利用 Stateflow 建立了升速與降速的狀態(tài)機(jī)控制模塊。每個狀態(tài)機(jī)中包含 4 個狀態(tài)；箭頭表示狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移；箭頭上可以設(shè)置一些邏輯判斷，用于表示狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移的條件。當(dāng)轉(zhuǎn)移條件滿足時，狀態(tài)會發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而使仿真正常運轉(zhuǎn)，從而輸出所需的電流、電壓、速度與角度等。 要注意的是：無論是輸入變量、中間變量還是是輸出變量，數(shù)據(jù)類型和取值范圍需要嚴(yán)格把控，以防止出現(xiàn)變量類型不兼容或者變量值溢出等錯誤。Stateflow 建模使得我們可以清晰地在畫布中看到當(dāng)下算法執(zhí)行到哪一個狀態(tài)，這為我們調(diào)試程序提供方便。另外，Stateflow 使我們可以保留某個變量在仿真內(nèi)的最后狀態(tài)，方便之后的調(diào)用。若運行仿真后，轉(zhuǎn)子角度觀測準(zhǔn)確，電機(jī)運行穩(wěn)定則驗證算法收斂，我們可以進(jìn)行對模型自動生成代碼的操作。具體是在算法模塊下點擊右鍵，選中“C/C++ 代碼->編譯此子系統(tǒng)”，等待Simulink 自動生成算法 C 代碼。將所生成的 .c 與 .h 文件移植進(jìn)搭建好的底層代碼中進(jìn)行編譯：

代碼生成布局 我們還使用 Simulink 搭建上位機(jī)環(huán)境。Simulink 的上位機(jī)不僅具有簡單、高效、波形觀察清晰等特點，還使得我們可以將輸出數(shù)據(jù)直接保存為 .mat 格式，方便后續(xù)利用 MATLAB 代碼進(jìn)行分析。

上位機(jī)模型 仿真實驗的部分結(jié)果如下所示。

斜坡轉(zhuǎn)速追蹤實驗（600-1500-600r/min）實驗平臺與結(jié)果完成仿真實驗和代碼生成之后，我們將代碼部署到0.2kW IPMSM矢量控制系統(tǒng)中，對無位置傳感器混合算法進(jìn)行驗證，并使用電機(jī)對拖的方式進(jìn)行負(fù)載測試。

測試臺架

負(fù)載擾動實驗結(jié)果

觀測器切換實驗結(jié)果(a)

觀測器切換實驗結(jié)果(b)總結(jié)我們在研電賽作品中對傳統(tǒng)混合觀測器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計了一種新型控制策略，為全速域無傳感器電機(jī)控制提供了新思路，并通過使用 MATLAB 和 Simulink 構(gòu)建仿真模型、半實物仿真平臺和原理樣機(jī)，驗證了所提出的控制策略。使用 MATLAB 和 Simulink，我們可以在不利用硬件電路的情況下，通過仿真實驗來驗證控制策略；并基于 Simulink 的代碼生成功能自動將模型轉(zhuǎn)化成 C/C++ 代碼部署到硬件。總之，MATLAB 和 Simulink 有效地幫助我們提高了團(tuán)隊的開發(fā)效率，節(jié)省了時間和成本！