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永磁同步電機(jī)具有高功率密度、高效率、強(qiáng)動(dòng)態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制、電動(dòng)汽車、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。本研究提出了一種重復(fù)窄短路脈沖與高階鎖相的帶速重投策略。通過提高帶速重投過程脈沖寬度調(diào)制頻率，減小電流增量，更準(zhǔn)確控制電流幅值；通過施加兩個(gè)測(cè)試短路脈沖，根據(jù)相電流幅值自適應(yīng)調(diào)整短路脈沖寬度與時(shí)間間隔；采用電流過采樣方法，降低采樣噪聲對(duì)位置估計(jì)的影響；設(shè)計(jì)三階鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)短路電流快速、準(zhǔn)確鎖相，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的連續(xù)估計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出策略在全速范圍將電流幅值控制在額定電流的5%以內(nèi)，減小電流紋波，降低母線電壓泵升速率，提高位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)精度，從而實(shí)現(xiàn)快速、無電流沖擊的帶速重投。
研究背景
在一些大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)用領(lǐng)域，如空調(diào)室外風(fēng)機(jī)在外界風(fēng)力作用下快速起動(dòng)；家用電器中高速電吹風(fēng)、吸塵器等在使用過程中頻繁起動(dòng)；高速列車牽引電機(jī)在跨相區(qū)供電等工況有短暫停止供電，此時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要在未知速度下重新起動(dòng)。在類似場(chǎng)合下，即在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器重新投入閉環(huán)時(shí)刻，電機(jī)仍有初速度，此時(shí)需要使用帶速重投方法，否則會(huì)造成沖擊電流、母線電壓泵升和電機(jī)抖動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞功率器件。帶速重投需要實(shí)時(shí)獲得轉(zhuǎn)子磁極位置和轉(zhuǎn)速信息，采用位置傳感器會(huì)增加系統(tǒng)成本，降低系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的可靠性等，因此對(duì)無位置傳感器控制帶速重投技術(shù)的需求日益增加。
論文所解決的問題及意義
近年來，多種帶速重投方法相繼被提出，主要分為三類：電壓檢測(cè)法、虛擬電阻法、零電壓矢量脈沖法。電壓檢測(cè)法重投效果最好，但是需要增加電壓檢測(cè)硬件電路，增加了系統(tǒng)成本。虛擬電阻法將逆變器等效成大電阻，限制切入時(shí)刻的大電流沖擊，但是過大的虛擬電阻會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。零電壓矢量脈沖法控制逆變器開關(guān)，通過檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)激勵(lì)的短路電流，估計(jì)轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)簡單、通用性強(qiáng)，受到廣泛關(guān)注。
本文提出的重復(fù)窄短路脈沖與高階鎖相帶速重投策略可以在全速范圍將電流幅值控制在額定電流的5%以內(nèi)，減小電流紋波，降低母線電壓泵升速率，提高位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)精度，實(shí)現(xiàn)快速、無電流沖擊的帶速重投。
論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)
1、母線電壓泵升、采樣噪聲、收斂速度分析
施加短路脈沖的脈沖間隔時(shí)間段，電流流動(dòng)方向如圖 1所示。脈沖間隔時(shí)間段經(jīng)二極管續(xù)流的電流形成了類似Boost升壓電路，如圖 2所示?？紤]脈沖作用時(shí)間，推導(dǎo)了母線電容電壓泵升的關(guān)系式。分析了加入白噪聲對(duì)鎖相環(huán)跟蹤性能的影響。對(duì)比了二階與三階鎖相環(huán)的跟蹤誤差與收斂速度。
圖1 脈沖間隔電流流向
圖2 經(jīng)二極管續(xù)流時(shí)的等效Boost電路
2、確定短路脈沖作用時(shí)間與間隔時(shí)間
所提方法在第一個(gè)脈沖根據(jù)設(shè)置電流幅值大小自適應(yīng)調(diào)整短路脈沖的作用時(shí)間，即需要確定短路脈沖持續(xù)多少個(gè)PWM周期。脈沖間隔時(shí)間根據(jù)前面兩個(gè)測(cè)試脈沖與脈沖作用時(shí)間確定。載波與脈沖作用的過程如圖 3所示。
圖3 載波與實(shí)際脈沖時(shí)間
3、三階鎖相環(huán)設(shè)計(jì)
從圖 3中，根據(jù)前面兩個(gè)測(cè)試脈沖分別確定初始電流矢量位置和轉(zhuǎn)速，賦給三階鎖相環(huán)積分環(huán)節(jié)作為初始值，加速鎖相環(huán)收斂。三階鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 4所示。
圖4 三階鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖
4、電流過采樣
考慮到電流采樣受噪聲影響，單次電流采樣會(huì)受到較大干擾，降低鎖相環(huán)的跟蹤精度，為此加入電流過采樣技術(shù)。通過對(duì)相電流在觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行多次連續(xù)過采樣，然后取過采樣后的平均相電流用作計(jì)算。所提策略的整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 5所示。
圖5 重復(fù)窄短路脈沖與高階鎖相控制框圖
5、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為驗(yàn)證本文提出方法的有效性，基于圖6實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在相同測(cè)試條件下對(duì)比了傳統(tǒng)雙脈沖、多脈沖二階鎖相環(huán)以及提出的重復(fù)窄短路脈沖與高階鎖相三種方法的帶速重投性能。圖7是電機(jī)2400 r/min是否加入本文所提方法重投實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。圖8是圖2實(shí)驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的母線電壓泵升情況。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用本文所提方法母線電壓泵升小，不會(huì)觸發(fā)過壓保護(hù)；短路脈沖激勵(lì)電流幅值在5%額定電流以內(nèi)，且收斂速度快，能在5 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)較好的位置、轉(zhuǎn)速跟蹤，并平滑切換無位置傳感器閉環(huán)控制。
圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
圖7 2400r/min加/不加重復(fù)窄短路脈沖帶速重投實(shí)驗(yàn)波形
圖8 2400r/min加/不加重復(fù)窄短路脈沖母線電壓實(shí)驗(yàn)波形
結(jié)論
本文針對(duì)永磁同步電機(jī)帶速重投中傳統(tǒng)雙脈沖與多脈沖二階鎖相環(huán)等方法存在母線電壓泵升、位置估算精度低以及動(dòng)態(tài)跟蹤速度慢等問題，提出了一種加入電流過采樣技術(shù)的重復(fù)窄短路脈沖與高階鎖相的永磁同步電機(jī)帶速重投方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
1）所提出的帶速重投方法通過增加PWM頻率和自適應(yīng)調(diào)整脈沖寬度和間隔調(diào)整策略，可以減小電流紋波、減緩母線電壓泵升速率。
2）所提出的帶速重投方法通過高階鎖相環(huán)及電流過采樣處理，可以加快位置和轉(zhuǎn)速的收斂速率，提高位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)精度，并減少帶速重投所需時(shí)間，實(shí)現(xiàn)平滑的電流、位置切換。
團(tuán)隊(duì)介紹
浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院先進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)長期致力于高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究與應(yīng)用，主要研究方向有永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制、高性能伺服控制技術(shù)、參數(shù)辨識(shí)方法、脈沖寬度調(diào)制、低載波比控制、單母線電流采樣重構(gòu)技術(shù)等。近6年來，該團(tuán)隊(duì)主持完成多項(xiàng)國家、浙江省自然科學(xué)基金，以及為企業(yè)、科研院開發(fā)了近三十余款電機(jī)控制器，所研發(fā)產(chǎn)品已應(yīng)用于航空油泵、家用/工業(yè)/汽車EC風(fēng)機(jī)、水泵、電動(dòng)叉車等行業(yè)。
吳春
副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊o位置傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和高性能伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。
康李佳
碩士研究生，研究方向?yàn)橛来磐诫姍C(jī)無位置傳感器在線參數(shù)辨識(shí)及帶速重投研究。
本工作成果發(fā)表在2024年增刊1《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于重復(fù)窄短路脈沖與高階鎖相的永磁同步電機(jī)帶速重投策略“。本課題得到國家自然科學(xué)基金和浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。
引用本文
吳春, 康李佳, 鄭露華, 吳辰浩. 基于重復(fù)窄短路脈沖與高階鎖相的永磁同步電機(jī)帶速重投策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2024, 39(zk1): 64-76. Wu Chun, Kang Lijia, Zheng Luhua, Wu Chenhao. Restart Strategy of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Repetitive Narrow Short-Circuit Pulses and High-Order Phase-Locked Loop. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(zk1): 64-76.
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