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永磁同步电机无位子传感器统制技艺讨论综述

来源:鸿运,鸿运游戏,鸿运电子游戏发布时间:2020/04/14点击数:

  海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室的研究人员刘计龙、肖飞、沈洋、麦志勤、李超然,在2017年第16期《电工技术学报》上撰文指出,永磁同步电机具有功率密度高、转矩惯量比大、动态响应速度快的优点,在大功率交流传动领域具有明显的优势。

  对永磁同步电机的高性能控制依赖于精确的转子位置信息,然而通常使用的光电编码器和旋转变压器等机械式位置传感器成本高、体积大、抗干扰能力差,限制了永磁同步电机的推广应用,无位置传感器控制技术是解决这一问题的重要途径。

  本文对永磁同步电机的无位置传感器控制技术进行了综述,从转子初始位置检测、低速与零速运行控制、中高速运行控制和全转速范围运行控制四个方面对永磁同步电机无位置传感器控制技术进行了深入阐述和对比分析。最后,对永磁同步电机无位置传感器控制技术的发展趋势进行了展望。

  随着电力电子技术、自动控制技术和计算机技术的发展,交流调速系统的性能不断提高,打破了直流调速在高性能调速领域的统治地位。目前,交流调速控制系统逐步取代直流调速控制系统已经成为不争的事实[1]。在交流调速系统中,同步电机调速相比于异步电机调速,具有功率因数高、变频器容量小且转动惯量小的优点,在大功率交流传动系统中,同步电机调速系统的优势明显。

  随着永磁材料的发展与应用,永磁同步电机(Permanent MagnetSynchronous Motor, PMSM)以其功率密度高、转矩惯量比大和动态响应速度快的特点受到越来越多的关注,尤其是在先进制造领域传动系统、大型舰船电力推进系统领域具有巨大的发展潜力[2,3]。需要说明的是,本文所说永磁同步电机均指永磁同步电动机。

  永磁同步电机起动时,只有确定转子初始位置后才能获得最大起动转矩。永磁同步电机运行时,定子绕组电流矢量需要和转子位置保持同步,系统控制器需要实时得到电机的转子位置信息[4]。为了检测转子位置信息,常用的方案是安装机械式位置传感器,比如光电编码器、旋转变压器等。

  机械式位置传感器增加了系统成本,限制了产品的推广应用;机械式位置传感器增加了电机体积和转轴的转动惯量,降低了电机的功率密度;机械式位置传感器容易受到温度和电磁噪声的干扰,降低了装置的运行可靠性[5]。还有一些特殊应用场合,比如潜艇的无轴推进器中,根本无法使用传统机械式位置传感器。

  永磁同步电机的无位置传感器控制技术可以省略机械式位置传感器,简化变频器和电机之间的连接线路,降低系统成本,提高系统的可靠性。无位置传感器控制技术通过实时分析电机端口电压和电流,获取转子位置信息。永磁同步电机无位置传感器控制技术一般可以分为基于电机基波模型的方法和基于凸极跟踪的方法[6]。

  本文从转子初始位置检测、低速与零速运行控制、中高速运行控制和全转速范围运行控制四个方面对永磁同步电机的无位置传感器控制技术进行了综述,对无位置传感器控制的典型方法进行了深入阐述和对比分析。

  根据转子永磁体的位置不同,永磁同步电机可以分为表贴式、内嵌式和内埋式三种基本类型。表贴式永磁同步电机交直轴磁阻近似相等,交直轴电感也近似相等,其属于隐极式电机。内嵌式和内埋式永磁同步电机交直轴磁阻相差较大,对应的交直轴电感差异也很大,属于凸极式电机,其中内埋式永磁同步电机应用相对较多,是凸极式同步电机的典型代表。本文在介绍无位置传感器控制算法时,会有针对性地指出哪些算法适合表贴式永磁同步电机,哪些算法适合内埋式永磁同步电机。

  在永磁同步电机无位置传感器控制中,转子初始位置检测和低速运行控制主要依靠转子凸极跟踪,该凸极特性可以是结构性凸极或饱和性凸极,但高频信号注入法引起额外损耗,对数字信号处理能力要求较高。在中高速运行区域,主要依靠电机的基波模型采用各类观测器进行转子位置估计,但要重视算法对电机参数敏感和参数漂移问题。复合控制算法重点关注算法切换的过渡过程。

  根据永磁同步电机无位置传感器控制策略的发展历程,该研究方向今后可能具有以下的发展趋势:一是针对高频信号注入法,研究更加可靠高效的数字信号处理算法用于分离高频响应,尽量降低相位延迟对算法精度的影响;二是针对基于观测器的算法,提高算法的自适应能力,使算法受电机参数影响更小,降低算法的参数依赖性和敏感性;三是研究可靠性高、衔接性好的复合控制算法,尤其是恰当处理算法切换的过渡过程。返回搜狐,查看更多