先進(jìn)的電機和功率級動(dòng)態(tài)特性建模技術(shù)可以大大提高電機控制效率，保證根據系統行為的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行精確控制。通過(guò)無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)，設計人員可以增強電機系統的性能，降低功耗，并滿(mǎn)足旨在提高能效的新法規的要求?；谛乱淮鷶底中盘柼幚砑夹g(shù)的新型電機控制方案有望加速先進(jìn)控制方案的應用。
在過(guò)去的十年中，隨著(zhù)永磁材料的不斷發(fā)展和被調查資源的更容易開(kāi)發(fā)，越來(lái)越多的高性能變速電機和永磁同步電機(PMSM)被用于工業(yè)應用。使用PMSM驅動(dòng)的內在優(yōu)勢包括：高扭矩重量比，高功率因數，更快的反應，耐用的結構，易于維護，易于控制和高效率。高性能速度和/或位置控制需要精確確定旋轉軸的位置和速度，以使相位激勵脈沖與轉子位置同步。因此，速度和位置傳感器，如絕對編碼器和磁性分解器應安裝在電機軸上。然而，在大多數應用中，這些傳感器會(huì )帶來(lái)許多缺點(diǎn)，例如可靠性降低、易受噪聲影響、成本和重量增加以及驅動(dòng)系統更加復雜。無(wú)傳感器矢量控制不需要速度/位置傳感器，因此這些問(wèn)題將不再存在。
近年來(lái)，關(guān)于PMSM無(wú)速度傳感器速度和位置控制方法的研究文獻有很多。對于由PMSM驅動(dòng)的無(wú)傳感器轉子位置估計，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了三種基本技術(shù)：
基于反電動(dòng)勢(BEMF)估計的各種技術(shù)
基于狀態(tài)觀(guān)測器和擴展卡爾曼濾波器的技術(shù)(EKF)
基于實(shí)時(shí)電機建模的其他技術(shù)
反電動(dòng)勢技術(shù)
基于反電動(dòng)勢技術(shù)的位置估計根據電壓和電流估計磁通量和速度。在較低的速度范圍內，這種技術(shù)對定子電阻特別敏感。由于機器的反電動(dòng)勢很小，開(kāi)關(guān)設備的非線(xiàn)性特性會(huì )產(chǎn)生系統噪聲，很難獲得關(guān)于機器端子的實(shí)際電壓信息。在中高速范圍內，反電動(dòng)勢法可以獲得較好的位置估計，但在低速范圍內不可行。
反電動(dòng)勢電壓的幅度與轉子速度成正比，因此無(wú)法估計靜止時(shí)的初始位置。因此，從未知的轉子位置起動(dòng)可能伴隨著(zhù)暫時(shí)的反轉，或者可能導致起動(dòng)失敗。EKF可以在隨機噪聲環(huán)境中對非線(xiàn)性系統進(jìn)行狀態(tài)估計，因此它似乎是PMSM速度和轉子位置估計的一種可行且計算效率高的候選方法。
基于空間顯著(zhù)性跟蹤的技術(shù)利用了磁顯著(zhù)性，適用于零速運行，可以在不受其他參數影響的情況下估計轉子初始位置。轉子初始定位有兩種基本方法，即基于脈沖信號注入和正弦載波信號注入。
我們來(lái)看一個(gè)例子。
圖1。反電動(dòng)勢和初始啟動(dòng)之間的平衡(來(lái)自Bon-Ho Bae)
圖1是沒(méi)有位置傳感器的無(wú)傳感器矢量控制方案的框圖。在框圖中，軸間控制的正饋電項Vds_ff和Vqs_ff可以表示為：
其中，r是轉子的轉速。
只看內置PMSM (IPMSM)的標準電壓公式，坐標系可以表示為：
其中err是實(shí)際角度和估計角度之間的差值。
現在重新定位D軸，你可以得到：
假設電流PI調節器將產(chǎn)生小誤差，并且err非常小，D軸可以表示為：
在圖1的所提出的估計器和導出公式中，誤差信號Vds_error由PI補償器處理以導出轉子速度，并且通過(guò)對所估計的速度進(jìn)行積分來(lái)計算轉子角度。其他常用的方法使用微分法計算速度，但這會(huì )使系統容易受到噪聲的影響。Bon-Ho Bae的實(shí)驗研究表明，所提出的估計器可以為應用提供非常準確和可靠的速度信息。然而，在零速度和低速時(shí)，反電動(dòng)勢電壓不夠高，不足以用于所提出的矢量控制。因此，為了從零速度進(jìn)行無(wú)縫操作，估計器以恒定的幅度和預定的模式頻率控制電流。這里，同步坐標系的角度是通過(guò)對頻率進(jìn)行積分得到的(初始啟動(dòng)方法)。
EKF技術(shù)公司
現在讓我們看另一個(gè)使用EKF技術(shù)原理的例子(來(lái)自Mohamed Boussak)，它也與初始啟動(dòng)相結合。
圖2。
從PMSM的基本公式開(kāi)始，改寫(xiě)成四階動(dòng)力學(xué)模型：
image/SAo176cEqhJdGe?from=pc">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，忽略正弦反電動(dòng)勢和渦電流，于是可以得到：
由于d軸和q軸之間存在交叉耦合效應，如圖2所示，因此兩個(gè)軸的電流無(wú)法由電壓Vd和Vq獨立控制。為實(shí)現高性能速度控制，需要運用具有去耦正饋補償功能的d軸和q軸電流調整器。更多信息請參考圖3。
圖3.
為使IPMSM的扭矩電流比最大，d軸基準電流i*d設置為0。q軸基準電流i*q從速度調整器的速度誤差獲得，如圖3所示。電流調整器的輸出提供旋轉坐標系的基準電壓。在圖3所示的框圖中，用于去耦控制的正饋?lái)梕d和eq由下式給出：
正如Boussak所述，兩個(gè)補償機制(電流控制和電壓命令)對于確保穩定和最優(yōu)控制十分重要，有助于增強矢量控制和弱磁控制。
EKF以其簡(jiǎn)單、最佳、易控制和穩定可靠，成為應用最廣泛的非線(xiàn)性系統跟蹤和估計方法之一。為實(shí)現對凸極IPMSM 的無(wú)傳感器控制，可以利用EKF估計速度和轉子位置。電機的線(xiàn)路電壓和負載扭矩均為系統矢量輸入變量。速度和轉子位置是需要估計的兩個(gè)幅度，二者與電機電流一起構成狀態(tài)矢量。電機電流將是構成輸出矢量的唯一可觀(guān)測幅度。
要對無(wú)傳感器IPMSM驅動(dòng)實(shí)施EKF技術(shù)，雙軸坐標系的選擇至關(guān)重要。最佳選擇是采用轉子上安裝的d軸和q軸旋轉坐標系。但估計器的輸入矢量(電流和電壓)取決于轉子位置，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(guān)察到，轉子初始位置的估計誤差可能會(huì )將誤差引入EFK相對于實(shí)際系統的處理過(guò)程中，從而引起嚴重后果。
對于這種情況，Boussak建議在轉子坐標系中調準IPMSM控制。速度和位置僅利用定子電壓和電流測量結果來(lái)估計?；贓KF的觀(guān)測器所使用的電機模型含有安裝于定子框架上的固定坐標系α-β ，因此獨立于轉子位置。導出IPMSM在固定坐標系中的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)模型，以完成估計器公式：
兩個(gè)定子電流、電機速度和位置用作系統狀態(tài)變量(更高級計算方案請參考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模型引入實(shí)時(shí)電機控制方案。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，這是確保設計人 員將現代矢量控制運用于實(shí)際的關(guān)鍵因素。
電機效率始于處理器
如今，增強型處理器正在將性?xún)r(jià)比提升到新的水平，使得更復雜電機控制算法的實(shí)施開(kāi)始受到大規模應用解決方案的青瞇。尤其在處理器能力方面——內置數字濾波器功能、高性能浮點(diǎn)能力和擴展數學(xué)運算能力等都支持更復雜、集成度更高的算法，以便提供更佳的控制器和控制方案，迫使電機驅動(dòng)的效率接近100%。在工業(yè)領(lǐng)域，對運行實(shí)時(shí)模型估計器的多觀(guān)測器模型的改善，無(wú)疑將有助于增強：(i)驅動(dòng)性能，(ii)系統效率和拓撲結構，以及(iii)設計的部署方法。就第(iii)方面而言，MATLAB/Simulink?等圖形系統便能夠簡(jiǎn)化設計流程，促進(jìn)新算法的開(kāi)發(fā)。這些工具與執行處理器相結合，能夠實(shí)現更為復雜的部署方案。與內核速度、模數轉換精度和存儲器集成有關(guān)的處理器級改善將使設計人員能夠實(shí)現更高的質(zhì)量和性能目標，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控制應用也能享用DSP水平的性能。借助這種處理性能，電機系統設計人員可以利用更先進(jìn)的算法實(shí)現更強的系統功能和更高精度，精確判定轉軸位置和速度，這樣系統就無(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整體成本。這些處理器提供性能與片內集成度的最佳融合，使得設計人員能夠實(shí)現許多系統級設計目標，例如：實(shí)時(shí)處理更多數據，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)化系統接口和控制能力。
如今，新技術(shù)正在推動(dòng)電機系統能力實(shí)現范式轉換，設計拓撲結構與處理器特性平衡則可實(shí)現更高的整體系統性能和效率。高性能處理器/DSP支持運用現代高效控制理論完成高級系統建模，從而確保所有實(shí)時(shí)電機系統都能實(shí)現最佳電源和控制效率。無(wú)傳感器矢量控制的廣泛應用勢在必行，必將加速全球提高工業(yè)設備能效和性能的進(jìn)程。
作者：Anders Norlin Frederiksen
來(lái)源：ADI
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