先進(jìn)的電機(jī)和功率級動態(tài)特性建模技術(shù)可以大大提高電機(jī)控制效率，保證根據(jù)系統(tǒng)行為的實(shí)時變化進(jìn)行精確控制。通過無傳感器矢量控制技術(shù)，設(shè)計人員可以增強(qiáng)電機(jī)系統(tǒng)的性能，降低功耗，并滿足旨在提高能效的新法規(guī)的要求。基于新一代數(shù)字信號處理技術(shù)的新型電機(jī)控制方案有望加速先進(jìn)控制方案的應(yīng)用。
在過去的十年中，隨著永磁材料的不斷發(fā)展和被調(diào)查資源的更容易開發(fā)，越來越多的高性能變速電機(jī)和永磁同步電機(jī)(PMSM)被用于工業(yè)應(yīng)用。使用PMSM驅(qū)動的內(nèi)在優(yōu)勢包括：高扭矩重量比，高功率因數(shù)，更快的反應(yīng)，耐用的結(jié)構(gòu)，易于維護(hù)，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(zhuǎn)軸的位置和速度，以使相位激勵脈沖與轉(zhuǎn)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(yīng)安裝在電機(jī)軸上。然而，在大多數(shù)應(yīng)用中，這些傳感器會帶來許多缺點(diǎn)，例如可靠性降低、易受噪聲影響、成本和重量增加以及驅(qū)動系統(tǒng)更加復(fù)雜。無傳感器矢量控制不需要速度/位置傳感器，因此這些問題將不再存在。
近年來，關(guān)于PMSM無速度傳感器速度和位置控制方法的研究文獻(xiàn)有很多。對于由PMSM驅(qū)動的無傳感器轉(zhuǎn)子位置估計，已經(jīng)開發(fā)了三種基本技術(shù)：
基于反電動勢(BEMF)估計的各種技術(shù)
基于狀態(tài)觀測器和擴(kuò)展卡爾曼濾波器的技術(shù)(EKF)
基于實(shí)時電機(jī)建模的其他技術(shù)
反電動勢技術(shù)
基于反電動勢技術(shù)的位置估計根據(jù)電壓和電流估計磁通量和速度。在較低的速度范圍內(nèi)，這種技術(shù)對定子電阻特別敏感。由于機(jī)器的反電動勢很小，開關(guān)設(shè)備的非線性特性會產(chǎn)生系統(tǒng)噪聲，很難獲得關(guān)于機(jī)器端子的實(shí)際電壓信息。在中高速范圍內(nèi)，反電動勢法可以獲得較好的位置估計，但在低速范圍內(nèi)不可行。
反電動勢電壓的幅度與轉(zhuǎn)子速度成正比，因此無法估計靜止時的初始位置。因此，從未知的轉(zhuǎn)子位置起動可能伴隨著暫時的反轉(zhuǎn)，或者可能導(dǎo)致起動失敗。EKF可以在隨機(jī)噪聲環(huán)境中對非線性系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計，因此它似乎是PMSM速度和轉(zhuǎn)子位置估計的一種可行且計算效率高的候選方法。
基于空間顯著性跟蹤的技術(shù)利用了磁顯著性，適用于零速運(yùn)行，可以在不受其他參數(shù)影響的情況下估計轉(zhuǎn)子初始位置。轉(zhuǎn)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。
我們來看一個例子。
圖1。反電動勢和初始啟動之間的平衡(來自Bon-Ho Bae)
圖1是沒有位置傳感器的無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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
只看內(nèi)置PMSM (IPMSM)的標(biāo)準(zhǔn)電壓公式，坐標(biāo)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(xiàn)在重新定位D軸，你可以得到：
假設(shè)電流PI調(diào)節(jié)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(dǎo)出公式中，誤差信號Vds_error由PI補(bǔ)償器處理以導(dǎo)出轉(zhuǎn)子速度，并且通過對所估計的速度進(jìn)行積分來計算轉(zhuǎn)子角度。其他常用的方法使用微分法計算速度，但這會使系統(tǒng)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(yīng)用提供非常準(zhǔn)確和可靠的速度信息。然而，在零速度和低速時，反電動勢電壓不夠高，不足以用于所提出的矢量控制。因此，為了從零速度進(jìn)行無縫操作，估計器以恒定的幅度和預(yù)定的模式頻率控制電流。這里，同步坐標(biāo)系的角度是通過對頻率進(jìn)行積分得到的(初始啟動方法)。
EKF技術(shù)公司
現(xiàn)在讓我們看另一個使用EKF技術(shù)原理的例子(來自Mohamed Boussak)，它也與初始啟動相結(jié)合。
圖2。
從PMSM的基本公式開始，改寫成四階動力學(xué)模型：
image/SAo176cEqhJdGe?from=pc">其中：
PMSM所產(chǎn)生的扭矩為：
動態(tài)模型基于一些簡單的假設(shè)，忽略正弦反電動勢和渦電流，于是可以得到：
由于d軸和q軸之間存在交叉耦合效應(yīng)，如圖2所示，因此兩個軸的電流無法由電壓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項ed和eq由下式給出：
正如Boussak所述，兩個補(bǔ)償機(jī)制(電流控制和電壓命令)對于確保穩(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)跟蹤和估計方法之一。為實(shí)現(xiàn)對凸極IPMSM 的無傳感器控制，可以利用EKF估計速度和轉(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)子位置是需要估計的兩個幅度，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幅度。
要對無傳感器IPMSM驅(qū)動實(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無傳感器速度控制不兼容。實(shí)施過程中可觀察到，轉(zhuǎn)子初始位置的估計誤差可能會將誤差引入EFK相對于實(shí)際系統(tǒng)的處理過程中，從而引起嚴(yán)重后果。
對于這種情況，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量結(jié)果來估計。基于EKF的觀測器所使用的電機(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)系中的非線性動態(tài)模型，以完成估計器公式：
兩個定子電流、電機(jī)速度和位置用作系統(tǒng)狀態(tài)變量(更高級計算方案請參考Boussak的論文)。
諸如Bon-Ho Bae和Boussak所開發(fā)的部署方法，利用無傳感器控制器的可行性將更高級模型引入實(shí)時電機(jī)控制方案。過去5年來，微控制器和DSP制造商一直積極通過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)型處理器正在將性價比提升到新的水平，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)動的效率接近100%。在工業(yè)領(lǐng)域，對運(yùn)行實(shí)時模型估計器的多觀測器模型的改善，無疑將有助于增強(qiáng)：(i)驅(qū)動性能，(ii)系統(tǒng)效率和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及(iii)設(shè)計的部署方法。就第(iii)方面而言，MATLAB/Simulink?等圖形系統(tǒng)便能夠簡化設(shè)計流程，促進(jìn)新算法的開發(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)換精度和存儲器集成有關(guān)的處理器級改善將使設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)更高的質(zhì)量和性能目標(biāo)，同時加速產(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)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)許多系統(tǒng)級設(shè)計目標(biāo)，例如：實(shí)時處理更多數(shù)據(jù)，延時更短，將處理任務(wù)集中于單個處理器進(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)正在推動電機(jī)系統(tǒng)能力實(shí)現(xiàn)范式轉(zhuǎn)換，設(shè)計拓?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系統(tǒng)建模，從而確保所有實(shí)時電機(jī)系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)最佳電源和控制效率。無傳感器矢量控制的廣泛應(yīng)用勢在必行，必將加速全球提高工業(yè)設(shè)備能效和性能的進(jìn)程。
作者：Anders Norlin Frederiksen
來源：ADI
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