作者：Anders Norlin Frederiksen

以電機(jī)和功率級(jí)動(dòng)力學(xué)為中心的高級(jí)建模技術(shù)可以顯著提高電機(jī)控制效率，確保實(shí)時(shí)適應(yīng)系統(tǒng)行為波動(dòng)的精確控制。通過(guò)應(yīng)用無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以提高電機(jī)系統(tǒng)的性能并降低功耗，并符合旨在提高能源效率的新興政府法規(guī)。由下一代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新電機(jī)控制方案有望加速先進(jìn)控制方案的采用。

在過(guò)去十年中，高度暴露的永磁材料的開發(fā)和更容易部署推動(dòng)了許多工業(yè)應(yīng)用中永磁同步電機(jī)（PMSM）在高性能變速電機(jī)中的使用。使用 PMSM 驅(qū)動(dòng)器的固有優(yōu)勢(shì)包括高扭矩重量比、高功率因數(shù)、更快的響應(yīng)、堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)、易于維護(hù)、易于控制和高效率。高性能速度和/或位置控制需要準(zhǔn)確了解轉(zhuǎn)子軸的位置和速度，以便將相位激勵(lì)脈沖同步到轉(zhuǎn)子位置。這意味著需要速度和位置傳感器，例如連接到電機(jī)軸上的絕對(duì)編碼器和磁性旋轉(zhuǎn)變壓器。然而，在大多數(shù)應(yīng)用中，這些傳感器存在一些缺點(diǎn)，例如可靠性降低、易受噪聲影響、額外的成本和重量以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性增加。無(wú)傳感器矢量控制消除了對(duì)速度/位置傳感器的需求，克服了這些挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，研究文獻(xiàn)中提出了幾種解決方案，重點(diǎn)是PMSM的速度和位置無(wú)傳感器方法。已經(jīng)開發(fā)了三種基本技術(shù)來(lái)估計(jì)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的無(wú)傳感器轉(zhuǎn)子位置：

基于反電動(dòng)勢(shì)（反電動(dòng)勢(shì)）估計(jì)的各種技術(shù)

基于狀態(tài)觀察器和擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）的技術(shù)

基于實(shí)時(shí)電機(jī)建模的其他技術(shù)

反電動(dòng)勢(shì)技術(shù)

基于反電動(dòng)勢(shì)技術(shù)的位置估計(jì)根據(jù)電壓和電流估計(jì)磁通和速度，這對(duì)低速范圍內(nèi)的定子電阻特別敏感。由于機(jī)器的反電動(dòng)勢(shì)小，開關(guān)器件的非線性特性產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲，幾乎無(wú)法檢測(cè)到機(jī)器終端上的實(shí)際電壓信息。反電動(dòng)勢(shì)方法在中高速和高速中產(chǎn)生良好的位置估計(jì)，但在低速區(qū)域則失敗。

反電動(dòng)勢(shì)電壓的大小與轉(zhuǎn)子速度成正比，因此在靜止時(shí)無(wú)法估計(jì)初始位置。因此，從未知的轉(zhuǎn)子位置啟動(dòng)可能伴隨著暫時(shí)的反向旋轉(zhuǎn)或可能導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。由于EKF能夠?qū)ι婕半S機(jī)噪聲環(huán)境的非線性系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，因此對(duì)于PMSM的速度和轉(zhuǎn)子位置的在線估計(jì)，EKF似乎是一種可行且計(jì)算高效的候選者。

基于使用磁顯著性的空間顯著性跟蹤的技術(shù)適用于零速運(yùn)行，并且可以在沒(méi)有參數(shù)影響的情況下估計(jì)初始轉(zhuǎn)子位置。對(duì)于轉(zhuǎn)子初始位置，主要有兩種基本方法，基于使用脈沖信號(hào)注入或正弦載波信號(hào)注入。

讓我們看一個(gè)例子。

圖1.反電動(dòng)勢(shì)和初始啟動(dòng)的平衡（歸因于Bon-Ho Bae）。

圖1顯示了不帶位置傳感器的無(wú)傳感器矢量控制方案的框圖。在框圖中，前饋?lái)?xiàng) Vds_ff和 Vqs_ff，對(duì)于軸之間的控制，方程可以構(gòu)造為：

其中 ωr是轉(zhuǎn)子的速度。

僅查看內(nèi)部永磁同步電機(jī)（IPMSM）的標(biāo)準(zhǔn)電壓方程，參考系由下式表示：

與 θ犯 錯(cuò)是真實(shí)角度和估計(jì)角度之間的角度差。

現(xiàn)在重新定位 d 軸時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)：

定義電流PI穩(wěn)壓器將產(chǎn)生一個(gè)小誤差 - θ犯 錯(cuò)很小，D 軸可以表示為：

在圖1的估計(jì)器和推導(dǎo)方程中，誤差信號(hào)Vds_error由PI補(bǔ)償器處理，得出轉(zhuǎn)子的速度，通過(guò)積分估計(jì)的速度計(jì)算轉(zhuǎn)子的角度。在其他傳統(tǒng)方法中，微分過(guò)程用于計(jì)算速度，但這使得系統(tǒng)容易受到噪聲的影響。在Bon-Ho Bae的研究中，實(shí)驗(yàn)研究表明，所提出的估算器為應(yīng)用提供了非常準(zhǔn)確和強(qiáng)大的速度信息。但在零速和低速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)電壓不足以滿足所提出的矢量控制。因此，為了從零速無(wú)縫運(yùn)行，電流以恒定的幅度和預(yù)模式的頻率進(jìn)行控制。這里，同步參考系的角度是通過(guò)對(duì)頻率進(jìn)行積分（初始啟動(dòng)方法）得出的。

EKF技術(shù)

讓我們看另一個(gè)例子，現(xiàn)在使用 EKF 技術(shù)原理（歸功于 Mohamed Boussak），并再次與初始啟動(dòng)相結(jié)合。

圖2.

從PMSM的基礎(chǔ)知識(shí)開始，并將其重寫為四階動(dòng)態(tài)模型，我們得到：

哪里：

永磁同步電機(jī)產(chǎn)生的扭矩為：

動(dòng)態(tài)模型基于一些簡(jiǎn)單的假設(shè) - 忽略正弦反電動(dòng)勢(shì)和渦流，現(xiàn)在給出：

d軸和q軸電流不能由Vd和Vq電壓獨(dú)立控制，因?yàn)閮蓚€(gè)軸之間的交叉耦合效應(yīng)如圖2所示。對(duì)于高性能速度控制，需要應(yīng)用具有去耦前饋補(bǔ)償?shù)膁軸和q軸電流調(diào)節(jié)器。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見圖 3。

圖3.

d 軸參考電流 i*d設(shè)置為零，以最大化 IPMSM 的扭矩與電流比。q軸參考電流i*q通過(guò)調(diào)速器從速度誤差得到，如圖3所示。電流調(diào)節(jié)器的輸出在旋轉(zhuǎn)參考系中提供參考電壓。在圖3的框圖中，前饋?lái)?xiàng)ed和 eq，用于解耦控制，由下式給出：

正如Boussak所描述的，兩種補(bǔ)償（電流控制和電壓指令）是確保穩(wěn)定和最佳控制的重要因素——增強(qiáng)矢量控制和弱磁控制。

EKF因其簡(jiǎn)單性、最優(yōu)性、可追蹤性和魯棒性而成為非線性系統(tǒng)跟蹤和估計(jì)最廣泛使用的方法之一。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)突出極IPMSM的無(wú)傳感器控制，使用EKF來(lái)估計(jì)速度和轉(zhuǎn)子位置。電機(jī)的線路電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩是系統(tǒng)的矢量輸入變量。速度和轉(zhuǎn)子位置是要估計(jì)的兩個(gè)量級(jí)，它們與電機(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(cè)幅度。

對(duì)于無(wú)傳感器IPMSM驅(qū)動(dòng)器的EKF實(shí)施，選擇雙軸參考框架至關(guān)重要。理想的情況是使用連接到轉(zhuǎn)子的 d 軸和 q 軸旋轉(zhuǎn)參考系。該解決方案與IPMSM無(wú)傳感器速度控制不兼容，因?yàn)楣浪闫鞯妮斎胧噶浚娏骱碗妷海┤Q于轉(zhuǎn)子位置。在實(shí)現(xiàn)中觀察到，轉(zhuǎn)子初始位置的估計(jì)誤差可能會(huì)在EKF相對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)的進(jìn)度中引起誤差，從而產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

在這種情況下，Boussak建議將IPMSM控制與轉(zhuǎn)子參考系對(duì)齊。速度和位置僅使用定子電壓和電流的測(cè)量值來(lái)估計(jì)。基于 EKF 的觀察者使用電機(jī)模型，其數(shù)量在固定參考系中α-β連接到定子框架，因此與轉(zhuǎn)子位置無(wú)關(guān)。推導(dǎo)了靜止參考系中IPMSM的非線性動(dòng)態(tài)狀態(tài)模型，以完成估計(jì)器：

兩個(gè)定子電流，電速度和位置被用作系統(tǒng)狀態(tài)變量（更高級(jí)的計(jì)算方案可以在Boussak的工作中找到）。

Bon-Ho Bae和Boussak開發(fā)的部署方法使無(wú)傳感器控制器的可行性保持一致，將更高級(jí)的建模引入實(shí)時(shí)電機(jī)控制方案。在過(guò)去五年中，微控制器和DSP制造商一直高度專注于通過(guò)新型嵌入式處理器提供足夠的性能和必要的功能。這些是使設(shè)計(jì)人員能夠在現(xiàn)實(shí)世界中應(yīng)用現(xiàn)代矢量控制的關(guān)鍵因素。

電機(jī)效率始于處理器

如今，ADI公司新ADSP-CM40x ARM Cortex-M4系列等處理器的增強(qiáng)功能正在實(shí)現(xiàn)性價(jià)比平衡，使更復(fù)雜的電機(jī)控制算法的實(shí)現(xiàn)開始在大批量解決方案中獲得牽引力。特別是在處理器功能方面，內(nèi)置數(shù)字濾波器功能、高性能浮點(diǎn)功能和擴(kuò)展的數(shù)學(xué)功能都允許更復(fù)雜的組合算法來(lái)創(chuàng)建更好的控制器和控制方案，從而將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的效率推近 100%。在行業(yè)內(nèi)，毫無(wú)疑問(wèn)，運(yùn)行基于實(shí)時(shí)模型的估計(jì)器的多個(gè)觀察者模型的增強(qiáng)將有助于提高（i）驅(qū)動(dòng)器的性能，（ii）系統(tǒng)效率和拓?fù)洌约埃╥ii）設(shè)計(jì)的部署方法。關(guān)于（iii），像MATLAB/Simulink這樣的圖形系統(tǒng)今天能夠簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程并增強(qiáng)新算法的開發(fā)。這些工具與執(zhí)行處理器一起，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的部署。與內(nèi)核速度、模數(shù)轉(zhuǎn)換分辨率和內(nèi)存集成相關(guān)的處理器級(jí)增強(qiáng)功能將為設(shè)計(jì)人員提供能力和精度，以實(shí)現(xiàn)更高的質(zhì)量和更高的性能目標(biāo)，同時(shí)加快上市時(shí)間。?

隨著ADI公司最近推出的ADSP-CM40x系列混合信號(hào)嵌入式控制器，在降低價(jià)格的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了顯著的處理性能提升，為以前由性能受限的處理器和微控制器提供服務(wù)的電機(jī)控制應(yīng)用帶來(lái)了DSP級(jí)性能。電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將利用這種性能曲線，通過(guò)使用更先進(jìn)的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)功能和精度，這些算法可用于準(zhǔn)確確定轉(zhuǎn)子軸的位置和速度，從而消除系統(tǒng)中對(duì)位置/速度傳感器的需求。

ADSP-CM40x體現(xiàn)了上述趨勢(shì)，即提高片內(nèi)集成度，例如用于精確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和建模精度的世界級(jí)分辨率ADC，以及用于進(jìn)一步加快算法處理速度的集成閃存，這兩種方法都最大限度地減少了片外組件并降低了整體系統(tǒng)成本。處理器提供性能和片上集成的最佳組合，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)許多系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)目標(biāo)，包括實(shí)時(shí)處理更多數(shù)據(jù)、減少延遲、將處理任務(wù)整合到單個(gè)處理器，以及更靈活地優(yōu)化系統(tǒng)接口和控制功能。

如今，新技術(shù)正在推動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)功能的范式轉(zhuǎn)變，平衡設(shè)計(jì)拓?fù)浜吞幚砥鲗傩裕詫?shí)現(xiàn)更高的整體系統(tǒng)性能和效率。高性能處理器/DSP 使現(xiàn)代高效的控制理論能夠用于高級(jí)系統(tǒng)建模，確保任何實(shí)時(shí)電機(jī)系統(tǒng)的最佳功率和控制效率。無(wú)傳感器矢量控制的廣泛應(yīng)用現(xiàn)已觸手可及，并有望加速全球向更節(jié)能、更高性能的工業(yè)設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)。

審核編輯：郭婷