- 頭條應用于表貼式永磁同步電機轉速環的復合PI無位置傳感器2021-06-08 作者：李垣江 董鑫 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語針對傳統永磁同步電機轉速環PI控制下轉速跟蹤性能差的問題，江蘇科技大學電子信息學院、江蘇舾普泰克自動化科技有限公司的研究人員李垣江、董鑫、魏海峰、張懿、李可禮，在2020年第10期《電工技術學報》上撰文，設計一種復合PI無位置傳感器，應用于表貼式永磁同步電機轉速環控制系統。 在傳統PI控制的基礎上，轉速環采用積分鉗位型抗積分飽和方法，增加給定輸入微分前饋環節和控制增益環節，增強轉速環系統跟蹤響應性能。分析無阻尼自然頻率和阻尼比兩者參數選取，對系統轉矩擾動和角速度測量噪聲抑制能力的影響，證明系統抗轉矩擾動性能與抑制噪聲性能之間存在矛盾。針對該問題，設計以電機轉子角速度為狀態變量的新型滑模觀測器對角速度進行觀測，將其直接引入至轉速閉環系統反饋，避免角速度反饋噪聲對轉速跟蹤性能造成影響。
永磁同步電機因功率密度高、運行可靠等優點被廣泛應用于諸多工業領域，在其控制算法中，PI控制因結構簡單、算法易實現而占據主導地位。然而，永磁同步電機具有多變量、非線性、強耦合的特點，并且在其運行過程中，負載轉矩實時變化，傳統的PI控制技術已無法滿足工業自動化對時變轉速實時跟蹤性和魯棒性的要求。與此同時，轉速閉環系統中，實際轉速反饋大多通過對位置傳感器檢測的轉子機械角度進行微分來間接獲取。
該方法存在三大弊端：①使用位置傳感器增大了電機體積，提高了成本；②復雜環境下位置傳感器易出現故障，系統可靠性降低；③位置傳感器檢測的轉子機械角度存在量化誤差，使得對其微分得到的實際轉速反饋存在測量噪聲，影響閉環系統的跟蹤性能。因此，需摒棄位置傳感器的使用，增強閉環系統轉速反饋的準確性。
為實現永磁同步電機高性能控制，其控制系統內的轉速外環和電流內環均需對其相應指令實時跟蹤，并且對外部干擾具備較強的魯棒性。由于電流內環系統跟蹤性能只與電機內部參數有關，與外部負載擾動無關，往往需通過精確數學模型計算輸出電壓給定即可達到良好的電流跟蹤效果，因此實際工程應用中，電流環參數一旦確定，則適用于各種工況場合，參數無需二次調整。
而對于轉速外環系統，會受到時變轉速給定和時變負載等不確定性外部擾動，要達到轉速實時跟蹤目的較為困難，其控制方法主要包括PI控制、滑模控制、內模控制、自抗擾控制以及二自由度控制等。實際永磁同步電機高性能調速系統中，控制策略仍然以PI控制為主。對于PI控制，其參數整定對于系統跟蹤性能和抗擾性能至關重要。
江蘇科技大學電子信息學院、江蘇舾普泰克自動化科技有限公司的研究人員，針對傳統永磁同步電機轉速環PI控制下轉速跟蹤性能差的問題，設計了一種復合PI控制器應用于表貼式永磁同步電機（Surface Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM）轉速環控制系統。
圖1 系統結構
在傳統PI控制的基礎上，轉速環采用積分鉗位型抗積分飽和方法，增加給定輸入微分前饋環節和控制增益環節，簡化PI參數整定過程，增強轉速環系統跟蹤響應性能。在此基礎上，分析無阻尼自然頻率和阻尼比兩者參數選取對系統轉矩擾動和角速度測量噪聲抑制能力的影響，證明系統抗轉矩擾動性能與抑制噪聲性能之間存在矛盾，需摒棄位置傳感器。當前無位置傳感器控制大多首先通過滑模觀測器觀測到電機兩相靜止坐標系下的反電動勢，對其反正切處理以間接獲得轉子位置和轉速。
該方法通過兩相反電動勢間接計算轉子位置以及轉速，同樣避免不了反饋噪聲的影響。針對該問題，研究人員設計以電機轉子機械角速度為直接狀態變量的新型滑模觀測器，對角速度值進行觀測，將其直接引入至轉速環閉環系統作為反饋，避免角速度反饋噪聲對轉速跟蹤性能造成影響。
圖2 實驗平臺
研究人員以750W表貼式永磁同步電機為實驗對象，對轉速環復合PI無位置傳感器控制策略下的相應實驗波形進行分析研究，實驗結果驗證了時變輸入下復合PI控制相對于傳統PI控制優良的跟蹤性能，新型控制策略對于轉矩擾動和轉速擾動有著較強的魯棒性。另外，考慮到該控制策略目前只能應用于表貼式永磁同步電機，下一步將重點研究控制策略的普及化以及工程化問題，以期實現其實際工程應用。
以上研究成果發表在2020年第10期《電工技術學報》，論文標題為“表貼式永磁同步電機轉速環復合PI無位置傳感器控制”，作者為李垣江、董鑫、魏海峰、張懿、李可禮。
