【導(dǎo)讀】在僅有單母線電流傳感器的情況下，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的零低速高頻方波注入、中高速模型參考自適應(yīng)位置觀測(cè)器、零低速與中高速之間的平滑切換、中高速下帶速重投等功能，最終取得了全速范圍高動(dòng)態(tài)性能、高穩(wěn)態(tài)精度無位置傳感器控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提策略的有效性。
作品選用GD32F407VGT6單片機(jī)作為主控芯片，將永磁同步電機(jī)的無感控制技術(shù)與單電流傳感器控制技術(shù)兩個(gè)研究熱點(diǎn)相結(jié)合，利用單母線電流傳感器實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)全速范圍無位置傳感器控制，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：
1）提出一種準(zhǔn)邊沿對(duì)齊脈寬調(diào)制技術(shù)和單母線電流分時(shí)采樣誤差補(bǔ)償方法，提高了單母線電流傳感器電流檢測(cè)精度；
2）提出單母線電流采樣下的基準(zhǔn)邊沿對(duì)齊脈寬調(diào)制技術(shù)的全速無位置傳感器控制策略，零低速采用高頻方波注入位置估計(jì)，并結(jié)合模型參考自適應(yīng)觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了高動(dòng)態(tài)性能、高穩(wěn)態(tài)精度的全速范圍無位置傳感器控制；
3）提出一種單母線電流采樣下的動(dòng)態(tài)零矢量注入初始位置估計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)表貼式/內(nèi)嵌式兩類永磁同步電機(jī)的初始位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)，在電機(jī)具有大初始速度情況下可以快速切入閉環(huán)運(yùn)行（簡(jiǎn)稱帶速重投），為大慣量系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行提供了保障。
作品以國產(chǎn)MCU為核心，配合成熟的硬件方案和完善的軟件算法，解決了永磁同步電機(jī)在單母線電流傳感器拓?fù)潋?qū)動(dòng)下零低速和中高速范圍內(nèi)無位置傳感器控制問題，實(shí)驗(yàn)效果優(yōu)異，對(duì)于提高永磁同步電機(jī)在風(fēng)機(jī)、水泵、電動(dòng)工具等應(yīng)用領(lǐng)域具有積極意義。
算法簡(jiǎn)介
準(zhǔn)邊沿對(duì)齊脈寬調(diào)制及單母線電流分時(shí)采樣誤差補(bǔ)償
QEAPWM方法核心思想是將三相PWM導(dǎo)通時(shí)刻移到一個(gè)邊沿，并重新分布零矢量。QEAPWM的有效矢量計(jì)算與分布，零矢量的插入，PWM邊沿移相，分別如圖1 (a)、(b)、(c)所示，將三相PWM波形移至PWM周期的左側(cè)，生成QEAPWM。
在額定負(fù)載情況下測(cè)試，本作品使用的QEAPWM性能在各方面都非常接近基于SVPWM的常規(guī)方法。通過電機(jī)的電壓方程與采樣矢量dq軸電壓方程udq_s得到采樣矢量作用時(shí)的_dq_軸電流增量進(jìn)行反Park和反Clarke變換，即可得到ABC坐標(biāo)系的電流增量，完成三相電流的補(bǔ)償。
單母線電流采樣下的基于QEAPWM的全速無位置傳感器控制
提出一種方波高頻注入+MRAS觀測(cè)器相結(jié)合的永磁同步電機(jī)全速無位置傳感器控制策略，其控制框圖如圖4所示。
當(dāng)轉(zhuǎn)速小于時(shí)，角度與轉(zhuǎn)速信息均由高頻注入法獲得；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于時(shí)，角度與轉(zhuǎn)速信息均由觀測(cè)器法獲得；當(dāng)轉(zhuǎn)速處于過渡區(qū)間時(shí)，角度與轉(zhuǎn)速信息采用如圖5(b)所示的線性加權(quán)方式獲得。
如圖6所示對(duì)全速域無感進(jìn)行測(cè)試，在空載情況下，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。在帶載情況下，驅(qū)動(dòng)器的角度估計(jì)精度基本無變化。
單母線電流采樣下的動(dòng)態(tài)零矢量注入帶速重投方法
AZVVI通過注入合成矢量等效為零矢量的六有效矢量，通過有效矢量激勵(lì)下的電流紋波采樣，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置和初始速度的估計(jì)與快速帶速重投。圖7所示為注入六個(gè)電壓矢量。圖8為PLL的框圖。
圖9展示是否采用帶速重投策略投切的對(duì)比實(shí)驗(yàn)圖，由于沒有正確估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速，直接重投沖擊電流較大，很有可能造成驅(qū)動(dòng)器的損壞。使用AZVVI法后重新切入，驅(qū)動(dòng)器順利重投而無沖擊電流。
作品總結(jié)
本作品設(shè)計(jì)了基于國產(chǎn)GD32F407VET6主控芯片的永磁同步電機(jī)控制器，并提出一系列創(chuàng)新的電機(jī)控制算法。
在僅有單母線電流傳感器的情況下，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的零低速高頻方波注入、中高速模型參考自適應(yīng)位置觀測(cè)器、零低速與中高速之間的平滑切換、中高速下帶速重投等功能，最終取得了全速范圍高動(dòng)態(tài)性能、高穩(wěn)態(tài)精度無位置傳感器控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提策略的有效性。
所設(shè)計(jì)控制器性能優(yōu)越、成本低、可靠性高，對(duì)提升永磁同步電機(jī)在工業(yè)驅(qū)動(dòng)、航空航天、汽車電子、家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
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