基于PSIM的新型电流源PMSM变频调速研究

吴起行等

摘要： 车用大功率PMSM变频调速系统，由于行驶环境因素的影响，依靠霍尔传感器或光电编码器进行转速测量的可靠性不高，而无位置传感器技术能较好地解决这一问题。此外，传统的电压源逆变器不适合大功率变频调速，而反阻断IGBT器件不断降低的成本使电流源逆变器的应用成为趋势。现基于Powersim公司开发的PSIM软件，对采用自适应积分法进行转速和转子位置估算的新型电流源PMSM变频调速系统进行仿真研究。

Abstract： The reliability of large power PMSM variable frequency speed-regulation system in the field of electric vehicles is not high by using Hall Sensor or Photoelectric Encoder to feedback the rotor speed， because of the complex driving environment. And sensor-less vector control technology is a better solution to this problem. In addition， conventional voltage source inverter is not suitable for large power PMSM drive， and the application of current source inverter will become a trend with the reduction of RB-IGBT devices' production costs. Now the new current source PMSM variable frequency speed-regulation system which uses Adaptive Integral Algorithm to estimate speed and rotor position is simulated with PSIM software which is developed by Powersim Inc.

关键词： 自适应积分法；CSI；SVPWM；PSIM

Key words： Adaptive Integral Algorithm；CSI；SVPWM；PSIM

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）28-0038-02

0 引言

由于车辆行驶及车体内部复杂环境因素的影响，依靠霍尔传感器或光电编码器进行闭环调速可靠性不高。而无位置传感器技术能很好地解决这一问题。目前，无位置传感器估算方法包括反电动势积分法，滑模观测器法等[1]。其中，反电动势积分法适用的转速范围较宽，稳态与动态性能良好，特别适用于PMSM的闭环矢量控制。本文将自适应积分[2]的改进方法应用于电流源PMSM变频调速系统中，并使用PSIM软件进行系统仿真研究。

1 无位置传感器技术

1.1 基于电压平衡方程的反电动势积分法

对于PMSM，其定子磁链幅值ψs，转角θs为：

由此就可通过测量定子电压与电流，并进行积分运算，来估计转子位置及转速。

1.2 自适应积分法

但在控制算法设计时，如只采用积分器进行反电动势积分，会存在直流偏移量。部分文献中，使用一阶低通滤波器代替积分器来消除该偏移[1]，但又会造成定子磁链和转子位置估计误差。为此，引入PI自适应环节作为改进，既消除了直流偏移，又对定子磁链和转子位置的估算误差进行适当补偿，是PMSM无位置传感器调速的一种高性能算法。

图1中PI调节器以正交误差比上磁链幅值得到的相对值作为输入对磁链补偿值ψcmp大小进行调节。

2 电流源PMSM无位置传感器变频调速系统

电流源变频调速系统以反阻断IGBT[3]作为开关器件，采用二逻辑开关状态，因系统对直流母线电流的直接控制，其输出交流电流品质更优。

本电流源变频调速系统以表面式PMSM为控制对象，采用isd=0的空间电流矢量控制，并对交流测并联电容效应进行补偿[4]。系统直流母线电流控制采用最小电流命令产生法[5]，而转角及转速则采用自适应积分法进行估测。

3 PSIM仿真实验

PSIM功能模块多种多样，且算法高效，是一款电力电子及电机拖动领域的理想仿真分析软件。

现使用PSIM分析电流源PMSM无位置传感器变频调速系统，直流侧电压源50V，直流母线电感7.5mH，三相8极的表面式PMSM。

由图2仿真波形可知，该电流源PMSM变频调速系统使用自适应积分法代替转子位置传感器，成功估测转子位置及转速，并实现整体系统的稳定运行。

4 结语

本文使用PSIM软件对采用自适应积分法的电流源PMSM变频调速系统进行了仿真分析，该方法既消除了传统反电动势积分法的直流偏移，又将定子磁链和转子位置的估算误差降到合理范围，从而说明了该方法的优越性，同时也验证了电流源变频调速系统进入电动汽车市场的可行性。

参考文献：

[1]李永东，朱吴.永磁同步电机无速度传感器控制综述[J].电气传动，2009，39（9）：3-10.

[2]Rasmussen H， Vadstrup R， Borsting H. Adaptive Observer for Speed Sensorless PM Motor Control[c]// Conf. Rec. of the 38th Industry Applications Conference， IAS， 2003， 1： 599-603.

[3]Li Zhang， Kai Sun， and Lipei Huang. Comparison of RB-IGBT and normal IGBT in T-type three-level inverter [C]// 15th European Conference， Power Electronics and Applications （EPE）. Lille： IEEE，2013：1-7.

[4]徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].1版.北京：机械工业出版社，2013：95-179.

[5]Al-nabi E， Wu Bin， Dai Jingya et al. High power CSI-fed IPM drive system control with minimum dc-link current[C]// 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. Glendale， AZ： IEEE，2010： 857-863.endprint

摘要： 车用大功率PMSM变频调速系统，由于行驶环境因素的影响，依靠霍尔传感器或光电编码器进行转速测量的可靠性不高，而无位置传感器技术能较好地解决这一问题。此外，传统的电压源逆变器不适合大功率变频调速，而反阻断IGBT器件不断降低的成本使电流源逆变器的应用成为趋势。现基于Powersim公司开发的PSIM软件，对采用自适应积分法进行转速和转子位置估算的新型电流源PMSM变频调速系统进行仿真研究。

Abstract： The reliability of large power PMSM variable frequency speed-regulation system in the field of electric vehicles is not high by using Hall Sensor or Photoelectric Encoder to feedback the rotor speed， because of the complex driving environment. And sensor-less vector control technology is a better solution to this problem. In addition， conventional voltage source inverter is not suitable for large power PMSM drive， and the application of current source inverter will become a trend with the reduction of RB-IGBT devices' production costs. Now the new current source PMSM variable frequency speed-regulation system which uses Adaptive Integral Algorithm to estimate speed and rotor position is simulated with PSIM software which is developed by Powersim Inc.

关键词： 自适应积分法；CSI；SVPWM；PSIM

Key words： Adaptive Integral Algorithm；CSI；SVPWM；PSIM

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）28-0038-02

0 引言

由于车辆行驶及车体内部复杂环境因素的影响，依靠霍尔传感器或光电编码器进行闭环调速可靠性不高。而无位置传感器技术能很好地解决这一问题。目前，无位置传感器估算方法包括反电动势积分法，滑模观测器法等[1]。其中，反电动势积分法适用的转速范围较宽，稳态与动态性能良好，特别适用于PMSM的闭环矢量控制。本文将自适应积分[2]的改进方法应用于电流源PMSM变频调速系统中，并使用PSIM软件进行系统仿真研究。

1 无位置传感器技术

1.1 基于电压平衡方程的反电动势积分法

对于PMSM，其定子磁链幅值ψs，转角θs为：

由此就可通过测量定子电压与电流，并进行积分运算，来估计转子位置及转速。

1.2 自适应积分法

但在控制算法设计时，如只采用积分器进行反电动势积分，会存在直流偏移量。部分文献中，使用一阶低通滤波器代替积分器来消除该偏移[1]，但又会造成定子磁链和转子位置估计误差。为此，引入PI自适应环节作为改进，既消除了直流偏移，又对定子磁链和转子位置的估算误差进行适当补偿，是PMSM无位置传感器调速的一种高性能算法。

图1中PI调节器以正交误差比上磁链幅值得到的相对值作为输入对磁链补偿值ψcmp大小进行调节。

2 电流源PMSM无位置传感器变频调速系统

电流源变频调速系统以反阻断IGBT[3]作为开关器件，采用二逻辑开关状态，因系统对直流母线电流的直接控制，其输出交流电流品质更优。

本电流源变频调速系统以表面式PMSM为控制对象，采用isd=0的空间电流矢量控制，并对交流测并联电容效应进行补偿[4]。系统直流母线电流控制采用最小电流命令产生法[5]，而转角及转速则采用自适应积分法进行估测。

3 PSIM仿真实验

PSIM功能模块多种多样，且算法高效，是一款电力电子及电机拖动领域的理想仿真分析软件。

现使用PSIM分析电流源PMSM无位置传感器变频调速系统，直流侧电压源50V，直流母线电感7.5mH，三相8极的表面式PMSM。

由图2仿真波形可知，该电流源PMSM变频调速系统使用自适应积分法代替转子位置传感器，成功估测转子位置及转速，并实现整体系统的稳定运行。

4 结语

本文使用PSIM软件对采用自适应积分法的电流源PMSM变频调速系统进行了仿真分析，该方法既消除了传统反电动势积分法的直流偏移，又将定子磁链和转子位置的估算误差降到合理范围，从而说明了该方法的优越性，同时也验证了电流源变频调速系统进入电动汽车市场的可行性。

参考文献：

[1]李永东，朱吴.永磁同步电机无速度传感器控制综述[J].电气传动，2009，39（9）：3-10.

[2]Rasmussen H， Vadstrup R， Borsting H. Adaptive Observer for Speed Sensorless PM Motor Control[c]// Conf. Rec. of the 38th Industry Applications Conference， IAS， 2003， 1： 599-603.

[3]Li Zhang， Kai Sun， and Lipei Huang. Comparison of RB-IGBT and normal IGBT in T-type three-level inverter [C]// 15th European Conference， Power Electronics and Applications （EPE）. Lille： IEEE，2013：1-7.

[4]徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].1版.北京：机械工业出版社，2013：95-179.

[5]Al-nabi E， Wu Bin， Dai Jingya et al. High power CSI-fed IPM drive system control with minimum dc-link current[C]// 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. Glendale， AZ： IEEE，2010： 857-863.endprint

摘要： 车用大功率PMSM变频调速系统，由于行驶环境因素的影响，依靠霍尔传感器或光电编码器进行转速测量的可靠性不高，而无位置传感器技术能较好地解决这一问题。此外，传统的电压源逆变器不适合大功率变频调速，而反阻断IGBT器件不断降低的成本使电流源逆变器的应用成为趋势。现基于Powersim公司开发的PSIM软件，对采用自适应积分法进行转速和转子位置估算的新型电流源PMSM变频调速系统进行仿真研究。

Abstract： The reliability of large power PMSM variable frequency speed-regulation system in the field of electric vehicles is not high by using Hall Sensor or Photoelectric Encoder to feedback the rotor speed， because of the complex driving environment. And sensor-less vector control technology is a better solution to this problem. In addition， conventional voltage source inverter is not suitable for large power PMSM drive， and the application of current source inverter will become a trend with the reduction of RB-IGBT devices' production costs. Now the new current source PMSM variable frequency speed-regulation system which uses Adaptive Integral Algorithm to estimate speed and rotor position is simulated with PSIM software which is developed by Powersim Inc.

关键词： 自适应积分法；CSI；SVPWM；PSIM

Key words： Adaptive Integral Algorithm；CSI；SVPWM；PSIM

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）28-0038-02

0 引言

由于车辆行驶及车体内部复杂环境因素的影响，依靠霍尔传感器或光电编码器进行闭环调速可靠性不高。而无位置传感器技术能很好地解决这一问题。目前，无位置传感器估算方法包括反电动势积分法，滑模观测器法等[1]。其中，反电动势积分法适用的转速范围较宽，稳态与动态性能良好，特别适用于PMSM的闭环矢量控制。本文将自适应积分[2]的改进方法应用于电流源PMSM变频调速系统中，并使用PSIM软件进行系统仿真研究。

1 无位置传感器技术

1.1 基于电压平衡方程的反电动势积分法

对于PMSM，其定子磁链幅值ψs，转角θs为：

由此就可通过测量定子电压与电流，并进行积分运算，来估计转子位置及转速。

1.2 自适应积分法

但在控制算法设计时，如只采用积分器进行反电动势积分，会存在直流偏移量。部分文献中，使用一阶低通滤波器代替积分器来消除该偏移[1]，但又会造成定子磁链和转子位置估计误差。为此，引入PI自适应环节作为改进，既消除了直流偏移，又对定子磁链和转子位置的估算误差进行适当补偿，是PMSM无位置传感器调速的一种高性能算法。

图1中PI调节器以正交误差比上磁链幅值得到的相对值作为输入对磁链补偿值ψcmp大小进行调节。

2 电流源PMSM无位置传感器变频调速系统

电流源变频调速系统以反阻断IGBT[3]作为开关器件，采用二逻辑开关状态，因系统对直流母线电流的直接控制，其输出交流电流品质更优。

本电流源变频调速系统以表面式PMSM为控制对象，采用isd=0的空间电流矢量控制，并对交流测并联电容效应进行补偿[4]。系统直流母线电流控制采用最小电流命令产生法[5]，而转角及转速则采用自适应积分法进行估测。

3 PSIM仿真实验

PSIM功能模块多种多样，且算法高效，是一款电力电子及电机拖动领域的理想仿真分析软件。

现使用PSIM分析电流源PMSM无位置传感器变频调速系统，直流侧电压源50V，直流母线电感7.5mH，三相8极的表面式PMSM。

由图2仿真波形可知，该电流源PMSM变频调速系统使用自适应积分法代替转子位置传感器，成功估测转子位置及转速，并实现整体系统的稳定运行。

4 结语

本文使用PSIM软件对采用自适应积分法的电流源PMSM变频调速系统进行了仿真分析，该方法既消除了传统反电动势积分法的直流偏移，又将定子磁链和转子位置的估算误差降到合理范围，从而说明了该方法的优越性，同时也验证了电流源变频调速系统进入电动汽车市场的可行性。

参考文献：

[1]李永东，朱吴.永磁同步电机无速度传感器控制综述[J].电气传动，2009，39（9）：3-10.

[2]Rasmussen H， Vadstrup R， Borsting H. Adaptive Observer for Speed Sensorless PM Motor Control[c]// Conf. Rec. of the 38th Industry Applications Conference， IAS， 2003， 1： 599-603.

[3]Li Zhang， Kai Sun， and Lipei Huang. Comparison of RB-IGBT and normal IGBT in T-type three-level inverter [C]// 15th European Conference， Power Electronics and Applications （EPE）. Lille： IEEE，2013：1-7.

[4]徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].1版.北京：机械工业出版社，2013：95-179.

[5]Al-nabi E， Wu Bin， Dai Jingya et al. High power CSI-fed IPM drive system control with minimum dc-link current[C]// 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. Glendale， AZ： IEEE，2010： 857-863.endprint