基于高频方波注入的船舶电机无传感器控制研究

高 翔，刘维亭

(江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212003)

基于高频方波注入的船舶电机无传感器控制研究

高 翔，刘维亭

(江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212003)

随着大功率交流调速技术的不断进步，船舶电力推进如今成为船舶行业的主要发展目标。为研究运行可靠稳定、灵活、高性能的船舶电机无位置传感器控制，系统采用高频注入法估算电机转子位置信号，根据基于高频注入永磁同步电机数学模型的研究，该系统中高频采用的是高频方波注入，减少滤波器的使用从而缓解了转子位置延迟现象，同时采用锁相环对电机转子的相位和频率跟踪来计算电机转子的估计转速，克服了估算转速脉动大的困难。利用Matlab对电机控制系统仿真，验证电机控制系统的电机转速平滑稳定，转子位置波形在0–2π有规律往返。最终实现高精度、灵活的无传感器船舶电机控制。

PMSM；高频方波注入；锁相环；无传感器控制

0 引 言

影响船舶动力的主要因素为船舶电力推进系统性能好坏和灵活程度等。船舶推进系统采用电动机带动船体螺旋桨推进船舶行驶。传统的电动机装置带有位置传感器，位置传感器的使用无疑增加经济成本，且噪声大，不易维护，运行条件苛刻等均影响船舶的稳定行驶和安全操作。为提高船舶的稳定性、可靠性等安全因素，采用无位置传感器永磁同步电机来带动螺旋桨以达到平稳推进船舶行驶。永磁同步电机（PMSM）具有结构简易、运行稳定等诸多优点[1]，在高性能调速系统中得到了广泛的应用。国外对永磁同步电机无传感器控制技术的研究相对来说起步较早， M.L.Corley 和 R. D. Lorenz 等[2]率先从事无传感器控制研究，澳大利亚的 M. F. Rahman 教授、丹麦的 F. Blaabjerg等相继在无传感器控制技术上做出相关研究成果。郭庆鼎等[3]在无传感器控制领域深入研究，并取得相应研究成果。

本文设计并实现了高频方波注入下的船舶电机控制系统。阐述高频方波注入船舶电机控制系统的结构，分析系统的控制策略和控制原理，并通过试验结果验证系统设计的有效性。

1 永磁同步电机数学模型

建模时为计算简便，忽略铁芯的磁饱和，不计涡流损耗和磁滞损耗和无阻尼绕组[4]。

1）d-q坐标系定子电压方程

2）定子磁链方程

式中：ud、uq，id、iq，Ld、Lq分别为d-q坐标系中的电压分量、电流分量和电感分量；Rs为定子电枢绕组的电阻；ωe为转子的电角速度；Ψd，Ψq为定子磁链；Ψf为永磁体磁链。

3）转矩方程

4）运动方程

式中：Te为电磁转矩；np为电机极对数；Te为电磁转矩；J为转动惯量。

5）高频注入电压电流方程

其中：

经 park 逆变换[5]，高频励磁电压方程变换为：

因电机转子位置信号为正值，所以需对高频响应电流进行符号一致化处理（即符号取正），再进行归一化[6]得到如下高频响应电流：

利用锁相环[7]对式（7）跟踪处理，估算出电机转子位置信号，进而估算出速度信号。

2 高频方波注入的船舶电机控制系统设计

2.1 永磁同步电机系统组成

图 2 为永磁同步电机无位置传感器控制系统结构，系统由 PMSM、功率驱动、速度调节器、电流调节器、位置观测器组成。电流内环、速度环构成双闭环[8]控制系统。位置观测器是基于高频方波信号注入估算转子位置和转速信号[9]。

图 3为高频方波信号注入的系统原理框图。

2.2 船舶电机控制整体设计

基于高频方波注入的船舶电机控制系统主要有主控模块，桨叶驱动模块驱动螺旋桨，驱动电机，控制电机，电源等。船舶电机控制结构框图如图 4所示。

本文采用永磁同步电机与谐波减速器配合的方法，结合矢量控制[10]方法和id= 0 的控制策略[11]，电流、速度闭环控制实现高频方波注入下的船舶电机无位置传感器控制。

3 实验验证

为验证高频方波注入的船舶电机无位置传感器控制系统的可靠性和有效性，在 Simulink 仿真环境[12]下建立基于高频方波注入的永磁同步电机无位置传感器控制系统，采用id= 0 矢量控制，电机参数选取为：R= 0.8 Ω，Ld= 0.008 H，Lq= 0.021 H，Ψf= 0.175 Wb，J= 0.000 46 kg·m2，极对数Pn= 2，额定功率PN= 1.4 kW，额定转速n= 300 r/min。PI 控制器系数分别为kp= 285，ki= 100。电机仿真模型如图 5所示；图 6为电机实际速度曲线，曲线较为平滑，电机由静止平滑运行至额定转速并稳定运行于额定转速 300 r/min 处；图 7为电机估计速度曲线, 估计转速曲线较为平滑，并与实际转速曲线相似接近，误差小，且运行稳定；图 8为定子电流波形，电机能顺利平稳启动，并快速启动至稳定状态；图 9为转子位置曲线；图 10为转子位置误差曲线。由图可以看出转子位置误差很小。

4 结 语

本文对船舶电机无位置传感器控制的研究得出以下结论：

1）采用高频方波注入法实现，缓解了位置延迟现象；

2）高频方波注入结合矢量控制id= 0，电机控制系统启动平缓稳定；

3）与锁相环结合控制，提高系统估计精度。

以上证明了此方案的可行性。

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Research marine motor sensor-less control based on high frequency square injection

GAO Xiang, LIU Wei-ting
(School of Electrical and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Along with the advance of high power ac speed regulating technique, ship electric propulsion now become the main development goal of shipping industry. In order to research a reliable, stable, flexible and high-powered marine motor sensor-less control, system adopts high frequency signal injection observing motor rotor position signal, and according to the mathematical model research based on high frequency injection permanent magnet synchronous motor, high frequency used in the system is high frequency square wave injection, reduces the use of filter, so reduces the delay phenomenon of the rotor position, uses phase-locked loop to track the phase and frequency of the motor rotor to calculate the estimated motor rotor speed, this overcomes the difficulties of estimate speed ripple. At last, marine motor system with the Matlab simulation, verify the motor speed smooth stability of motor control system, the rotor position waveform in 0~2π regularly commute. Finally realized the high precision and agility of marine motor sensor-less control system.

PMSM；high frequency square signal injection；phase-locked loop；sensor-less control

TM351

A

1672 – 7649(2017)07 – 0098 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.04.020

2016 – 07 – 21；

2016 – 09 – 29

国家自然科学基金资助项目(61503161)；船舶预研支撑技术基金资助项目(13J2.5.2)

高翔(1989 – )，女，硕士研究生，研究方向为电气自动化。