基于高频注入的船用无感永磁推进电机振动控制

宋义超

基于高频注入的船用无感永磁推进电机振动控制

宋义超

(海装武汉局 武汉 430064）

针对采用无位置传感器的船用永磁推进同步电机，分析了逆变器非线性、相电流采样偏差和高频脉振信号对电机电磁振动的影响。为削弱位置辨识偏差中的特征谐波分量，本文引入基于内嵌凹口滤波器的位置提取算法，降低了电机低频特征振动，增强了对高频谐波的抑制效果。最后通过仿真验证了本文理论分析的正确性和所提策略的有效性。

永磁同步电机 高频注入 振动控制 凹口滤波器

0 引言

随着钕铁硼稀土永磁体综合性能的提升和电机控制技术的发展，永磁同步电机以其功率密度大、调速范围宽、维护方便等优点在船用电力推进领域的应用日益广泛。为实现对电机转速和扭矩的精准控制，通常需要在电机旋转部件上安装霍尔等机械式位置传感器获得电机转子位置和速度信息，这些机械式位置传感器一般需要额外供电。在海洋高湿度、高腐蚀和高盐雾的自然条件下，采用这些机械部件增加了施工的复杂性和难度，并且降低了系统可靠性；因此，适用于船用推进永磁同步电机的无机械式位置传感器控制技术得到日益广泛的关注[1-3]。

船用推进永磁同步电机静止或低速工况运行时，无法从电机反电动势、磁链等状态量中提取出位置信息。此时，利用电机交直轴电感凸极效应的高频注入算法成为低速位置辨识的理想选择。文献[4]给出了永磁同步电机高频数学模型，通过分析电机交直轴电感与高频脉振信号之间的关系，利用带通滤波器提取出了交轴电流中的高频成分，得到了位置辨识偏差信息，进而通过“bang-bang”积分控制器得到转子位置信息。文献[5]分析了高频脉振电压与电机输出转矩之间的关系，通过采用PI控制器，削弱了位置辨识中的纹波分量，进而降低了输出转矩的特征分量。文献[6]对比了不同高频电压注入方式和电机转子结构对位置辨识结果的影响，分析发现，相比无位置传感器控制技术，转子永磁体几何结构对位置辨识的影响更大。文献[7]建立了一种新型永磁同步电机高频交直轴模型，该模型考虑了凸极效应对电感和电阻的影响，可以得到电机位置辨识算法的理想结果。文献[8-9]采用高频方波电压作为注入信号，相比正弦电压信号，提高了位置辨识的动态特性，缺点是PWM载波频率需要设置为高频注入信号频率的整数倍。文献[10]研究了基于载波信号注入的永磁无刷交流电机位置辨识算法，在考虑模数采样量化误差的基础上，引入了算法安全操作区（SSOA）的概念，通过定义电流平面内的工作区域，为高频注入载波信号的选择提供了依据。目前针对高频信号注入位置辨识算法的研究主要集中在电机凸极结构设计和如何利用高频注入信号获得转子位置信息上，对注入所引起负面振动噪声问题的研究很少。

针对船用推进永磁同步电机，本文给出了一种基于高频脉振交流电压信号注入的位置辨识算法，分析了逆变器非线性、相电流采样偏差和高频脉振电流对电机电磁振动的影响。采用基于内嵌凹口滤波器的位置提取算法减小了位置辨识偏差中的特征频率交流分量，降低了电机特征频次的振动，增强了对高频谐波的抑制效果。最后通过仿真验证了本文理论分析的正确性和所提策略的有效性。

1 基于高频脉振电压信号注入的转子位置辨识算法

忽略电机定子电阻、反电动势和交直轴交叉耦合项的影响，由于高频注入信号的频率远高于电机旋转电频率，可得PMSM在高频激励下的理想模型为：

根据图1，可得辨识坐标系下高频脉振电流的表达式：

2 位置辨识算法振动影响分析

2.1 电流非理想采样振动影响分析

推导可得：

经过低通滤波可得：

图2 基于高频注入的电机转子位置辨识方框图

2.2 逆变器非理想开关振动影响分析

高频脉振电压需要通过变频器注入到电机绕组两端，但是由于功率管非理想开断和导通压降等因素，电机绕组两端真实电压与给定值存在偏差。忽略零电流钳位效应的影响，根据冲量守恒定律，功率管平均误差电压可以表示为：

3 基于凹口滤波器的特征频次振动控制

本文提出的凹口滤波器传递函数为

式中：为电机基频电频率，1为二阶微分环节阻尼系数，2为二阶振荡环节阻尼系数，为需要抑制的特征频次谐波。

4 仿真和分析

对辨识转速进行频谱分析，受死区等因素的影响，电机转速6倍频波动最大，设置凹口滤波器特征频次谐波=6，1=0.1

图4为给定电角速度启动时，电机转速辨识值和实际值的波形图，从中可知，基于高频注入的位置辨识算法性能良好。

图5到图6为电机转子位置和速度辨识波形图。图5为电机机转子角速度的辨识值和实际值；图6为电机转子角速度辨识偏差值，转速辨识偏差最大值由控制前的5 rad/s降至1 rad/s，降低了90%，验证了本文凹口滤波器的有效性。

图7为电机转子位置辨识值和实际值。从中可知，使能凹口滤波器不会增加位置辨识偏差。

5 结论

图3 所示为不同参数变化时凹口滤波器的伯德图

图5 电机转子角速度辨识波形图

图6 电机转子角速度辨识偏差波形图

图7 电机转子位置辨识偏差波形图

本文在传统基于高频脉振交流电压信号注入的位置辨识算法的基础上，分析了逆变器非线性、电流采样偏差和高频注入信号对电机振动的影响，进而根据凹口滤波器和Markov链随机算法提出了针对电机不同频次振动进行抑制的算法，最后进行了仿真验证。本文结果表明：

a）开关管死区效应和导通压降使得电机绕组电压实际值和给定值之间出现偏差，电机表现出6k次振动分量；

b）电流采样调理偏差使得位置辨识偏差出现直流和交流分量，降低系统功率因素，增加了电机二次特征电频率振动；

c）基于内嵌凹口滤波器的位置提取算法可以削弱位置辨识算法对电机特征频次振动的影响。

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Study on Vibration Reduction of Marine Permanent Magnet Propulsion Motor without Position Sensor

Song Yichao

(Wuhan Military Representatives Bureau of Navy Equipment Department, Wuhan 430064, China)

TM351

A

1003-4862（2019）12-0001-05

2019-09-12

宋义超（1973-），男，高级工程师。研究方向：电力电子。E-mail: songyao100@163.com