磁场定向控制的永磁同步电动机利用动态速度观测器

由李贾工程师,独立电力系统

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永磁同步电机(永磁同步电动机)普遍地用于工业制造电动汽车、电动飞机、机器人、家用电器等等。矢量控制通常是实现驱动永磁同步电机(永磁同步电动机)有更好的动态响应和使用完整的机器潜力。

确定转子速度和位置是强制实现矢量控制。光学二次传感器和采用霍尔传感器是最常用来测量电机的速度和位置。然而,光学二次传感器和采用霍尔传感器是昂贵,增加成本。

永磁同步电动机驱动器是一个很有前景的解决方案组合,采用低成本的磁场角度传感器和动态观测器来估计准确的转子速度。议员电机控制模块提出了在本文中包括一个电机控制ASIC,磁场角传感器、三相MOSFET功率级,和pre-drivers PCB符合NEMA 23和NEMA 17格式汽车。

电机控制ASIC为应用提供了良好的计算能力,如电机驱动器。188比分直播吧它的工作原理与MA70212位分辨率磁角传感器,检测永磁同步电动机转子的绝对位置。MA702是昂贵的比光学二次传感器和采用霍尔传感器。知道转子的位置在整个过程使电动机转速可以检测到构建一个基于永磁同步电动机的机械的动态状态观测器方程。ASIC使用动态观察过滤出位置测量噪声和估计转子速度采用永磁同步电动机的磁场定向控制(FOC)。


磁场定向控制永磁同步电动机

三相永磁同步电动机机械方程与方程可以表达组(1):

(1)

$ $ v_{和}= r_s i_{和}+ρλ_{和}$ $

$ $ v_ {b} = r_s i_ {b} +ρλ_ {b} $ $

$ $ v_ {cs} = r_s i_ {cs} +ρλ_ {cs} $ $

$ $ T_e = P \{/ 2}λ' _ m[因为i_(θ_e){和}+ cos(θ_e -{2 \ 3}π)i_ {b} + cos(θ_e +{2 \ 3}π)i_ {cs}] $ $

在哪里v,我,λ电压,电流,分别和通量。下标a, b, c代表变量阶段a、b,c。下标s是定子变量,ρ代表特定值的导数,P是永磁同步电动机的极数。
电磁转矩T_e美元是由三相的电流和转子磁通。λ的_m美元转子磁通感觉到在永磁同步电动机的定子侧。角θ_e美元之间的电角转子磁通和定子的一个阶段。

为永磁同步电动机实现船,一个动态模型下q-d需要分离空气gap-flux和电磁转矩。Clarke-Park转换后,永磁同步电动机模型方程(1)设置在同步旋转q-d帧计算方程组(2):

(2)

$ $ v_ {qs} = r_s +ω_rλ_ {ds} +ρλ_ {qs} $ $$ $ v_ {ds} = r_s-ω_rλ_ {qs} +ρλ_ {ds} $ $$ $λ_ {qs} = L_s i_ {qs} + L_m i_ {qr} $ $$ $λ_ds = L_s i_ {ds} + L_m i_{博士}$ $

其中下标q-dq-d轴变量。L_s自身电感和L_m美元美元的互感的机器。进一步简化控制,转子磁通应该对齐d-axis虽然是零q-axis转子磁通。的通量计算方程(3):

(3)

$ $λ_ {qs} = L_s i_ {qs} $ $

$ $λ_ {ds} = L_s i_ _m $ $ {ds} +λ

的选举romagnetic转矩估计与方程(4):

(4)

$ $ T_e = 3 \ {/ 2} {P \ / 2}(λ_m i_ {qs} + (L_d - L_q) i_ {ds} i_ {qs} $ $

转换步骤后从方程(1),方程(2),方程(3),方程(4),磁通可以直接由d-axis控制电流。与转矩常数i_ds美元T_e可以直接通过操作控制美元q-axis电流。如果保持i_ds = 0美元,那么电磁转矩成正比i_qs美元。


图1显示了永磁同步电动机FOC示意图,从上面的推导。

图1

图1:永磁同步电动机FOC示意图

外层循环引用比较测量的变量,和提要的误差控制器(PI控制器是最常用的)生成命令转矩电流$ IQ_ {ref} $。d-axis电流参考美元ID_ {ref} $根据磁通要求。当前监管机构/控制器的输出美元VD_ {ref} $, $ VQ_ {ref} $, $ VD_ {ref},美元和美元VQ_ {ref} $的输入空间矢量PWM (SVPWM)。为逆变器SVPWM块生成门信号驱动永磁同步电动机。


速度传感器驱动为基础的动态观察

MA702检测θ_e美元永久磁铁的位置。转子的速度可以ω_e =ρθ_e $美元计算。数字传感器,MA702不可避免地引入了噪声测量位置。如果把电动机转速直接通过使用位置差,控制方案将恶化。添加一个数字滤波器/估计系统是一种自然的解决这个问题。

系统估计可以构建基于机械永磁同步电动机模型使用方程(5):

(5)

$ $ρω_m = - {B \ / J}ω_m {T_l \ / J} + {T_e \ / J} $ $

$ $ρθ_m =ω_m $ $

其中T_e美元是电磁转矩和T_l美元负载转矩。ω_m和θ_m美元是美元机械转子速度和位置,电机转子转速和位置相比ω_eθ_e美元和美元。机械的速度和位置* $ P \{/ 2} $ =电速度和药水。P永磁同步电动机的极数。参数J和B代表了永磁同步电动机转子的惯性和合并后的粘滞摩擦和负载,分别。

MA702提要电动机的转子绝对位置控制ASIC,力学模型的系统矩阵简单3 x3矩阵只有两个非零元素。一个简单的系统矩阵有助于减少计算负担单片机,使算法更容易实现和更快的执行。

永磁同步电动机的机械模型离散化方程(5)使用欧拉方法。状态变量x,∈和R ^ n美元是美国的一个系统过程,可以用方程表示在离散时间设置(6):

(6)

$ $ xk = Ax_ {k - 1} + Bu_ {k - 1} + w_ {k - 1} $ $求和$ $ k = Hx_k + v_k $ $$ $ p (w) \ sim N (0, Q) $ $$ $ p (v) \ sim N (0, R) $ $

在哪里u是输入变量和y是输出测量。wv的过程噪声和测量噪声协方差的R,分别。

经典控制理论后,状态估计量估计获得K可以用方程(7)计算:

(7)

$ $ x̂_ {k | k} = x̂_ {k | k - 1} + k (y_k-Hx̂_ {k | k - 1}) $ $

美元符号$现代{n} |米代表的估计一个在步骤n一步的观察和m \ le n美元。克拉(^)表示变量的估计。与经典的使用恒定增益状态观测器K,动态观察递归更新估计获得K每一次迭代。

相比FOC示意图(见图1),基于动态速度观测器驱动示意图使用机器测量作为系统的输入执行观察者(参见图2)。动态观测器输出过滤/估计转子速度。使用转子位置进行永磁同步电动机的船。

图2

2:动态观察B以永磁同步电动机船

仿真结果

使用Matlab / Simulink进行仿真结果。电动机用于验证算法议员情感系统TM智能汽车MMP757094-36。完全集成的MMP757094-36是一个家庭的一部分智能电机为伺服电机应用解决方案。188比分直播吧表1显示了电机参数。

1:电机参数


定子电阻相

600年mΩ

定子相电感

600年µh

电动机惯性

210克*厘米2

转矩常数

76 mn * m / A

双极

4



首先,恒速参考(500 rpm)是美联储系统来说明动态观察瞬变期间工作。

图3展示了如何估计速度跟踪实际的电机转速。估计和实际的速度进入稳态后约0.05 s。图4显示的绝对值误差协方差矩阵的行列式的速度响应稳定后下降至零。动态观测器增益变化的响应速度。短暂的时期之后,观察者获得K成为一个常数。

图3

图3:响应速度

4:误差协方差和观察者获得动力


实时硬件结果

验证算法,实时硬件实验结果也被测量。电机控制模块,NEMA 23 57毫米汽车设计,可直接安装在发动机。


5:议员电动机控制模块(左)和国会议员智能电动机(右)

正如在前一节中所讨论的,有MA702喂养的绝对转子位置角传感器的电机控制ASIC使实现动态观察递归迭代更容易和更少的计算负担。因为测量是只有一个变量,而不是通过一个复杂的矩阵变换,观察者获得计算变得简单。整个动态观察计算花费不到20µs为每个迭代。

6实时:Step-Speed响应

图6显示了广泛的引用,速度从1000转到-500转,一步变化的仿真系统。动态观测器估计速度仍然可以跟踪面临的电动机转速不同速度参考步骤。该算法也可以给一个医疗站引用。


结论

本文提出了一种有前途的解决方案永磁同步电动机船作为一种低成本的组合磁场角度传感器和动态观测器来估计准确的转子速度。该算法在电机控制中实现ASIC议员。的MA702提供了一个高分辨率、车载角传感器,因此该算法避免了高维矩阵逆的计算。这简化了代码的开发和计算时间。仿真和实时验证结果显示建议的解决方案具有良好的动态性能和能够控制的永磁同步电动机不同速度的引用。

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