基于永磁同步电机的脉振高频电压注入法控制策略的研究

2022-03-30甘肃电器科学研究院李博浩天水电气传动研究所集团有限公司

内江科技 2022年3期

◇甘肃电器科学研究院李博浩天水电气传动研究所集团有限公司温欢

针对永磁同步电机在受电弓的控制中，在其负载处于低速或者零速状态时系统出现失控的问题提出了永磁同步电机驱动系统的阶段控制方法。首先规定受电弓的升、降弓过程为升降阶段，在现有数学模型的基础之上采用空间脉宽调制技术对矢量控制系统进行研究，通过传统的矢量控制策略完成升降阶段的工作。其次借助带通滤波器和高通滤波器实现一种基于脉振高频电压注入的位置传感器控制策略，实现在低速或者零速状态下的系统驱动。最后通过仿真得出该方法的正确性与有效性。

1 引言

为解决低速或零速带来的转子位置检测失效问题，引入脉振高频电压注入法[3]，即在静止坐标系下向电机的定子注入频率高于基波的脉振电压，通过带通滤波器（BPF）与高通滤波器（SRFHPF）分别获得高频电流信号和转子的位置信息，进而实现永磁电机的低速或零速状态下伺服驱动控制系统。

通过研究相控磁体控制系统的电动机伺服驱动系统[4]，将该伺服驱动控制系统首次用于主动控制高速列车受电弓[5-6]，由于列车利用受电弓的碳滑板与架空线之间的接触摩擦来获得电能[7]。因此，受电弓与网络的接触压力必须保持在一定范围内，以确保火车的良好通行能力。如果接触压力过高，则碳滑板会严重磨损。如果接触压力太低，则很容易从格栅上产生电弧并烧毁碳滑板和接触网。为了确保列车的稳定电流，将永磁同步电动机用作受电弓驱动器，而不是变速箱的气压控制。基于永磁同步电动机的高精度快速反应伺服驱动控制系统，受电弓的碳滑板与架空线之间的压力始终保持在合理范围内。有效降低脱网率，并减少碳滑板上的磨损。通过理论分析和软件仿真，验证了该方法的正确性和有效性。

2 脉振高频电压激励下三相PMSM的电流响应

针对传统的矢量控制[8]系统在解决转子低速或者出现短时间的零速问题时，由于有用信号功率和噪声功率的比值过小，导致转子速度与位置不能精确地预算与检测，为了解决该问题使转子速度与位置的检测达到预期效果，引入脉振高频电压注入法，即通过带通滤波器将三相绕组中的高频电流信号进行处理得到转子的速度与位置。

脉振高频电压注入法[9-10]就是根据传统的矢量控制在旋转坐标轴轴与静止坐标轴轴之间，设定转子的同步旋转坐标轴轴，转子位置角度估计值为θ，实际值为ω，那么转子的估计误差角度，即，其中转子位置角度的估计值与实际值在同步旋转坐标轴之间的关系如图1所示。

图1 转子位置角度的估计值与实际值在同步旋转坐标轴之间的关系

当电机处于低速或者零速的状态时，三相永磁同步电机(PMSM)作为纯感性负载，其反电势忽略不计[11]，采用高频电压注入法时，其电压方程在同步旋转坐标轴d-q轴上的表示：

根据式（1）与（2），将脉振高频电压注入在估计转子同步旋转坐标轴轴中，其在轴中高频电压与电流的分量为，在轴中高频电压与电流的分量为，其关系为：

3 基于跟踪观测器的转子位置估计方法

根据以上公式推导，基于跟踪观测器的转子位置估计方法[12]的脉振高频电压信号注入法的原理图如图2所示，要想得到转子的位置与速度信息就要对估计旋转坐标轴轴的轴的电流进行高频化处理，使电流通过带通滤波器(BPF)得到高频电流成份，根据得知，高频电流不仅与而且与有关，将高频电流分量与高频正弦信号相乘，然后通过低通滤波器（LPF）滤出保留低频部分，因此通过一定的信号处理后使高频电流有关，最后得到转子位置估计器的输入信号：

图2 脉振高频电压信号注入法的原理图

4 永磁同步电机驱动系统的阶段控制策略研究与设计

受电弓作为铁道机车的受流装置，其驱动力控制是否符合要求直接决定着弓网磨耗的程度，如果驱动力过大导致弓网的接触压力过大致使弓网磨耗过大，如果驱动力过小导致弓网接触压力过小致使离线率的增大。因此，对驱动力的良好控制使弓网接触压力在一定范围之内，有利于弓网的良好运行。

当与接触线接触受流时由于弓头的位移移动范围小，（由于弓头与接触线接触受流时其位移移动范围小），电机转子的位移及其速度均处于低速甚至零速状态，采用注入脉振高频电压的方法，其中低通滤波器（LPF）的阶数设置为1，通带边缘频率设置为50Hz。高通滤波器（BPF）阶数设置为2，低通与高通带边缘频率分别设置为1150Hz与1320Hz。设置电机在低速甚至零速状态时的转速为50r/min，在受电弓与接触网相互接触时，电机的实际转速与估计转速基本一致，如图3所示。电机的转子位置实际值在短时间内均准确无误达到了估计值，如图4所示。仿真表明永磁同步电机采用脉振高频电压注入法时电机运转的实际值能够准确地到达系统的估计值，很大程度上解决了电机输出值及时响应弓网压力的波动的问题。