【導讀】在僅有單母線電流傳感器的情況下，實現(xiàn)永磁同步電機的零低速高頻方波注入、中高速模型參考自適應位置觀測器、零低速與中高速之間的平滑切換、中高速下帶速重投等功能，最終取得了全速范圍高動態(tài)性能、高穩(wěn)態(tài)精度無位置傳感器控制，實驗結(jié)果表明所提策略的有效性。
作品選用GD32F407VGT6單片機作為主控芯片，將永磁同步電機的無感控制技術(shù)與單電流傳感器控制技術(shù)兩個研究熱點相結(jié)合，利用單母線電流傳感器實現(xiàn)永磁同步電機全速范圍無位置傳感器控制，主要創(chuàng)新點有：
1）提出一種準邊沿對齊脈寬調(diào)制技術(shù)和單母線電流分時采樣誤差補償方法，提高了單母線電流傳感器電流檢測精度；
2）提出單母線電流采樣下的基準邊沿對齊脈寬調(diào)制技術(shù)的全速無位置傳感器控制策略，零低速采用高頻方波注入位置估計，并結(jié)合模型參考自適應觀測器，實現(xiàn)了高動態(tài)性能、高穩(wěn)態(tài)精度的全速范圍無位置傳感器控制；
3）提出一種單母線電流采樣下的動態(tài)零矢量注入初始位置估計方法，可以實現(xiàn)表貼式/內(nèi)嵌式兩類永磁同步電機的初始位置和轉(zhuǎn)速估計，在電機具有大初始速度情況下可以快速切入閉環(huán)運行（簡稱帶速重投），為大慣量系統(tǒng)的安全可靠運行提供了保障。
作品以國產(chǎn)MCU為核心，配合成熟的硬件方案和完善的軟件算法，解決了永磁同步電機在單母線電流傳感器拓撲驅(qū)動下零低速和中高速范圍內(nèi)無位置傳感器控制問題，實驗效果優(yōu)異，對于提高永磁同步電機在風機、水泵、電動工具等應用領(lǐng)域具有積極意義。
算法簡介
準邊沿對齊脈寬調(diào)制及單母線電流分時采樣誤差補償
QEAPWM方法核心思想是將三相PWM導通時刻移到一個邊沿，并重新分布零矢量。QEAPWM的有效矢量計算與分布，零矢量的插入，PWM邊沿移相，分別如圖1 (a)、(b)、(c)所示，將三相PWM波形移至PWM周期的左側(cè)，生成QEAPWM。
在額定負載情況下測試，本作品使用的QEAPWM性能在各方面都非常接近基于SVPWM的常規(guī)方法。通過電機的電壓方程與采樣矢量dq軸電壓方程udq_s得到采樣矢量作用時的_dq_軸電流增量進行反Park和反Clarke變換，即可得到ABC坐標系的電流增量，完成三相電流的補償。
單母線電流采樣下的基于QEAPWM的全速無位置傳感器控制
提出一種方波高頻注入+MRAS觀測器相結(jié)合的永磁同步電機全速無位置傳感器控制策略，其控制框圖如圖4所示。
當轉(zhuǎn)速小于時，角度與轉(zhuǎn)速信息均由高頻注入法獲得；當轉(zhuǎn)速大于時，角度與轉(zhuǎn)速信息均由觀測器法獲得；當轉(zhuǎn)速處于過渡區(qū)間時，角度與轉(zhuǎn)速信息采用如圖5(b)所示的線性加權(quán)方式獲得。
如圖6所示對全速域無感進行測試，在空載情況下，實現(xiàn)高動態(tài)響應轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。在帶載情況下，驅(qū)動器的角度估計精度基本無變化。
單母線電流采樣下的動態(tài)零矢量注入帶速重投方法
AZVVI通過注入合成矢量等效為零矢量的六有效矢量，通過有效矢量激勵下的電流紋波采樣，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置和初始速度的估計與快速帶速重投。圖7所示為注入六個電壓矢量。圖8為PLL的框圖。
圖9展示是否采用帶速重投策略投切的對比實驗圖，由于沒有正確估計電機轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速，直接重投沖擊電流較大，很有可能造成驅(qū)動器的損壞。使用AZVVI法后重新切入，驅(qū)動器順利重投而無沖擊電流。
作品總結(jié)
本作品設計了基于國產(chǎn)GD32F407VET6主控芯片的永磁同步電機控制器，并提出一系列創(chuàng)新的電機控制算法。
在僅有單母線電流傳感器的情況下，實現(xiàn)永磁同步電機的零低速高頻方波注入、中高速模型參考自適應位置觀測器、零低速與中高速之間的平滑切換、中高速下帶速重投等功能，最終取得了全速范圍高動態(tài)性能、高穩(wěn)態(tài)精度無位置傳感器控制，實驗結(jié)果表明所提策略的有效性。
所設計控制器性能優(yōu)越、成本低、可靠性高，對提升永磁同步電機在工業(yè)驅(qū)動、航空航天、汽車電子、家用電器等領(lǐng)域的應用，具有重要的應用價值。
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