一种基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒输入功率控制策略

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一种基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒输入功率控制策略

蓝竞豪

广州安捷制造有限公司 511450

摘要：在基于无感矢量控制的基础上，提出一种输入功率的计算方法，并以此实现恒输入功率控制。常用的输入功率计算其计算量大、相应速度慢、需增加采样电路。增加了硬件成本和MCU资源，而该方法根据文中的原则，根据Q轴电流及占空比推算出输入功率，并以此做恒输入功率控制策略。实验结果验证了方案的可行性和可靠性。具有较大的工程实用价值，并且已在工业产品中成功应用。

关键字：永磁同步电机 无速度传感器 输入功率计算 恒输入功率控制

0 引言

带霍尔传感器的永磁同步电机控制系统，能够时刻通过霍尔传感器感知转子位置和转速信息，所以控制相对稳定可靠。但引入霍尔传感器会增加电机的体积和成本，而且由于加入霍尔传感器需要增加连线，连线之间容易引起干扰，从而降低了电机的性能。此外，霍尔传感器需精确安装，这样就大大增加电机的生产工艺难度。所以，采用无霍尔传感器控制策略具有很大的实际意义。目前很多厂家都开始逐步推广无霍尔传感器的永磁同步电机，解决带霍尔传感器的弊端，大大拓展了永磁同步电机的应用范围。

目前不少盘管风机客户通常需要用一款电机覆盖一系列负载产品，通过不同的输入功率和最高转速来进行区分、匹配负载，这就需要一种可靠有效的恒输入功率控制策略。传统的输入功率计算，需要知道母线电流或者输入电流以及输入电压，而且母线电流其信号并不是标准正弦波，这就增加了计算复杂度，并且需要采样电压电流信号，无形中增加了硬件成本和MCU资源；

本论文提出一种矢量控制的永磁同步电机的恒功率控制，解决现有技术中：

1. 不增加任何硬件成本，不需要增加电流采样回路；

2. 根据电机的输出电流和母线电压推算出输入功率，并对其进行恒功率控制；

3. 客户只需通过通讯编程设定最大功率和最高转速这两个参数，即可实现控制器对负载的匹配，极大的提高生产效率，降低成本；

1 关系推导

一般来说电机的输入瞬时功率可表示为：

Pi = vas*ias + vbs*ibs + vcs*ics(1)

其中： Pi为输入功率，vas、vbs、vcs为相电压，ias、ibs、ics为相电流。

根据矢量控制的坐标转换，abc三相电压和电流可以等效为：

Iabc = [Tabc]-1* iqd0(2)

Vabc = [Tabc]-1* vdq0(3)

其中，，iqd0，vdq0分别为电流和电压的d轴、q轴和0轴分量。

这样输入功率的表达式可以改为：

Pi = 1.5 * (vqs * iqs + vds * ids)(4)

其中， Pi 为输入功率，vds、ids、vqs 、iqs 分别为电压、电流的d轴、q轴分量。

对于一般的无感矢量控制策略，把电流根据估算的角度进行解耦成Id和Iq两个直流分量。Id为励磁电流，Iq为力矩电流，对于永磁同步电机的矢量控制，在稳态状态下励磁电流Id为0，那么主要的电流分量为力矩电流，此时电机的输入功率可进一步简化为：

Pi = 1.5 * (vqs * iqs) ≈ K * Udc * Duty * Iqs(5)

其中，Udc为直流母线电压，Duty为输出占空比，Iqs为q轴电流，K为比例系数；稳态状态输入功率与母线电压乘以占空比再乘以电流q轴分量是成线性比例关系；这个比例系数K只与电机的特性有关，和负载没有关系，那么这就为恒功率控制以及一款电机匹配多个负载建立的理论基础；

2 工程实现

按照上述的方式驱动最大的盘管风机负载，计算的输入功率值和真实的输入功率值关系如下：

通过Matlab软件进行分析拟合，x轴为计算值，y轴为实际功率值，计算值和实际功率值的误差在±0.5W范围内，也进一步验证了上述理论的可行性；

计算值和真实值的相互转换关系如下：

Preal = -3.4e-06*Pcalc2 + 0.062 * Pcalc + 2(6)

Pcalc = 0.027*Preal2 + 15 * Preal - 9.3(7)

其中，Preal为真实输入功率值，Pcalc计算的输入功率值，客户下发的恒输入功率指令值按照公式（7）折算为计算值作为恒输入功率控制的给定，根据Iq、Udc和Duty参数按照公式（5）计算当前输入功率的计算值作为反馈；功率计算值按照公式（6）折算为真实功率值反馈给客户主控系统；

上图为永磁同步电机矢量控制的基本控制原理图，其中红色框为恒输入功率控制的原理图；Pref为客户主控系统通过通讯实时下发的输入功率指令值，PowerLimit为客户根据负载设定好的最大功率限定值；恒功率控制环替代了传统控制系统的转速环控制，电机运行时的转速给定为客户根据负载设定的最大转速；Preturn为反馈到主控系统的实时输入功率值；

其中，PowerLimit和最大转速设定值为客户根据匹配的负载类型，提前通过通讯，按照制定好的通讯协议下发到MCU中，MCU收到数据后并写入到FLASH中；MCU重新上电后会先从FLASH中读取这些数据并运用到控制系统中；客户也可以通过通讯查询这些写入的数据；

3 结论

本策略可在不增加任何硬件成本的基础上计算输入功率，并以此作为恒输入功率控制策略，控制误差在±0.5W范围内；并且客户可以根据此控制策略，在不用修改任何软件和硬件的条件下，只需根据不同类型的负载，通过通讯编程设定好最大功率限定值和最高转速限定值，就可以做到控制器和负载的匹配，极大的提高工作效率和生产成本。

作者简介：蓝竞豪 男 1980年生 中级电气工程师 主要从事永磁同步电机控制系统软件开发设计工作。E-mail：jefferson_lan@126.com