数字RDC在PMSM控制系统中的应用

  暴杰，杨责杰，赵金良

(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)

    摘要：为构造结构简单、成本低廉、可靠性高的全数字化永磁同步电动机(PMsM)驱动控制系统，提出了一种具有隆伯格(Luenber)观测器结构的数字轴角变换算法：利用Madah， nk进行软件仿真，并据此搭建了基于数字RDc的PMsM矢量控制平台。仿真和实验结果表明，这种算法抗干扰能力强，能够实现精度较高的电机转子磁极位置检测，改善了伺服控制系统的运行性能

    关键词：隆伯格观测器；数字轴角变换器；旋转变压器；永磁同步电动机

    中图分类号：TM41    文献标识码：A    文章编号：1004—7018(2009)12—0050—03

0引  言

    在永磁同步电动机(以下简称PMsM)的精密伺服驱动控制系统中，获得精准的转子磁极位置信息尤为重要，磁极位置的准确与否直接关系到系统的运行性能。鉴于PMSM的转子磁极位置是物理可观测的，为了得到准确的转子位置信息，工程上的一般做法是在电机上安装高精度的独立位置传感器：传感器有****编码器、增量编码器以及旋转变压器等几种。其中，旋转变压器困其抗干扰和适应环能力强，封装尺寸小、引线少，安装方便、使用可靠而备受青睬，应用广泛。旋转变压器的输出信号是高频调制量，要获得控制电路所需的数字位置信号，必须通过轴角变换器(RDc)对旋转变压器输出的模拟信号进行解调和变换，需要高精度的RDc芯片做硬件支持。然而，高精度的专用RDc芯片价格昂贵，接口电路复杂，对高频调制的位置信号会产生原理性的相位滞后，也无法跟踪加速度不为零和变加速度的位置信号，这些都使得系统的高动态运行性能受到限制。为降低成本，改善系统的运行性能，有学者提出了采用软件算法来实现轴角变换器的方案，即所谓的数字RDc技术。传统的数字RDc算法主要有反正切法和锁相环法[1-4]。等。反正切算法抗干扰能力差，锁相环算法在转子运动形式复杂变化时存在原理误差。针对以上问题，本文构造了基于隆伯格观测器的数字RDc，既保留软件实现RDc的优点，又可消除伺服系统中由于旋转变压器所引起的相位

滞后等问题，有效提高了系统的抗干扰能力和动态特性．

1基于隆伯格观测器的数字RDc构造

    隆伯格观测器[5-7]是一种具有自适应结构的观测器，其实质是状态重构。基本原理是利用原系统中可直接测量到的变量作为新构造系统的输入信号，并使重构状态在一定的条件下等价于原系统状态，等价的原则就是两者的误差在动态变化中能够渐近稳定并且趋近于零。因此它是一种反馈校正方式的闭环状态估计，可以显著提高伺服系统克服参数影响的刚性。隆伯格观测器由以下五个部分组成[8]：传感器输出、功率变换器输出(电气设备的驱动输入)、电气设备数学模型、传感器数学模型以及观测器补偿器单元。根据隆伯格观测器的原理和结构，取电气设备驱动输入为电机电磁转矩Te，电气设备为电动机，传感器为旋转变压器，观测器补偿器为PI调节器，可以构造出电动机系统中的隆伯格观测器[9]，用来观测永磁同步电动机的转子磁极位置。假设电机极对数为p，负载转矩为T1，则其原理框图如图l所示。

    图1中，J为电动机转动惯量，ω1和θ1为隆伯格观测器观测到的电机转子电角速度和转子位置信息，△e是观测器误差vs1和vc1分别是在旋转变压器激磁信号处于****幅值时对其输出采样得到的正余弦信号：

式中：uc为旋转变压器激磁信号的****幅值；k为旋转变压器的变比。

    结合隆伯格观测器原理框图，可得到观测器补偿误差为：

    在电机极对数p、负载转矩正的前提下，PMsM的运动方程如下：

    根据上面的关系，得到电机的转子角加速度后,经过两个积分环节即可获得电机的转子位置θ1，由J/P和两个积分环节构成了电机的估算数学模型；另外，由图l可以看到，将隆伯格观测器观测到的转子位置信息θ1取正弦和余弦后，得到了与旋转变压器正余弦返回信号解调后形式相同的信号sinθ1和cosθ1，即是旋转变压器的估算数学模型。观测器误