CN101299586A - 永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器及构造法 - Google Patents

Abstract

本发明是永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器及构造方法，适用于永磁同步电机在不安装机械式速度传感器条件下的高性能调速控制，其结构是包括无速度传感器逆控制器，功率变换器和电流和电压霍尔传感器：其构造方法，由线性闭环调节器、永磁同步电机的逆系统、逆Park变换、空间矢量脉宽调制SVPWM模块和转子位置与转速估计器为采用数字信号处理器，通过编制程序软件来实现。优点：用于构造新型的永磁同步电机变频调速器，实现永磁同步电机无机械式速度传感器的高性能转速与伺服控制。广泛应用于以永磁同步电机为动力装置的交流电力传动与伺服系统，调速系统无需在电机转轴上安装机械式传感器，硬件结构简单，运行可靠，成本低。

Description

永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器及构造法

技术领域

本发明是一种永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器及构造方法，适用于永磁同步电机的高性能变频调速或伺服控制，属于电力传动控制设备的技术领域。

背景技术

目前，采用交流电机替代直流电机已成为现代电力传动与伺服系统发展的主流方向。交流传动系统中常用的电机主要有鼠笼异步电机与永磁同步电机。与异步电机通过定子电流的励磁分量来产生气隙磁场的工作方式不同，永磁同步电机是通过转子永磁体来产生气隙磁场，其优点在于结构简单、功率密度大、无励磁损耗、运行效率高。因此，永磁同步电机在航空航天、工业自动化装置、电动车、医疗器械，家用电器和计算机外围设备等领域的应用越来越多。高性能的永磁同步电机调速或伺服系统，大多采用矢量控制技术对电机进行闭环控制。系统实现时，闭环转速反馈信号一般由安装在电机转轴上的机械式传感器来获取，常用的速度传感器有增量式光电编码器和测速发电机。然而，在电机转轴上安装机械式传感器将使系统的硬件结构复杂，可靠性降低，实现成本增大。

发明内容

本发明是提供一种无需在电机转轴上安装机械式速度传感器，硬件结构简单、易于实现，运行可靠的永磁同步电机无速度传感器逆控制变频调速器及构造方法。将功率变换器、永磁同步电机及负载作为一个整体组成复合被控对象。采用扩展的Kalman滤波器来估计转子位置和转速，用于构造永磁同步电机逆系统，将永磁同步电机逆系统置于功率变换器与永磁同步电机系统之前，组成伪线性系统，再依据线性系统的综合方法设计线性闭环调节器，线性闭环调节器与逆系统形成复合控制器，对功率变换器与永磁同步电机系统进行控制，实现永磁同步电机的无机械式速度传感器的变频调速。

本发明的技术解决方案：永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器，其特征是包括无速度传感器逆控制器，功率变换器和电流和电压霍尔传感器，其中无速度传感器逆控制器中的空间矢量脉宽调制SVPWM模块的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端与复合被控对象中的IGBT三相逆变器的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端对应相接，无速度传感器逆控制器中的Clarke变换的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端与电流和电压霍尔传感器的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端对应相接，电流和电压霍尔传感器的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端与复合被控对象中的IGBT三相逆变器的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端对应相接。

永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器构造方法，由线性闭环调节器、永磁同步电机的逆系统、逆Park变换、空间矢量脉宽调制SVPWM模块和转子位置与转速估计器为采用数字信号处理器DSP，通过编制程序软件来实现。无速度传感器逆控制器、功率变换器与电流和电压霍尔传感器共同组成永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器。

本发明的优点在于：(1)将逆系统与功率变换器与永磁同步电机系统串联，使对功率变换器与永磁同步电机系统这个多变量、强耦合和非线性系统的控制，转化成两个单变量的一阶线性系统的控制，由扩展的Kalman滤波器来估计转子位置与转速，采用线性控制方法设计闭环调节器，可获得动态响应快、稳态精度高和抗负载扰动能力强的转速跟踪控制性能。调速系统不需要在电机转轴上安装机械式传感器，硬件结构简单，运行可靠，实现成本低廉。(2)本发明可用于许多不宜在电机轴上安装机械式速度传感器，并要求有高能量转换效率、高性能调速和高可靠性运行的电力传动与伺服控制应用场合，可显著提高永磁同步电机无速度传感器变频调速系统的运行性能。本发明用于构造新型的永磁同步电机变频调速器，实现永磁同步电机无机械式速度传感器的高性能转速与伺服控制。可广泛应用于以永磁同步电机为动力装置的交流电力传动与伺服系统，应用前景广阔。

附图说明

附图1是交-直-交功率变换器电路结构示意图。

附图2是复合被控对象电路结构示意图。

附图3是伪线性系统的结构图。

附图4是图3的等效图。

附图5是转子位置与转速估计器结构示意图。

附图6是闭环解耦控制系统的结构图。

附图7是采用无速度传感器逆控制变频调速器对永磁同步电机及其负载进行控制的结构示意图。

附图8是以数字信号处理器作为无速度传感器逆控制器的永磁同步电机无速度传感器逆控制变频调速器的结构意图。

附图9是采用数字信号处理器作为无速度传感器逆控制器对永磁同步电机进行变频调速控制时的程序流程图。

图中的1是二极管三相不控整流器、2是电容滤波器、3是IGBT三相逆变器、4是功率变换器、5是永磁同步电机、6是负载、7是复合被控对象、8是空间矢量脉宽调制SVPWM模块、9是逆Park变换、10是永磁同步电机的逆系统、11是定子电流子系统、12是转速子系统、13是伪线性系统、14是定子电流调节器、15是转速调节器、16是线性闭环调节器、17是Clarke变换、18是扩展的Kalman滤波器、19是Park变换、20是转子位置与转速估计器、21是无速度传感器逆控制器、22是电流和电压霍尔传感器、23是数字信号处理器，24是无速度传感器逆控制变频调速器。

具体实施方方式

对照附图1，其结构是由二极管三相不控整流器1、电容滤波器2和IGBT三相逆变器3组成。

对照附图2，其结构是是由功率变换器4和永磁同步电机5及其负载6形成。

对照附图3，其结构是伪线性系统13由永磁同步电机的逆系统10、逆Park变换9、空间矢量脉宽调制SVPWM模块8、功率变换器4、永磁同步电机5与负载6构成。

对照附图4，其结构有定子电流子系统11和转速子系统12。

对照附图5，其结构是由Clarke变换17、扩展的Kalman滤波器18和Park变换19组成。

对照附图6，其结构是由线性闭环调节器16和伪线性系统13组成。其中伪线性系统13中包括定子电流子系统11和转速子系统12；线性闭环调节器16中包括定子电流调节器14和转速调节器15。

对照附图7，其结构是包括无速度传感器逆控制器21，复合被控对象7和电流和电压霍尔传感器22，其中无速度传感器逆控制器21中的空间矢量脉宽调制SVPWM模块8的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端与复合被控对象7中的IGBT三相逆变器3的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端对应相接，无速度传感器逆控制器21中的Clarke变换17的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端与电流和电压霍尔传感器22的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端对应相接，电流和电压霍尔传感器22的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端与复合被控对象7中的IGBT三相逆变器3的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端对应相接。

所述的无速度传感器逆控制器21包括空间矢量脉宽调制SVPWM模块8，逆Park变换9，永磁同步电机的逆系统10，线性闭环调节器16和转子位置与转速估计器20，其中线性闭环调节器16中的定子电流调节器14、转速调节器15的输出端分别与永磁同步电机的逆系统10的第一信号输入端、第二信号输入端对应相接；转子位置与转速估计器20中的Clarke变换17的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端与扩展的Kalman滤波器18的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端对应相接；Clarke变换17的第一信号输出端、第二信号输出端分别与Park变换19的第一信号输入端、第二信号输入端对应相接；扩展的Kalman滤波器18的第一输出端与转速调节器15的输入端、永磁同步电机的逆系统10的第三信号输入端相接，扩展的Kalman滤波器18的第二输出端与逆Park变换9的第三输入端、Park变换19的第三信号输入端相接，Park变换19的第一信号输出端、第二信号输出端与永磁同步电机的逆系统10的第四信号输入端、第五信号输入端对应相接；永磁同步电机的逆系统10的第一信号输出端、第二信号输出端分别与逆Park变换9的第一信号输入端、第二信号输入端对应相接，逆Park变换9的第一信号输出端、第二信号输出端与空间矢量脉宽调制SVPWM模块8的第一信号输入端、第二信号输入端对应相接。

所述的复合被控对象7包括功率变换器4、永磁同步电机5、负载6，其中功率变换器4中的二极管三相不控整流器1的第一信号输出端、第二信号输出端与电容滤波器2的第一信号输入端、第二信号输入端对应相接，电容滤波器2的第一信号输出端、第二信号输出端与IGBT三相逆变器3的第四信号输入端、第五信号输入端对应相接；功率变换器4的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端与永磁同步电机5的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端对应相接，永磁同步电机5接负载6。

所述的无速度传感器逆控制变频调速器24由无速度传感器逆控制器21、转子位置与转速估计器20、电流和电压霍尔传感器22以及功率变换器4共同组成。

对照附图8，其结构由是包括DSP数字信号处理器23、电流和电压霍尔传感器22、功率变换器4、永磁同步电机5和负载6。

对照附图9，采用数字信号处理器(DSP)作为无速度传感器逆控制器，对永磁同步电机进行变频调速控制流程。

构造方法

本发明的实施方案是：首先由功率变换器、永磁同步电机及其负载组成一个复合被控对象，该复合被控对象等效为转子磁场定向坐标系(d-q坐标系)下的一个3阶微分方程。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=-\frac{R_s}{L}{i}_d+n_p{\mathrm{\ω}}_r{i}_q+\frac{1}{L}{u}_d\\ \frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=-\frac{R_s}{L}{i}_q-n_p{\mathrm{\ω}}_r{i}_d-\frac{n_p{\mathrm{\ψ}}_f}{L}\\ \frac{d{\mathrm{\ω}}_r}{\mathrm{dt}}=\frac{{3n}_p\mathrm{\φ}}{2J}{i}_q-\frac{B}{J}{\mathrm{\ω}}_r-\frac{T_1}{L}\end{array}\mathrm{\ω}+\frac{1}{L}{u}_q\right.$

上式中n_p为永磁同步电机的极对数，J为转动惯量，B为阻力系数，ψ_f为转子永久磁链，T_i为负载转矩；R_s为定子电阻；L_d＝L_q＝L为相电感；状态变量x＝[i_d，i_q，ω_r]^T；输入控制量为u＝[u_d，u_q]^T；其中i_d、i_q和ω_r分别为定子电流的d、q分量和转子角速度；u_d、u_q分别为定子电压的d、q分量。

由该方程可解得复合被控对象的逆系统

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=R_s{i}_d-n_{p}L{\mathrm{\ω}}_r{i}_q+L{\stackrel{\·}{i}}_d\\ u_q=n_{p}L{\mathrm{\ω}}_r{i}_d+(R_s+\frac{\mathrm{BL}}{J})i_q+(n_p{\mathrm{\ψ}}_f-\frac{{2B}^{2}L}{3n_p{\mathrm{\ψ}}_{f}J}){\mathrm{\ω}}_r-\frac{2\mathrm{BL}{T}_1}{3n_p{\mathrm{\ψ}}_f}+\frac{2\mathrm{JL}}{3n_p{\mathrm{\ψ}}_f}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_r\end{array}\right.$

将逆系统串接在复合被控对象之前，逆系统与复合被控对象合成为由2个一阶积分子系统(s^-1)，即一个定子电流d分量一阶子系统和一个转速一阶子系统，从而将一个复杂的多变量非线性系统的控制转化为二个简单的一阶积分子系统的控制。对于已经解耦的2个一阶积分子系统，采用一种线性系统的综合方法，如常规的PID或极点配置等，分别作出一个定子电流调节器和一个转速调节器。最终形成由闭环线性调节器、逆系统、SVPWM模块和扩展的Kalman滤波器4个部分组成的无速度传感器的逆控制器，对功率变换器与永磁同步电机系统进行控制，实现永磁同步电机的高性能变频调速。根据不同的要求，可选择不同的硬件和软件来实现。

本发明的具体实施分以下七步：

1)构造功率变换器。由二极管三相不控整流器、电容滤波器和IGBT三相逆变器共同组成交-直-交功率变换器。功率变换器的输入有三相工频交流电源，PWM控制信号，输出为三相变压变频交流电压。

2)构造复合被控对象。由功率变换器、永磁同步电机及负载共同组成复合被控对象。复合被控对象的输入有三相工频交流电源，PWM控制信号。

3)构造永磁同步电机逆系统。由功率变换器与永磁同步电机的数学模型，经分析与推导可得功率变换器与永磁同步电机的逆系统，其输入为定子电流d分量的一阶导数和转速的一阶导数，输出为定子电压向量的d分量u_d和q分量u_q。

4)构造复合伪线性系统。由逆系统输出的定子电压向量的d分量u_d和q分量u_q，经过逆Park变换后，输出为定子电压在静止两相α-β坐标系中的α分量u_α和β分量u_β，再将u_α和u_β作为SVPWM模块的二个输入量，其输出为PWM控制信号s_a、s_b、s_c。由逆系统、逆Park变换、SVPWM模块和功率变换器与永磁同步电机及其负载共同组成复合伪线性系统(如附图3所示)，该复合伪线性系统等效于一个定子电流线性子系统和一个转速线性子系统；从而达到了转速与定子电流之间的动态解耦，将复杂的多变量非线性系统控制转化为简单的二个单变量线性系统的控制。

5)构造转子位置与转速估计器。由Clarke变换、扩展的Kalman滤波器(简称EKF)和逆Park变换组成转子位置与转速估计器。转子位置与转速估计器的输入为静止两相α-β坐标系中永磁同步电机定子相电流和定子相电压的的α分量和β分量i_α、i_β和u_α、u_β，输出为转速估计值

转子位置估计值

和定子电流向量的d分量i_d和q分量i_q。转速

将作为转速闭环控制的反馈量，用于实现转速的闭环控制；转子位置

将作为Park变换和

逆Park变换的输入，用于实现坐标变换。转子位置与转速估计器将作为整个无速度传感器逆控制变频调速器的一个组成部分。

6)作出线性闭环调节器。对定子电流子系统与转速子系统分别作出线性闭环调节器，如图6所示。线性闭环调节器可采用线性系统理论中的PID调节器、极点配置或二次型指标最优等方法来设计，在本发明给出的实施例中，定子电流子系统和转速子系统均采用PI控制器，其参数整定为PI＝1500+60/s。

7)形成无速度传感器逆控制变频调速器。将线性闭环调节器、逆系统、逆Park变换、SVPWM模块、转子位置与转速估计器共同组成永磁同步电机的无速度传感器逆控制器；无速度传感器逆控制器、功率变换器与电流和电压霍尔传感器共同组成无速度传感器逆控制变频调速器，对永磁同步电机及其负载进行控制。如图7所示。

根据不同的控制性能要求，可采用不同硬件和软件来实现。图8给出了本发明的一种具体实施例的示意图，其中线性闭环控制器(16)、逆系统(10)、逆Park变换(9)、SVPWM模块(8)、转子位置与转速观测器(20)；由数字信号处理器即DSP控制器通过软件来实现。DSP控制器采用TI公司的电机控制专用芯片TMS320F2812，功率变换器采用三菱公司的智能功率模块PM20CSJ060、电流和电压传感器采用瑞士LEM公司的2个LM25-NP和2个LV25-NP。实施例中的交流永磁同步电机的参数为：额定功率P_N＝2.5kW，额定转速n_N＝6000r/min，极对数n_p＝2，定子电感L＝8.0mH，转子惯量J＝0.000295kgm²，定子电阻R_s＝1.6Ω，转子永久磁链ψ_f＝0.2161Wb。

Claims (4)

1、永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器，其特征是包括无速度传感器逆控制器，功率变换器和电流和电压霍尔传感器，其中无速度传感器逆控制器中的空间矢量脉宽调制SVPWM模块的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端与复合被控对象中的IGBT三相逆变器的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端对应相接，无速度传感器逆控制器中的Clarke变换的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端与电流和电压霍尔传感器的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端对应相接，电流和电压霍尔传感器的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端与复合被控对象中的IGBT三相逆变器的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端对应相接。

2、根据权利要求1所述的永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器，其特征是所述的无速度传感器逆控制器包括空间矢量脉宽调制SVPWM模块，逆Park变换，永磁同步电机的逆系统，线性闭环调节器和转子位置与转速估计器，其中线性闭环调节器的第一信号输出端、第二信号输出端与逆系统的第一信号输入端、第二信号输入端对应相接；转子位置与转速估计器中的Clarke变换的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端与扩展的Kalman滤波器的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端对应相接；Clarke变换的第一信号输出端、第二信号输出端分别与Park变换的第一信号输入端、第二信号输入端对应相接；扩展的Kalman滤波器的第一信号输出端与转速调节器的输入端、永磁同步电机的逆系统的第三信号输入端相接，扩展的Kalman滤波器的第二输出端与逆Park变换的第三输入端、Park变换的第三信号输入端相接，Park变换的第一信号输出端、第二信号输出端与永磁同步电机的逆系统的第四信号输入端、第五信号输入端对应相接；永磁同步电机的逆系统的第一信号输出端、第二信号输出端分别与逆Park变换的第一信号输入端、第二信号输入端对应相接，逆Park变换的第一信号输出端、第二信号输出端与空间矢量脉宽调制SVPWM模块的第一信号输入端、第二信号输入端对应相接。

3、根据权利要求1所述的永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器，其特征是所述的复合被控对象包括功率变换器、永磁同步电机、负载，其中功率变换器中的二极管三相不控整流器的第一信号输出端、第二信号输出端与电容滤波器的第一信号输入端、第二信号输入端对应相接，电容滤波器的第一信号输出端、第二信号输出端与IGBT三相逆变器的第四信号输入端、第五信号输入端对应相接；功率变换器的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端与永磁同步电机的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端对应相接，永磁同步电机接负载。

4、永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器构造方法，其特征在于该方法的步骤分为：

1)构造功率变换器，由二极管三相不控整流器、电容滤波器和IGBT三相逆变器共同组成交-直-交功率变换器。功率变换器的输入有三相工频交流电源，PWM控制信号，输出为三相变压变频交流电压；

2)构造复合被控对象，由功率变换器、永磁同步电机及其负载共同组成复合被控对象。复合被控对象的输入有三相工频交流电源，PWM控制信号；

3)构造永磁同步电机逆系统，由功率变换器与永磁同步电机的数学模型，经分析与推导可得功率变换器与永磁同步电机的逆系统，其输入为定子电流d分量的一阶导数和转速的一阶导数，输出为定子电压向量的d分量u_d和q分量u_q；

4)构造复合伪线性系统，由逆系统输出的定子电压向量的d分量u_d和q分量u_q，经过逆Park变换后，输出为定子电压在静止两相α-β坐标系中的α分量u_α和β分量u_β，再将u_α和u_β作为SVPWM模块的二个输入量，其输出为PWM控制信号s_a、s_b、s_c，由逆系统、逆Park变换、SVPWM模块和功率变换器与永磁同步电机及其负载共同组成复合伪线性系统，该复合伪线性系统等效于一个定子电流线性子系统和一个转速线性子系统；

5)构造转子位置与转速估计器，由Clarke变换、扩展的Kalman滤波器和逆Park变换组成转子位置与转速估计器，转子位置与转速估计器的输入为静止两相α-β坐标系中永磁同步电机定子相电流和定子相电压的的α分量和β分量i_α、i_β和u_α、u_β，输出为转速估计值

、转子位置估计值

和定子电流向量的d分量i_d和q分量i_q，转速

将作为转速闭环控制的反馈量，用于实现转速的闭环控制；转子位置

将作为Park变换和逆Park变换的输入，用于实现坐标变换，转子位置与转速估计器将作为整个无速度传感器逆控制变频调速器的一个组成部分；

6)作出线性闭环调节器，对定子电流子系统与转速子系统，采用线性系统理论中的PID调节器，分别作出线性闭环调节器；

7)形成无速度传感器逆控制变频调速器，将线性闭环调节器、逆系统、逆Park变换、SVPWM模块、转子位置与转速估计器共同组成永磁同步电机的无速度传感器逆控制器，无速度传感器逆控制器、功率变换器与电流和电压霍尔尔传感器共同组成永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器。

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