CN102497140A - 一种永磁同步电机无传感器控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电机控制领域的永磁同步电机无传感器控制算法，包括：估算电流补偿步骤、估算反电动势滤波步骤和角速度计算步骤；所述估算电流补偿步骤，即通过对所述估算电流i_S ^*进行循环补偿，使所述估算电流i_S ^*等于实际电流i_S；所述估算电流的计算模型为：其中，i_S ^*为估算电流，V_S为输入电压矢量；为估算反电动势；R为永磁同步电机绕组电阻；L为永磁同步电机绕组电感，z为补偿因子。其技术效果是：可以有效解决永磁同步电机无传感器控制中，永磁同步电机转子位置角估算的问题，采用此算法对永磁同步电机转子位置角进行估算，永磁同步电机转子位置角估算的准确率高，对于永磁同步电机转子角速度计算精确度更高。

Description

一种永磁同步电机无传感器控制算法

技术领域

本发明涉及一种用于电机控制领域的永磁同步电机无传感器控制算法。

背景技术

目前直流电机控制采用如下的模型，请参阅图1，直流电机估算模型是包括输入电压11，绕组电阻12、绕组电感13和反电动势14

在该电机模型中，输入电压可由下面公式计算得到：

$V_S={\mathrm{Ri}}_S+L\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_S+e_S;$

求解i_S可得到所述直流电机电流的公式为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_S=(-\frac{R}{L})i_S+\frac{1}{L}(v_S-e_S).$

该式中的变量说明如下：i_S为所述直流电机电流；V_S为所述输入电压11；e_S为反电动势14；R为绕组电阻12；L为绕组电感13；其中，所述输入电压11、所述反电动势14和所述直流电机电流均为矢量。

为了模型的简化，使该模型转变到数字域下，引入了新的变量为T_s，T_s为控制周期，则简化后的电机电流：

$\frac{i_S(n+1)-i_S\left(n\right)}{T_S}=(-\frac{R}{L})i_S\left(n\right)+\frac{1}{L}(v_S\left(n\right)-e_S\left(n\right));$

求解i_S：得

$i_S(n+1)=(1-T_S\frac{R}{L})i_S\left(n\right)+\frac{T_S}{L}(v_S\left(n\right)-e_S\left(n\right)).$

该模型计算简单，可以迅速计算得到直流电机电流，但是目前并没有将该模型用于永磁同步电机转子位置角和永磁同步电机转子角速度计算的报道。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种永磁同步电机无传感器控制算法，其简化了永磁同步电机转子位置角和永磁同步电机转子角速度计算的步骤，提高了永磁同步电机转子位置角和永磁同步电机转子角速度计算的速度和精确度。

实现上述目的的一种技术方案是：一种永磁同步电机无传感器控制算法，包括估算电流补偿步骤、估算反电动势滤波步骤和角速度计算步骤，其特征在于：

所述估算电流补偿步骤，即通过对所述估算电流i_S ^*进行循环补偿，使所述估算电流i_S ^*等于实际电流i_S；计算估算电流i_S ^*的模型为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{i_S}^{*}=(-\frac{R}{L})i_S*+\frac{1}{L}(v_S-e_S*-z);$

其中，i_S ^*为估算电流，V_S为输入电压矢量；

为估算反电动势；R为永磁同步电机绕组电阻；L为永磁同步电机绕组电感，z为补偿因子；

所述估算反电动势滤波步骤，即对经所述估算电流补偿步骤补偿的估算反电动势

进行滤波，得到滤波后的估算反电动势并计算所述滤波后的估算反电动势的α轴分量e_α和β轴分量e_β，并由所述α轴分量e_α和所述β轴分量e_β计算所述永磁同步电机转子位置角θ，计算永磁同步电机转子位置角的模型为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{e_{\mathrm{\α}}}{e_{\mathrm{\β}}}\right);$

所述角速度计算步骤：对所述永磁同步电机转子位置角θ进行连续m次采样后，计算每一次所述永磁同步电机转子位置角θ_n的采样值与前一次所述永磁同步电机转子位置角θ_n-1的采样值之间的差值，并对所述差值进行累加后，乘以放大因子K_speed，得到永磁同步电机转子角速度ω，计算永磁同步电机转子角速度的模型为：

$\mathrm{\ω}=\left(\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\right[{\mathrm{\θ}}_n-{\mathrm{\θ}}_{n-1}\left]\right)\·K_{\mathrm{speed}}.$

进一步的，所述估算电流补偿步骤中补偿因子z的计算的步骤为：

步骤1：计算实际电流i_S与所述估算电流i_S ^*的差值，得到差值函数，所述差值函数的取值为1或者-1；

步骤2：由所述差值函数，计算增益函数，所述增益函数的取值为K或者-K；

步骤3：将所述增益函数的值输入滑模控制器由所述滑模控制器输出所述补偿因子z。

进一步的，所述估算反电动势滤波步骤中，通过滤波器对所述估算反电动势

进行滤波，对所述估算反电动势

进行滤波的模型为：

$e\left(n\right)=e(n-1)+\frac{1}{f_{\mathrm{pwm}}}\·2\mathrm{\π}{f}_C\·[z\left(n\right)-e\left(n\right)];$

其中，e(n)为滤波后估算反电动势，e(n-1)为滤波前估算反电动势，f_pwm所述滤波器的脉宽调制频率，f_C为所述滤波器的截止频率，z(n)为所述滤波器不可滤波的估算反电动势。

再进一步的，所述估算反电动势滤波步骤中进行了两次滤波，其中第一滤波器滤波后的估算反电动势

设定为下一次估算电流补偿步骤中所述估算反电动势

的原始值，第二滤波器滤波后得到的滤波后的估算反电动势

用于计算所述永磁同步电机转子位置角θ；所述第一滤波器和第二滤波器是相同的滤波器。

更进一步的，所述角速度计算步骤中，永磁同步电机转子角速度ω经过第三滤波器滤波；所述第三滤波器与所述估算反电动势滤波步骤中使用的第一滤波器和第二滤波器的拓卜结构是相同的。

还要进一步的，所述角速度计算步骤中，所述永磁同步电机转子角速度ω经过第三滤波器滤波后，对所述永磁同步电机转子位置角进行补偿，其计算模型为：

θ^* _comp＝θ^*+θ_offset；

其中，θ^* _comp为补偿后永磁同步电机转子位置角，θ^*为补偿前永磁同步电机转子位置角，θ_offset为永磁同步电机转子位置角的补偿偏置。

采用了本发明的一种永磁同步电机无传感器控制算法的技术方案，包括估算电流补偿步骤、估算反电动势滤波步骤和角速度计算步骤，并在估算电流补偿中，采用了直流电机电流计算得模型，其技术效果是：可以有效解决永磁同步电机无传感器控制中，永磁同步电机转子位置和角速度估算的问题，永磁同步电机转子位置角和永磁同步电机转子角速度计算的步骤得到了简化，计算永磁同步电机转子位置角和角速度的速度快，精度高。

附图说明

图1为直流电机估算电流计算模型示意图。

图2为本发明的一种永磁同步电机无传感器控制算法的过程示意图。

图3为本发明的一种永磁同步电机无传感器控制算法估算电流补偿步骤模型示意图。

图4为本发明的一种永磁同步电机无传感器控制算法估算反电动势滤波步骤模型示意图。

图5为本发明的一种永磁同步电机无传感器控制算法角速度计算步骤模型示意图。

具体实施方式

请参阅和图2、图3、图4和图5，为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

请参阅图2，一种永磁同步电机无传感器控制算法，包括：估算电流补偿步骤、估算反电动势滤波步骤和角速度计算步骤，

请参阅图3，永磁同步电机的实际电流为i_S，而估电流i_S ^*的原始值是由系统所设定的估算反电动势

的原始值所决定的，所述估算电流为i_S ^*的原始值和实际电流i_S的值是不一样的，因此必须对所述估算电流i_S ^*的原始值进行补偿。因此本发明的一种永磁同步电机无传感器控制算法的第一步就是估算电流补偿步骤，并由此构建了一个估算电流补偿步骤模型。

请参阅图3，估算电流补偿步骤模型是一个数字化模型。该模型中采用两种相互并联的系统来表示永磁同步电机，一个是硬件系统，即永磁同步电机31，另一种是软件系统，即计算估算电流的模型32，两个系统中使用相同的输入电压V_S，该模型通过对所述估算电流i_S ^*的循环补偿，使所述估算电流i_S ^*匹配永磁同步电机的实际电流i_S，在原始条件下，可以设定计算估算电流的模型32中所述估算反电动势

的原始值与所述永磁同步电机的实际反电动势e_S是相同的。

所述计算估算电流的模型32为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{i_S}^{*}=(-\frac{R}{L})i_S*+\frac{1}{L}(v_S-e_S*-z)$

其中，i_S ^*为估算电流，V_S为输入电压矢量；

为估算反电动势；R为永磁同步电机绕组电阻；L为永磁同步电机绕组电感，z为补偿因子。因此，该步骤中的关键就是如何得到所述补偿因子z，所述补偿因子z是加到所述估算反电动势

上的。在本实施例中，所述补偿因子z是通过滑模控制器34得到的。

在所述滑模控制器34的输入端，设置求和节点33，计算实际电流i_S与估算电流i_S ^*的差值，得到差值函数的值。在本实施例中规定，当i_S＞i^S _*时，所述差值函数的值为1，当i_S＜i_S ^*时，所述差值函数的值为-1，i_S＝i_S ^*则进入估算反电动势滤波步骤。当然规定当i_S＞i_S ^*时，所述差值函数的值为1，当i_S＜i_S ^*时，所述差值函数的值为-1也是可以的。

步骤2，通过设置于所述求和节点33上的乘法器，将所述差值函数乘以所述乘法器设定的增益系数K，得到增益函数，本实施例中，因为当i_S＞i_S ^*时，所述差值函数的值为1，当i_S＜i_S ^*时，所述差值函数的值为-1，所以当i_S＞i_S ^*时，所述增益函数的值为K，当i_S＜i_S ^*时，所述增益函数的值为-K；

步骤3，将所述增益函数的值输入所述滑模控制器34，由所述滑模控制器34输出所述补偿因子z。所述补偿因子z，被加到所述估算反电动势上，进行下一循环的估算电流补偿计算。

请参阅图4，所述估算反电动势滤波步骤：由于所述估算电流补偿步骤中，所述修正因子z是加在估算反电动势

上，从而实现对所述估算电流i_S ^*补偿的。因此，此时的所述估算反电动势

必须经过滤波后，才能用于对永磁同步电机转子位置角θ和角速度的计算ω，对所述估算反电动势

进行滤波的模型为：

$e\left(n\right)=e(n-1)+\frac{1}{f_{\mathrm{pwm}}}\·2\mathrm{\π}{f}_C\·[z\left(n\right)-e\left(n\right)];$

其中，e(n)为滤波后估算反电动势，e(n-1)为滤波前估算反电动势，f_pwm所述滤波器的脉宽调制频率，f_C为所述滤波器的截止频率，z(n)为所述滤波器不可滤波的反电动势。其中，所述滤波器的脉宽调制频率f_pwm是所述滤波器的固有属性，所述滤波器的截止频率f_C是由系统所设定的，其取决于所述估算电流补偿步骤中，所述滑模控制器34输入端系统所设定的增益系数K的选择，并且可通过尝试对所述增益系数K进行调节来设定滤波器的截止频率f_C。

为了提高对于永磁同步电机转子位置角θ计算的精确性，对于同步永磁电机的估算反电动势

要进行二次滤波。第一滤波器41滤波后的估算反电动势

反馈给系统，其设定为下一次电流补偿步骤中，所述估算反电动势

的原始值，第二滤波器42滤波后得到的滤波后的估算反电动势

其比第一滤波器41滤波后的估算反电动势

平滑，所述滤波后的估算反电动势用来计算永磁同步电机转子位置角θ。

将滤波后的估算反电动势

分解为：滤波后的估算反电动势的α轴分量e_α和β轴分量e_β，并由所述α轴分量e_α和所述β轴分量e_β计算所述永磁同步电机转子位置角θ，计算永磁同步电机转子位置角的模型43为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{e_{\mathrm{\α}}}{e_{\mathrm{\β}}}\right);$

请参阅图5，所述角速度计算步骤：对所述述永磁同步电机转子位置角θ进行连续m次采样后，计算每一次所述永磁同步电机转子位置角θ_n的采样值与前一次所述永磁同步电机转子位置角θ_n-1的采样值之间的差值，并对所述差值进行累加后，乘以放大因子K_speed，得到永磁同步电机转子角速度ω，计算永磁同步电机转子角速度的模型51为：

$\mathrm{\ω}=\left(\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\right[{\mathrm{\θ}}_n-{\mathrm{\θ}}_{n-1}\left]\right)\·K_{\mathrm{speed}}.$

由于在计算永磁同步电机转子位置角θ期间应用了滤波函数，所以在使用通过上述步骤得到的永磁同步电机转子位置角θ，给所述永磁同步电机的电机绕组通电之前，可以对永磁同步电机转子位置角θ相位进行补偿。对所述永磁同步电机转子位置角θ的补偿量取决于所述永磁同步电机转子位置角θ变化速率，即所述永磁同步电机转子角速度ω。因此对所述永磁同步电机转子位置角θ的补偿由以下两步组成：

步骤1，通过未补偿的磁同步电机位置角来计算所述永磁同步电机转子角速度ω。

步骤2：对所述述永磁同步电机转子角速度ω进行滤波，并由此计算永磁同步电机转子位置角的补偿偏置θ_offset。

为确保在永磁同步电机转子角速度ω计算时获得较为平滑的信号，可使用第三滤波器52对所述永磁同步电机转子角速度ω进行一阶滤波，得到永磁同步电机滤波后的转子角速度ω_filtered，所述第三滤波器52与所述估算反电动势滤波步骤中使用的第一滤波器41和第二滤波器42的拓卜结构是相同的。接着，必须除去滤波过程所产生的所述永磁同步电机转子位置角θ延迟。这可通过将一个由所述滤波后的永磁同步电机转子角速度ω_filtered来决定的永磁同步电机转子位置角的补偿偏置θ_offset添加到补偿前永磁同步电机转子位置角θ^*中来实现，从而得到补偿后永磁同步电机转子位置角θ^* _comp，这是目前该领域的公知技术，其计算模型形如：

θ^* _comp＝θ^*+θ_offset。

采用本发明的一种永磁同步电机无传感器控制算法可以有效解决永磁同步电机无传感器控制中，可以有效解决永磁同步电机无传感器控制中，永磁同步电机转子位置和角速度估算的问题，永磁同步电机转子位置角和永磁同步电机转子角速度计算的步骤得到了简化，计算永磁同步电机转子位置角和角速度的速度快，精度高。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机无传感器控制算法，包括估算电流补偿步骤、估算反电动势滤波步骤和角速度计算步骤，其特征在于：

所述估算电流补偿步骤，即通过对所述估算电流i_S ^*进行循环补偿，使所述估算电流i_S ^*等于实际电流i_S；计算估算电流i_S ^*的模型为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{i_S}^{*}=(-\frac{R}{L})i_S*+\frac{1}{L}(v_S-e_S*-z);$

其中，i_S ^*为估算电流，V_S为输入电压矢量；

为估算反电动势；R为永磁同步电机绕组电阻；L为永磁同步电机绕组电感，z为补偿因子；

所述估算反电动势滤波步骤，即对经所述估算电流补偿步骤补偿的估算反电动势

进行滤波，得到滤波后的估算反电动势并计算所述滤波后的估算反电动势

的α轴分量e_α和β轴分量e_β，并由所述α轴分量e_α和所述β轴分量e_β计算所述永磁同步电机转子位置角θ，计算永磁同步电机转子位置角的模型为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{e_{\mathrm{\α}}}{e_{\mathrm{\β}}}\right);$

所述角速度计算步骤：对所述永磁同步电机转子位置角θ进行连续m次采样后，计算每一次所述永磁同步电机转子位置角θ_n的采样值与前一次所述永磁同步电机转子位置角θ_n-1的采样值之间的差值，并对所述差值进行累加后，乘以放大因子K_speed，得到永磁同步电机转子角速度ω，计算永磁同步电机转子角速度的模型为：

$\mathrm{\ω}=\left(\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}\right[{\mathrm{\θ}}_n-{\mathrm{\θ}}_{n-1}\left]\right)\·K_{\mathrm{speed}}.$

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机无传感器控制算法，其特征在于：所述估算电流补偿步骤中补偿因子z的计算的步骤为：

步骤1：计算实际电流i_S与所述估算电流i_S ^*的差值，得到差值函数，所述差值函数的取值为1或者-1；

步骤2：由所述差值函数，计算增益函数，所述增益函数的取值为K或者-K；

步骤3：将所述增益函数的值输入滑模控制器(34)，由所述滑模控制器(34)输出所述补偿因子z。

3.根据权利要求1或2所述的控制算法，其特征在于：所述估算反电动势滤波步骤中，通过滤波器对所述估算反电动势

进行滤波，对所述估算反电动势

进行滤波的模型为：

$e\left(n\right)=e(n-1)+\frac{1}{f_{\mathrm{pwm}}}\·2\mathrm{\π}{f}_C\·[z\left(n\right)-e\left(n\right)];$

其中，e(n)为滤波后估算反电动势，e(n-1)为滤波前估算反电动势，f_pwm所述滤波器的脉宽调制频率，f_C为所述滤波器的截止频率，z(n)为所述滤波器不可滤波的估算反电动势。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机无传感器控制算法，其特征在于：所述估算反电动势滤波步骤中进行了两次滤波，其中第一滤波器(41)滤波后的估算反电动势

设定为下一次估算电流补偿步骤中所述估算反电动势

的原始值，第二滤波器(42)滤波后得到的滤波后的估算反电动势

用于计算所述永磁同步电机转子位置角θ；所述第一滤波器(41)和第二滤波器(42)是相同的滤波器。

5.根据权利要求4所述的控制算法，其特征在于：所述角速度计算步骤中，永磁同步电机转子角速度ω经过第三滤波器(52)滤波；所述第三滤波器(53)与所述估算反电动势滤波步骤中使用的第一滤波器(41)和第二滤波器(42)的拓卜结构是相同的。

6.根据权利要求5所述的控制算法，其特征在于：所述角速度计算步骤中，所述永磁同步电机转子角速度ω经过第三滤波器(52)滤波后，对所述永磁同步电机转子位置角进行补偿，其计算模型为：

θ^* _comp＝θ^*+θ_offset；

其中，θ^* _comp为补偿后永磁同步电机转子位置角，θ^*为补偿前永磁同步电机转子位置角，θ_offset为永磁同步电机转子位置角的补偿偏置。

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