CN102946227A - 凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法及装置，特别适合该种电机驱动系统无位置传感及无速度传感器时电磁转矩、转速控制。该观测方法及装置利用转子反电动势自适应的定子电流观测装置、基于锁相环的转子旋转速度及位置角观测装置、转子反电动势/转子磁链与转子位置角关系曲线、坐标变换装置、定子磁链计算装置、电磁转矩计算装置等，在无位置传感器方式下，连续、实时、准确地观测出电磁转矩，同时将转子转速、定子磁链以中间变量方式观测出来，以满足电机无传感器高性能直接转矩控制需要。本发明观测方法及装置具有实时性好、观测精度高、成本低廉等优点。
Description
技术领域
本发明涉及永磁无刷直流电机驱动控制技术领域，特别是一种适用于凸极式永磁无刷直流电机直接转矩控制系统的无位置传感器型电磁转矩观测方法及装置。
背景技术
永磁无刷直流电机（BLDCM）具有效率高，控制结构简洁等特点，在家用电器、工业中均有广泛应用。但由于实际制造过程中多种因素影响，导致转子反电势并非理想波形（既非梯形波又非正弦波），采用简单的方波电流PWM控制转矩脉动较大，制约其应用领域的拓展。
为了改善永磁无刷直流电机驱动性能，人们针对该种电机提出直接转矩控制策略。该控制策略采用两相导通模式，利用电磁转矩和定子磁链幅值双磁滞比较器，结合定子磁链矢量所处扇区选择一个最优空间电压矢量作用于电机，在无电流闭环控制的情况下，实现电机电磁转矩跟踪其给定值。由于电机采用两相导通模式，定子磁链旋转轨迹非圆形，所以定子磁链幅值闭环结构可以省略。与三相导通方式正弦波永磁同步电机直接转矩控制策略相比较，永磁无刷直流电机直接转矩控制策略特点在于：1）永磁无刷直流电机转子磁场及其反电动势为非正弦波，且不同生产厂家及不同型号电机，对应的转子磁场及其反电动势波形差别很大；2）为了产生平稳的电磁转矩，理论上希望流过方波电流，但由于转子反电动势波形的非理想，实际电流波形是一个类似方波的不连续波形，导致定子磁链也是一种非正弦的不连续波形；3）采用两相导通模式，理论上任何瞬时总有一相绕组悬空不导电，导致电机端电压不能简单利用直流母线电压及功率管开关状态获得。从上述阐述可见，永磁无刷直流电机直接转矩控制目的是要实现电磁转矩的闭环直接控制，连续、实时、准确地观测出电磁转矩非常关键。实际永磁无刷直流电机具有一定的磁凸极现象，而人们为了简化其数学模型及简化其控制策略，在分析及构建控制策略时将这种磁凸极现象忽略。忽略磁凸极现象后，观测电磁转矩方法如下：根据端电压和电流可以直接观测出定子磁链，根据定子磁链、定子电流及电机电感可以计算出转子磁链，对转子磁链微分即可以获得转子反电动势，根据速度及转子反电动势可以以开环方式计算出电磁转矩。可见忽略磁凸极现象后，计算或观测电磁转矩过程较简单，无需转子位置角信息。当然对于磁凸极现象不明显的永磁无刷直流电机而言，这种忽略不会带来太大的电磁转矩观测及控制误差。但实际应用中有很多永磁无刷直流电机具有严重的磁凸极现象，若仍然忽略磁凸极现象，必然带来很大的电磁转矩观测及控制误差，极大影响到该种电机驱动系统的运行性能，例如电机负载能力降低、稳态转速不平稳等。所以对于凸极式永磁无刷直流电机，实现其直接转矩控制关键技术同样是电磁转矩的连续、实时、准确观测，但两方面因素导致这种电机电磁转矩观测非常困难：1）电机磁凸极现象使得电机数学模型是一个与转子位置角有关的时变非线性系统；2）转子反电动势及转子磁链为严重非正弦波。这两方面因素导致现有的忽略磁凸极现象的永磁无刷直流电机中电磁转矩观测方法不适用于凸极式永磁无刷直流电机。另外，直接转矩控制最大优点在于其本质上无位置传感器，在无需转子位置物理传感器情况下，观测电磁转矩并实现其直接闭环控制才能体现该控制策略最大优势。所以如何根据实际凸极式永磁无刷直流电机可测量的电信号，连续、实时、准确地观测出电磁转矩对实现高性能的凸极式永磁无刷直流电机直接转矩控制驱动系统尤为关键。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法及装置，该方法及装置有利于实现凸极式永磁无刷直流电机无位置传感器时电磁转矩的连续、实时、准确观测。
本发明的目的是采用如下的技术方案实现的：一种凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法，对凸极式永磁无刷直流电机的电压和电流进行采样，将检测到的电压、电流以及观测的转子位置角、转子速度送给利用凸极式永磁无刷直流电机非线性时变数学模型构建的转子反电动势自适应的定子电流观测模块，输出转子反电动势；如果是第一次采样，观测的转子位置角、转子速度为任意设定的初值，否则为上一次采样计算得到的转子位置角和转子速度的观测值；将自适应辨识出的转子反电动势送给锁相环模块，输出转子位置角和转子速度的观测刷新值；根据转子位置角观测刷新值，查转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系表，输出转子反电动势和转子磁链；根据转子磁链、转子位置角观测刷新值及定子电流，计算出定子磁链；根据定子磁链、转子磁链、定子电流及转子反电动势，计算出电磁转矩。
本发明还公开了一种凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测装置，包括直流母线电压采集电路、关断相绕组电压采集电路、绕组电流采集电路、中央控制器和隔离驱动单元；所述直流母线电压采集电路采集直流母线电压产生电路输出给两相导通模式的三相逆变器的直流母线电压，所述关断相绕组电压采集电路采集所述三相逆变器施加给凸极式永磁无刷直流电机三相绕组的非导通相电压，所述绕组电流采集电路采集三相绕组电流，并将采集到的直流母线电压、非导通相电压及三相绕组电流送给所述中央控制器，所述中央控制器的输出通过隔离驱动单元连接到所述三相逆变器；所述中央控制器包括：转子反电动势自适应的定子电流观测模块，用于根据输入的定子电压矢量 
、定子电流矢量
及观测的转子位置角
、转子速度
，输出转子反电动势自适应辨识矢量
；锁相环模块，用于根据输入的转子反电动势自适应辨识矢量
，输出转子位置角
和转子速度
的观测刷新值；转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系表查表模块，用于根据输入的转子位置角观测刷新值
，输出转子反电动势
、
、
和转子磁链
、
、
；定子磁链计算模块，用于根据输入的αβ坐标系中转子磁链
、
，定子电流
、
及转子位置角观测刷新值
，输出定子磁链
、
；以及电磁转矩计算模块，用于根据输入的αβ坐标系中定子磁链
、
，转子磁链
、
，定子电流
、
及转子反电动势、
，输出电磁转矩
观测值。
本发明同现有的永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法相比较，具有如下优点：
1）实现凸极式无刷直流电机无位置传感器方式电磁转矩连续、实时、准确观测，同时还以过程变量方式输出定子磁链、转子速度等观测值，方便实现无位置传感器凸极式无刷直流电机直接转矩驱动控制；
2）无需物理上的位置传感器，例如霍尔传感器、旋转编码器等，基于电机驱动中本已连续测量的电量来构建电磁转矩观测器，无需添加任何的辅助硬件电路即可实现电磁转矩准确观测，驱动系统硬件成本没有增加，同时提高了系统运行可靠性；
3）基于电机驱动中本已实时测量的电量和电机设计时保证的转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系特性构建电磁转矩观测器，保证了变量观测的连续性、实时性及准确性，同时也避免了电机两相导通模式及其换相动作对变量观测的负面影响；
4）将电机设计时保证的转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系特性作为观测器中一个环节，保证了参与计算电磁转矩中的转子反电动势、转子磁链值的真实性，进一步提高了变量观测的精度。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例中凸极式无刷直流电机坐标系定义及矢量关系示意图。
其中，αβ为定子静止直角坐标系，α轴与A相绕组轴线重合；dq为转子同步旋转坐标系；、
分别为定子电压矢量和电流矢量；
为定子磁链矢量；
、分别为转子反电动势矢量和转子磁链矢量；为d轴与α轴的夹角，
为转子旋转电角速度。各矢量在dq轴上投影用下标“d”和“q”标注，在αβ轴上投影用下标“α”和“β”标注，在abc绕组轴线上投影用下标“a”、 “b”、“c”标注。
图2是本发明实施例中凸极式无刷直流电机转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系曲线示意图。
图3是本发明方法及装置在凸极式无刷直流电机无位置传感器直接转矩控制中的驱动原理框图。
图4是本发明方法及装置在凸极式无刷直流电机无位置传感器直接转矩控制中的硬件结构示意图。
图5是本发明实施例中采用电阻分压方法实现的直流母线电压及非导通相电压采样电路图。
其中，BLDCM为凸极式无刷直流电机，采用两相导通模式；
为控制电机用的功率管，采用MOSFET或IGBT均可；为电压采样电阻；
为采样滤波电容；
为信号调理用的基准电压；
及其外围电阻
、电容
构成信号调理电路。
图6a是本发明方法及装置在凸极式无刷直流电机无位置传感器直接转矩控制中的一应用结果示意图（低速转矩）。
图6b是本发明方法及装置在凸极式无刷直流电机无位置传感器直接转矩控制中的另一应用结果示意图（高速转矩）。
具体实施方式
本发明凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法，其控制原理框图如图3所示。直流母线电压产生电路输出满足电机驱动所需的直流母线电压
，通过受控的两相导通模式的三相逆变器10，加到凸极式无刷直流电机11绕组上。对凸极式无刷直流电机的电压和电流进行采样，将检测到的三相电压
、
、送给3/2坐标变换模块1，输出
、
，用矢量
表示，将检测到的三相电流
、
、
送给3/2坐标变换模块2，输出、
，用矢量
表示；将矢量
、以及观测的转子位置角、转子速度
送给利用凸极式永磁无刷直流电机非线性时变数学模型构建的转子反电动势自适应的定子电流观测模块3，输出转子反电动势观测矢量
；如果是第一次采样，观测的转子位置角、转子速度为任意设定的初值，否则为上一次采样计算得到的转子位置角和转子速度的观测值；将送给锁相环模块4，输出转子位置角
和转子速度
的观测刷新值；将转子位置角
观测刷新值送给转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系表查表模块5，输出三相静止坐标系中转子反电动势
、、
和转子磁链、
、
；将转子反电动势
、
、和转子磁链
、
、
分别送给3/2坐标变换模块6，输出定子αβ静止坐标系中转子反电动势
、
和转子磁链
、
；将转子磁链、
、转子位置角观测刷新值及定子电流
、送给定子磁链计算模块7，输出定子磁链
、
；将定子磁链
、
，转子磁链
、
，定子电流、
及转子反电动势
、
送给电磁转矩计算模块8，输出电磁转矩观测值。在观测电磁转矩的过程中，还输出定子磁链的观测值、
，转子速度的观测值
等中间变量，供实际驱动系统对应变量闭环控制需要。本发明中任意相邻两个等长时间段采样时刻分别用下标“k”和“k+1”标注，采样周期为。本发明方法的较佳实施例包括以下实现步骤：
步骤1：检测凸极式永磁无刷直流电机的三相绕组电压
、
、
和三相绕组电流
、
、
，并利用3/2坐标变换模块将三相绕组电压、
、和三相绕组电流、
、
变换至αβ坐标系中，得到αβ坐标系中定子电压为：
，
，用矢量
表示，αβ坐标系中定子电流为：
，，用矢量
表示；
其中，对于导通相绕组电压，利用直流母线电压采样值和功率管开关信号获得：
，i=a,b,c，
表示导通相绕组电压，
表示导通相对应逆变桥臂功率管开关信号，
表示上桥功率管导通，下桥功率管关断，
表示上桥功率管关断，下桥功率管导通；对于关断相绕组电压，直接采用端电压采样值；采用电阻分压方法采样直流母线电压和关断相绕组端电压实现电路如图5所示。该电路实现直流母线电压
和关断相绕组电压
、、
的采样，目的是实时、准确地获得三相绕组端电压矢量
。由于本发明中电机采用两相导通模式，即一相绕组悬空不流过电流，另外两相串联导通电流，这样在某相不导通区间无法利用直流母线电压和开关管开关信号方法获得该不导通相端电压，只能通过端电压采样电路获得关断相电压；而导通相端电压可以根据上述直流母线电压和功率管开关信号相结合方法获得。
步骤2：将定子电压矢量、定子电流矢量
及观测的转子位置角
、转子速度
送给转子反电动势自适应的定子电流观测模块，输出转子反电动势自适应辨识矢量
；
步骤3：将转子反电动势自适应辨识矢量
送给锁相环模块，输出转子位置角
和转子速度
的观测刷新值；
步骤4：将转子位置角观测刷新值送给图2表示的转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系表，查表并输出转子反电动势
、
、
和转子磁链
、
、
；
步骤5：将转子反电动势
、
、
和转子磁链
、
、分别送给3/2坐标变换模块，输出定子αβ静止坐标系中转子反电动势
、
和转子磁链
、
，得到αβ坐标系中转子反电动势为：
，
，αβ坐标系中转子磁链为：
，
；
步骤6：将αβ坐标系中转子磁链
、，定子电流、
及转子位置角观测刷新值
送给定子磁链计算模块，得到定子磁链
、
为：
其中，
和
为电机的直交轴电感，可以从电机铭牌数据获得；
步骤7：将αβ坐标系中定子磁链、
，转子磁链
、
，定子电流
、
及转子反电动势、
送给电磁转矩计算模块，得到电磁转矩
观测值为：
其中，
为电机极对数，可以从电机铭牌数据上获得。
在步骤2中，转子反电动势自适应辨识采用离散化迭代求解法，按如下步骤实现：
步骤2.1：根据步骤3中输出的第k时刻转子位置角观测值
和转子速度观测值
，计算第k时刻矩阵A k 和B k 如下：
其中为定子电阻，从电机铭牌数据可以获得；
步骤2.2：根据第k+1时刻定子电流矢量检测值
及其第k时刻观测值，计算定子电流观测误差矢量为：
；
步骤2.3：将定子电流观测误差矢量
、矩阵B k 代入公式5积分器，输出第k+1时刻转子反电动势矢量观测值
，其离散形式为
，其中
为第k时刻转子反电动势矢量观测值，
为大于0的常数，G为对角元素大于零的对角矩阵；
步骤2.4：将第k+1时刻端电压检测矢量
、定子电流观测误差矢量
、第k+1时刻转子反电动势矢量观测值
、矩阵A k 和B k 代入公式2定子电流观测模块，输出第k+1时刻定子电流矢量观测值
，其离散形式为：
，其中
为第k时刻定子电流矢量观测值。
在步骤3中，转子位置角观测值
和转子速度观测值
采用离散化迭代求解法，按如下步骤实现：
步骤3.1：根据第k时刻转子位置角初步观测值，查图2对应的转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系表，得到三相转子反电动势
、
、；
步骤3.2：将三相转子反电动势、
、
分别与第k时刻转子速度观测值
相乘，得到
、
、；
步骤3.3：将
、
、经过3/2坐标变换模块变换，得到αβ坐标系中对应矢量
，其在αβ轴上投影分别为：，
；
步骤3.4：将步骤2中转子反电动势自适应辨识矢量及步骤3.3中一同送到正交检测模块，输出这两个矢量第k+1时刻相位差函数
如下：
；
步骤3.5：将相位差函数
送给PI调节器，输出第k+1时刻转子速度初步观测值
，其离散形式为：
，其中、
分别为PI调节器的比例系数和积分系数，均为大于零的常数，
为第k时刻转子速度初步观测值；
步骤3.6：将转子速度初步观测值送给纯积分器，输出第k+1时刻转子位置角初步观测值
，其离散形式为：
，其中
为第k时刻转子位置角初步观测值；
步骤3.7：将当前第k+1时刻转子位置角初步观测值及转子速度观测值
送给相位延迟补偿模块，输出转子位置角观测值
为：
，其中
为端电压采样通道低通滤波器的截止角频率。
所述步骤2、步骤3.7中，转子速度观测值
采用离散化迭代法求解，将
送给低通滤波器，输出第k+1时刻速度观测值离散形式如下：
，其中
为低通滤波器的截止电频率，取功率管开关频率的1/10。
本发明还提供了一种用于实现本发明方法的凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测装置，如图4所示，在现有直流母线电压产生电路、三相逆变器、凸极式永磁无刷直流电机的基础上，该装置包括直流母线电压采集电路、关断相绕组电压采集电路、绕组电流采集电路、中央控制器和隔离驱动单元；逆变器中功率管采用IGBT或MOFET，中央控制器采用DSP或单片机。绕组电流采集电路采用霍尔电流传感器与运算放大器相结合方式构成，也可以采用绕组串功率电阻后接差分运算放大器相结合方式构成。采用霍尔方案可以有效实现控制回路与主回路的电气隔离，采用绕组串功率电阻方案可以降低驱动系统成本。电压采集电路采用霍尔电压传感器与运算放大器相结合方式构成，也可以采用并联电阻，分压后接由运算放大器构成的信号调理电路相结合方式构成。绕组电流采集电路和电压采集电路输出弱电压信号送到中央控制器A/D转换模块。根据取得的信号和本发明的电磁转矩观测方法观测出电磁转矩，再根据观测的电磁转矩及中间变量——定子磁链和转速，由无传感器直接转矩控制策略计算出应发出的控制信号，经由隔离驱动单元去控制逆变器中的功率开关管的开关动作。
所述直流母线电压采集电路采集直流母线电压产生电路输出给两相导通模式的三相逆变器的直流母线电压，所述关断相绕组电压采集电路采集所述三相逆变器施加给凸极式永磁无刷直流电机三相绕组的非导通相电压，所述绕组电流采集电路采集三相绕组电流，并将采集到的直流母线电压、非导通相电压及三相绕组电流送给所述中央控制器，所述中央控制器的输出通过隔离驱动单元连接到所述三相逆变器；
所述中央控制器包括：
转子反电动势自适应的定子电流观测模块，用于根据输入的定子电压矢量、定子电流矢量
及观测的转子位置角
、转子速度
，输出转子反电动势自适应辨识矢量
；
锁相环模块，用于根据输入的转子反电动势自适应辨识矢量
，输出转子位置角和转子速度
的观测刷新值；
转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系表查表模块，用于根据输入的转子位置角观测刷新值
，输出转子反电动势
、
、
和转子磁链
、
、
；
定子磁链计算模块，用于根据输入的αβ坐标系中转子磁链
、
，定子电流
、
及转子位置角观测刷新值
，输出定子磁链
、
；以及
电磁转矩计算模块，用于根据输入的αβ坐标系中定子磁链、，转子磁链
、
，定子电流、
及转子反电动势、
，输出电磁转矩
观测值。
采用直接转矩控制策略时，将电磁转矩观测值及过程变量定子磁链一同送给逆变器两相导通模式最优开关电压矢量选择装置，以实现电磁转矩直接而快速控制。实现速度闭环控制时，将过程变量转子速度反馈给速度闭环控制装置，以实现无速度无位置传感器式转速控制。
下面对本发明基本原理和工作过程等作进一步描述。
1、基本原理
凸极式无刷直流电机坐标系定义及矢量关系示意图如图1所示，ab坐标系定子电流状态方程式如下：
（公式1）
其中，
，
，
，，
，
根据公式1构建转子反电动势自适应的定子电流观测器如下：
（公式2）
其中，用符号“^”标注的变量为观测值，为电流观测误差； F 为观测器增益矩阵，本发明取其形式为 F =kI ， I 为2x2单位阵。
为了实现定子电流观测误差收敛至0，设李雅普诺夫函数如下：
其中， G 为正定对角阵，取其形式为 G =gI ，g为大于0的正实数， I 为2x2单位阵；为正实数；为转子反电动势观测误差。
对公式3两边求微分得：
假设电气系统的时间常数远比机械系统时间常数小的多，则，且假设如下形式的转子反电动势自适应率：
若要定子电流观测误差收敛至0，则要求
，这就要求矩阵特征值
满足如下条件：
其中，，
。
只要取合适的实数k值，使得特征解
小于0，即可保证dV/dt<0，从而实现定子电流观测值收敛至实际值，而这种收敛是在公式5转子反电动势自适应率的调整下实现的，所以通过公式5即可以输出转子反电动势的观测值
。
本发明将转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系曲线用示波器离线记录下来，并制作成表格存于中央控制器内存中，具体曲线波形如图2所示。在确定的转子旋转方向下，转子位置角与转子反电动势矢量、转子磁链矢量之间具有一一对应关系。为了从公式5辨识的转子反电动势获得平稳的转子位置角，本发明采用锁相环原理根据观测的转子反电动势
及图2关系曲线观测出转子位置角
。对应的结构框图如图3中4所示，具体原理如下：在已知
情况下，由图2可以查表获得对应的转子反电动势，记为
；利用正交检测器检测出
与
相位差函数，并将
送入PI调节器后，再送给积分器，输出值作为转子位置观测值。当锁相环达到稳态时，其输出即可以准确复现出转子位置角。另外PI调节器输出值经过低通滤波器滤波后输出转子旋转电角速度观测值。在构建公式2转子反电动势自适应的定子电流观测器过程中，需要电机绕组端电压；为了获得光滑的非导通相绕组端电压，需要低通滤波器对采样的关断相电压进行滤波，滤波器的截止频率为
，这样会带来观测的转子位置角相位延迟
，所以图3中相位延迟补偿环节在锁相环观测的初步转子位置角基础上加上
作为最终的转子位置角观测值
。
根据
到图2对应表格上查表可以获得光滑的转子反电动势、转子磁链，并定义为各自的观测值，若将它们连同观测的转子位置角代入如下公式即可以计算出定子磁链和电磁转矩的观测值：
（公式8）
其中，。
2、工作过程包括如下步骤：
（1）根据所选择的三相逆变器两相导通模式时输出的最优开关电压矢量，判断出关断相及导通两相逆变桥臂功率管开关信号
；
（2）计算三相绕组端电压
、
、
：直接将端电压采样值作为关断相绕组端电压，而导通两相绕组端电压根据直流母线电压采样值和功率管开关信号计算如下：
，i=a,b,c；
（3）采样电机三相绕组瞬时电流
、
、
；
（4）计算αβ坐标系中定子电压如下：
，
，并用矢量表示为
；计算αβ坐标系中定子电流如下：
，
，并用矢量表示为
；
（5）将电压、电流及观测的转子位置角
、观测的转子速度送给转子反电动势自适应的定子电流观测器，输出转子反电动势辨识矢量
；
（6）将转子反电动势矢量
送给锁相环，输出及的刷新值；
（7）将
送给图2表示的表格，输出转子反电动势、
、
和转子磁链
、
、
；
（8）计算静止坐标系中转子反电动势
、
和转子磁链
、如下：
，
；
，
；
（9）将转子磁链
、，定子电流
、
及转子位置角
送给定子磁链计算环节，得到定子磁链
、观测值如下：
；
（10）将定子磁链
、
，转子磁链
、
，定子电流
、
，转子反电动势
、
送给电磁转矩计算环节，得到电磁转矩
观测值如下：；
所述的步骤5中，转子反电动势自适应辨识采用离散化迭代求解法，由如下步骤得到：
（5.1）计算公式2中第k时刻矩阵A k 和B k 如下：
（5.2）计算定子电流观测误差矢量
，
；
（5.3）将定子电流观测误差矢量代入公式5积分器，输出转子反电动势矢量第k+1采样时刻观测值
，其离散形式如下：
；
（5.4）将当前第k+1采样时刻端电压检测矢量
、定子电流观测误差矢量
、转子反电动势矢量观测值
、矩阵A k 和B k 代入公式2输出新的定子电流观测矢量值
，其离散形式如下：
所述的步骤6中，转子位置观测值
和转子速度观测值
采用离散化迭代法，由如下步骤得到：
（6.1）根据第k时刻转子位置初步观测值
，查图2对应的转子反电动势与转子位置角关系表格，得到三相转子反电动势
、
、
；
（6.2）将三相转子反电动势
、
、
分别与第k时刻的转子旋转速度
相乘得到
、
、
；
（6.3）将
、
、
经过3/2变换，得ab坐标系中对应矢量
，其在ab轴上投影分别：
（6.4）计算步骤5中转子反电动势自适应辨识矢量
及步骤6.3中
两个矢量相位差函数
如下：；
（6.5）将相位差函数
送给PI调节器，输出初步转速观测值，其离散形式如下：
（6.6）将初步转速观测值
送给纯积分器输出转子位置角初步观测值
，其离散形式如下：；
（6.7）计算相位延迟补偿环节输出值
如下：
；
所述的步骤（5）、步骤（6.7）中转子速度观测值采用离散迭代法，将初始转速观测值送给低通滤波器，输出转子旋转速度观测值离散形式如下：，其中
取功率管开关频率的1/10。
3、有效性
图6a、6b为本发明方法及装置在凸极式无刷直流电机无位置传感器直接转矩控制中的应用实验结果，图6a为低速33r/min结果，图6b为高速1150r/min结果，从低速和高速实验结果可见：1）转子位置观测值与实测值非常接近，误差很小，而且速度越高，位置观测误差越小；2）转矩观测值与实际转矩非常接近，误差很小，尤其从高速转矩波形细节比较更能清楚看出转矩观测波形和实测波形非常吻合。这些结果说明，本发明能够实现对凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩连续、实时、准确地观测。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法，其特征在于：对凸极式永磁无刷直流电机的电压和电流进行采样，将检测到的电压、电流以及观测的转子位置角、转子速度送给利用凸极式永磁无刷直流电机非线性时变数学模型构建的转子反电动势自适应的定子电流观测模块，输出转子反电动势；如果是第一次采样，观测的转子位置角、转子速度为任意设定的初值，否则为上一次采样计算得到的转子位置角和转子速度的观测值；将自适应辨识出的转子反电动势送给锁相环模块，输出转子位置角和转子速度的观测刷新值；根据转子位置角观测刷新值，查转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系表，输出转子反电动势和转子磁链；根据转子磁链、转子位置角观测刷新值及定子电流，计算出定子磁链；根据定子磁链、转子磁链、定子电流及转子反电动势，计算出电磁转矩。
2.根据权利要求1所述的凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：检测凸极式永磁无刷直流电机的三相绕组电压 
、
、
和三相绕组电流
、
、
，并利用3/2坐标变换模块将三相绕组电压
、
、
和三相绕组电流、
、
变换至αβ坐标系中，得到αβ坐标系中定子电压为：
，
，用矢量
表示，αβ坐标系中定子电流为：
，
，用矢量
表示；
其中，对于导通相绕组电压，利用直流母线电压采样值和功率管开关信号获得：
，i=a,b,c，
表示导通相绕组电压，表示导通相对应逆变桥臂功率管开关信号；对于关断相绕组电压，直接采用端电压采样值；
步骤2：将定子电压矢量
、定子电流矢量及观测的转子位置角、转子速度
送给转子反电动势自适应的定子电流观测模块，输出转子反电动势自适应辨识矢量
；
步骤3：将转子反电动势自适应辨识矢量
送给锁相环模块，输出转子位置角
和转子速度的观测刷新值；
步骤4：将转子位置角观测刷新值送给转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系表，查表并输出转子反电动势
、、
和转子磁链
、
、
；
步骤5：将转子反电动势
、
、
和转子磁链
、
、
分别送给3/2坐标变换模块，输出定子αβ静止坐标系中转子反电动势
、
和转子磁链
、
，得到αβ坐标系中转子反电动势为：，
，αβ坐标系中转子磁链为：
，
；
步骤6：将αβ坐标系中转子磁链
、，定子电流
、
及转子位置角观测刷新值
送给定子磁链计算模块，得到定子磁链
、
为：
其中，
和
为电机的直交轴电感；
步骤7：将αβ坐标系中定子磁链、
，转子磁链、
，定子电流
、
及转子反电动势
、
送给电磁转矩计算模块，得到电磁转矩
观测值为：
其中，
为电机极对数。
3.根据权利要求2所述的凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法，其特征在于：在步骤2中，转子反电动势自适应辨识采用离散化迭代求解法，按如下步骤实现：
步骤2.1：根据步骤3中输出的第k时刻转子位置角观测值
和转子速度观测值
，计算第k时刻矩阵A k 和B k 如下：
其中
为定子电阻；
步骤2.2：根据第k+1时刻定子电流矢量检测值
及其第k时刻观测值
，计算定子电流观测误差矢量
为：
；
步骤2.3：将定子电流观测误差矢量
、矩阵B k 代入积分器，输出第k+1时刻转子反电动势矢量观测值
，其离散形式为：
，其中
为第k时刻转子反电动势矢量观测值，
为大于0的常数，G为对角元素大于零的对角矩阵；
步骤2.4：将第k+1时刻端电压检测矢量
、定子电流观测误差矢量
、第k+1时刻转子反电动势矢量观测值
、矩阵A k 和B k 代入定子电流观测模块，输出第k+1时刻定子电流矢量观测值，其离散形式为：
，其中为第k时刻定子电流矢量观测值。
4.根据权利要求2所述的凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法，其特征在于：在步骤3中，转子位置角观测值
和转子速度观测值
采用离散化迭代求解法，按如下步骤实现：
步骤3.1：根据第k时刻转子位置角初步观测值
，查转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系表，得到三相转子反电动势
、
、
；
步骤3.2：将三相转子反电动势
、
、
分别与第k时刻转子速度观测值相乘，得到
、
、
；
步骤3.3：将
、
、
经过3/2坐标变换模块变换，得到αβ坐标系中对应矢量
，其在αβ轴上投影分别为：，
；
步骤3.4：将步骤2中转子反电动势自适应辨识矢量
及步骤3.3中
一同送到正交检测模块，输出这两个矢量第k+1时刻相位差函数
如下：；
步骤3.5：将相位差函数
送给PI调节器，输出第k+1时刻转子速度初步观测值
，其离散形式为：，其中
、
分别为PI调节器的比例系数和积分系数，均为大于零的常数，
为第k时刻转子速度初步观测值；
步骤3.6：将转子速度初步观测值
送给纯积分器，输出第k+1时刻转子位置角初步观测值
，其离散形式为：
，其中
为第k时刻转子位置角初步观测值；
步骤3.7：转子速度观测值
采用离散化迭代法求解，将
送给低通滤波器，输出第k+1时刻速度观测值离散形式如下：，其中
为低通滤波器的截止电频率；将当前第k+1时刻的转子位置角初步观测值
及转子速度观测值送给相位延迟补偿模块，输出转子位置角观测值
为：
，其中为端电压采样通道低通滤波器的截止角频率。
5.采用如权利要求1、2、3或4所述方法的凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测装置，其特征在于：包括直流母线电压采集电路、关断相绕组电压采集电路、绕组电流采集电路、中央控制器和隔离驱动单元；
所述直流母线电压采集电路采集直流母线电压产生电路输出给两相导通模式的三相逆变器的直流母线电压，所述关断相绕组电压采集电路采集所述三相逆变器施加给凸极式永磁无刷直流电机三相绕组的非导通相电压，所述绕组电流采集电路采集三相绕组电流，并将采集到的直流母线电压、非导通相电压及三相绕组电流送给所述中央控制器，所述中央控制器的输出通过隔离驱动单元连接到所述三相逆变器；
所述中央控制器包括：
转子反电动势自适应的定子电流观测模块，用于根据输入的定子电压矢量
、定子电流矢量及观测的转子位置角
、转子速度
，输出转子反电动势自适应辨识矢量；
锁相环模块，用于根据输入的转子反电动势自适应辨识矢量
，输出转子位置角
和转子速度
的观测刷新值；
转子反电动势、转子磁链与转子位置角关系表查表模块，用于根据输入的转子位置角观测刷新值
，输出转子反电动势
、
、
和转子磁链
、、
；
定子磁链计算模块，用于根据输入的αβ坐标系中转子磁链
、，定子电流、
及转子位置角观测刷新值，输出定子磁链、
；以及
电磁转矩计算模块，用于根据输入的αβ坐标系中定子磁链
、
，转子磁链、
，定子电流
、及转子反电动势、
，输出电磁转矩观测值。
6.根据权利要求5所述的凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测装置，其特征在于：采用直接转矩控制策略时，将电磁转矩观测值及过程变量定子磁链一同送给逆变器两相导通模式最优开关电压矢量选择装置，以实现电磁转矩直接控制。
7.根据权利要求6所述的凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测装置，其特征在于：实现速度闭环控制时，将过程变量转子速度反馈给速度闭环控制装置，以实现无速度无位置传感器式转速控制。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150415 Termination date: 20171026 |
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