CN103346727A - 应用于 pmsm无位置控制的角度跟踪观测器及其实现方法 - Google Patents

应用于 pmsm无位置控制的角度跟踪观测器及其实现方法 Download PDF

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CN103346727A CN2013103211264A CN201310321126A CN103346727A CN 103346727 A CN103346727 A CN 103346727A CN 2013103211264 A CN2013103211264 A CN 2013103211264A CN 201310321126 A CN201310321126 A CN 201310321126A CN 103346727 A CN103346727 A CN 103346727A
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Abstract

本发明涉及一种应用于PMSM无位置控制的角度跟踪观测器及其实现方法，包括：设置MINSPEEDOBS值，使电机在该转速下，电流环饱和输出的情况下能够拖动运行；由反电势观测器得到的α-β反电势观测值
Figure DDA00003578080200011
和
Figure DDA00003578080200012
计算
Figure DDA00003578080200013
根据PMSM的额定转速设置ΔS；计算
Figure DDA00003578080200014
作为限幅器的上限，比较
Figure DDA00003578080200015
和MINSPEEDOBS取其中较大的作为限幅器下限；α-β反电势观测值
Figure DDA00003578080200016
和使用转速观测值和Ke的乘积K作为模，用反电势观测值
Figure DDA00003578080200019
和
Figure DDA000035780802000110
除K得到
Figure DDA000035780802000111
的sin和cos值带入后端运算；通过反馈环路得到
Figure DDA000035780802000112
后，将
Figure DDA000035780802000113
输入到控制器，使（Kp+KI/S）经过可变幅值限幅器得到速度的观测值
Figure DDA000035780802000114
对
Figure DDA000035780802000115
积分即得角度的观测值
Figure DDA000035780802000116
通过以上方案有效的提高了系统的稳定性和可靠性。

Description

应用于 PMSM无位置控制的角度跟踪观测器及其实现方法
技术领域
本发明涉及的是一种PMSM无位置控制的角度跟踪观测技术领域，具体涉及一种应用于PMSM无位置控制的角度跟踪观测器及其实现方法。
背景技术
PMSM与交流感应电机相比具有功率密度高，启动特性好，运行效率高等优点，特别其运行效率高使得其在对节能环保要求日益严格的家电领域被大量的应用。但PMSM运行时需要知道转子的具体位置用以进行矢量控制算法，目前多数采用反电势观测器得到α-β反电势观测值
Figure BDA00003578080000011
和
Figure BDA00003578080000012
其中
Figure BDA00003578080000013
然后将
Figure BDA00003578080000014
和输入到角度跟踪观测器得到观测的转速
Figure BDA00003578080000016
和
Figure BDA00003578080000017
输出用以控制电机运行。图1所示为角度跟踪观测器框图，其中先求得模
Figure BDA00003578080000018
再对
Figure BDA00003578080000019
和
Figure BDA000035780800000110
进行去模处理得到
Figure BDA000035780800000111
的-sin值和cos值，通过反馈环路得到
Figure BDA000035780800000112
将
Figure BDA000035780800000113
输入到PI控制器
Figure BDA000035780800000114
可得到速度的观测值
Figure BDA000035780800000115
对
Figure BDA000035780800000116
积分即得角度的观测值
Figure BDA000035780800000117
这种观测器结构简单，易于实现，但该观测器中对反电势进行去模处理环节中使用反电势观测值和
Figure BDA000035780800000119
除模
Figure BDA000035780800000120
项，由于和为一个波动值（在稳态时，也呈正余弦规律变化）故该项容易引入噪声影响后端环节，而且该去模处理方法需要开平方运算也占用了处理器的运行资源；限幅环节也只是限制转速的观测值
Figure BDA000035780800000123
不超过电机的最大转速（稍大于电机的额定转速）和最小转速（0，多数情况下只需电机往一个方向运行），但实际限幅器起作用时环路已经不稳定，且不能回到正常的跟踪状态。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明提供一种可靠、稳定的应用于PMSM无位置控制的角度跟踪观测器及其实现方法。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种应用于PMSM无位置控制的角度跟踪观测方法，包括：
设置MINSPEEDOBS（即为观测转速下限值）值，使电机在该转速下，电流环饱和输出的情况下能够拖动运行；
由反电势观测器得到的α-β坐标系下反电势观测值
Figure BDA00003578080000021
和
Figure BDA00003578080000022
（α-β坐标系为电机控制下的一个定律性），计算
Figure BDA00003578080000023
根据PMSM的额定转速设置一转速阀值区间其值为ΔS；
计算
Figure BDA00003578080000024
作为限幅器的上限，比较
Figure BDA00003578080000025
和MINSPEEDOBS取其中较大的作为限幅器下限；
α-β坐标系下反电势观测值
Figure BDA00003578080000026
和
Figure BDA00003578080000027
使用转速观测值
Figure BDA00003578080000028
和Ke的乘积K作为模，用反电势观测值和除K得到
Figure BDA000035780800000211
的sin和cos值带入后端运算；
通过反馈环路得到
Figure BDA000035780800000212
后，将输入到控制器，使（Kp+KI/S）经过可变幅值限幅器得到速度的观测值
Figure BDA000035780800000214
对
Figure BDA000035780800000215
积分即得角度的观测值
Figure BDA000035780800000216
根据本发明的一个实施例，所述ΔS为PMSM额定转速的15-25%。
根据本发明的一个实施例，所述控制器为PI控制器。
为了更好的实现本发明：
一种应用于PMSM无位置控制的角度跟踪观测器，包括：
MINSPEEDOBS值设定模块，用于设置MINSPEEDOBS值，使电机在该转速下，电流环饱和输出的情况下能够拖动运行；
反电势观测模块，用于由反电势观测器得到的α-β反电势观测值和
Figure BDA000035780800000218
计算 ω ^ el = e ^ α 2 + e ^ β 2 / K e ;
转速设置模块，用于根据PMSM的额定转速设置转速阀值区间ΔS；
限幅器以及计算模块，用于计算
Figure BDA000035780800000220
作为限幅器的上限，比较
Figure BDA000035780800000221
和MINSPEEDOBS取其中较大的作为限幅器下限；
α-β坐标系下反电势观测值
Figure BDA000035780800000222
和
Figure BDA000035780800000223
使用转速观测值和Ke的乘积K作为模，用反电势观测值
Figure BDA000035780800000225
和除K得到的sin和cos值带入后端运算；
通过反馈环路得到
Figure BDA000035780800000228
后，将
Figure BDA000035780800000229
输入到控制器，使（Kp+KI/S）经过可变幅值限幅器得到速度的观测值
Figure BDA000035780800000230
对
Figure BDA000035780800000231
积分即得角度的观测值
Figure BDA000035780800000232
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的一种应用于PMSM无位置控制的角度跟踪观测器，以及去模处理方法，在传统的角度跟踪观测器中加入一个可变幅值限幅器，限制了转速因受扰动发生突变，甚至在产生堵转情况下可以自动切换到拖动过程，拖动转子运行直至观测器正确运行，因而有效的提高了系统的稳定性和可靠性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为现有角度跟踪观测器原理示意图。
图2为本发明一个实施例的角度跟踪观测器的原理框图。
图3为可变幅值限幅器原理示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
以下实施例中结合或者参见附图2、附图3所示：
一种应用于PMSM无位置控制的角度跟踪观测方法，包括：
设置MINSPEEDOBS（即为观测转速下限值）值，使电机在该转速下，电流环饱和输出的情况下能够拖动运行；
由反电势观测器得到的α-β坐标系下反电势观测值
Figure BDA00003578080000031
和（α-β坐标系为电机控制下的一个定律性），计算
Figure BDA00003578080000033
根据PMSM的额定转速设置一转速阀值区间其值为ΔS；
计算
Figure BDA00003578080000034
作为限幅器的上限，比较
Figure BDA00003578080000035
和MINSPEEDOBS取其中较大的作为限幅器下限；
α-β坐标系下反电势观测值
Figure BDA00003578080000036
和使用转速观测值
Figure BDA00003578080000038
和Ke的乘积K作为模，用反电势观测值
Figure BDA00003578080000039
和
Figure BDA000035780800000310
除K得到的sin和cos值带入后端运算；
通过反馈环路得到
Figure BDA000035780800000312
后，将
Figure BDA000035780800000313
输入到控制器，使（Kp+KI/S）经过可变幅值限幅器得到速度的观测值对积分即得角度的观测值
Figure BDA000035780800000316
所述ΔS为PMSM额定转速的15-25%。
所述控制器为PI控制器。
本实施例中的PMSM为领域技术人员通常理解的永磁同步电机。
为了实现上述方法的一种应用于PMSM无位置控制的角度跟踪观测器，包括：
MINSPEEDOBS值设定模块，用于设置MINSPEEDOBS值，使电机在该转速下，电流环饱和输出的情况下能够拖动运行；
反电势观测模块，用于由反电势观测器得到的α-β反电势观测值
Figure BDA00003578080000041
和
Figure BDA00003578080000042
并计算 ω ^ el = e ^ α 2 + e ^ β 2 / K e ;
转速设置模块，用于根据PMSM的额定转速设置ΔS；
限幅器以及计算模块，用于计算作为限幅器的上限，比较
Figure BDA00003578080000045
和MINSPEEDOBS取其中较大的作为限幅器下限；
α-β反电势观测值
Figure BDA00003578080000046
和
Figure BDA00003578080000047
使用转速观测值
Figure BDA00003578080000048
和Ke的乘积K作为模，用反电势观测值
Figure BDA00003578080000049
和
Figure BDA000035780800000410
除K得到
Figure BDA000035780800000411
的sin和cos值带入后端运算；
通过反馈环路得到
Figure BDA000035780800000412
后，将
Figure BDA000035780800000413
输入到控制器，使（Kp+KI/S）经过可变幅值限幅器得到速度的观测值
Figure BDA000035780800000414
对
Figure BDA000035780800000415
积分即得角度的观测值
Figure BDA000035780800000416
所述ΔS为PMSM额定转速的15-25%；所述控制器为PI控制器。
为了更好的详细说明，在本发明的另一个实施例中：
本发明的主要目的旨在解决上述问题，一种应用于PMSM无位置控制的改进型角度跟踪观测器，对
Figure BDA000035780800000417
和采用新的去模处理方法，并加入一个可变幅值限幅器，限制了转速因受扰动发生突变，通过设置合适的限幅下限值甚至在产生堵转情况下可以自动切换到拖动过程，拖动转子运行直至观测器正确运行，大大提高了系统的稳定性和可靠性。
由
Figure BDA000035780800000419
可知
Figure BDA000035780800000420
和
Figure BDA000035780800000421
的模等于keωe，其中Ke为PMSM的反电势常数（一旦电机选定Ke基本为一常数），ωe为PMSM运行的转速，那么为了简化
Figure BDA000035780800000422
和
Figure BDA000035780800000423
去模处理直接使用转速观测值ωe和Ke的乘积K作为模。由于转速观测值为一直流量（在稳态时为一固定输出），Ke为一常数，故采用这种去模方法得到
Figure BDA000035780800000425
的sin和cos值更为稳定可靠。同理，由上所述也可的观测转速
Figure BDA000035780800000426
但这种方法得到的观测转速
Figure BDA000035780800000427
同样容易受到反电势观测值
Figure BDA000035780800000428
和
Figure BDA000035780800000429
波动影响，输出也有一定纹波不利于用作转速环反馈控制使用，但是
Figure BDA00003578080000051
的确是和当前运行转速有一定的关联。这里将作为限幅器的中心值，
Figure BDA00003578080000053
作为限幅器的上限，
Figure BDA00003578080000054
作为限幅器的下限，选取合适的ΔS值抵消
Figure BDA00003578080000055
的波动值，经过这个限幅器可将观测器输出的速度限制在一个合理范围内，具有较强抗扰动性能，有利于环路的稳定。设置一个MINSPEEDOBS当限幅器的下限小于该值时采用这个值作为限幅器的下限，当MINSPEEDOBS固定时单位时间内电机的角度增量固定，选取合适的MINSPEEDOBS值，保证电机在该固定角度增量，电流环饱和输出的情况下能够拖动运行。这样当电机出现堵转或其他情况转速降低时，由于反电势观测值
Figure BDA00003578080000057
和
Figure BDA00003578080000058
过低不能使用导致角度跟踪观测器输出转速过低或不正常情况下，这个限幅器能够使系统工作在拖动状态以速度MINSPEEDOBS运行，重新建立转速，恢复较强的反电势观测值
Figure BDA00003578080000059
和
Figure BDA000035780800000510
从而使角度跟踪观测器又重新工作正常。
本发明的一种应用于PMSM无位置控制的改进型角度跟踪观测器，对反电势观测值
Figure BDA000035780800000511
和
Figure BDA000035780800000512
采用新的去模处理方法，使用转速观测值
Figure BDA000035780800000513
和Ke的乘积K作为模，用反电势观测值
Figure BDA000035780800000514
和除K得到
Figure BDA000035780800000516
的sin和cos值带入后端运算，更为稳定可靠；加入一个可变幅值限幅器，由限幅器的中心值，
Figure BDA000035780800000518
作为限幅器的上限，
Figure BDA000035780800000519
作为限幅器的下限，选取合适的ΔS值抵消
Figure BDA000035780800000520
的波动值,将观测器输出的速度限制在一个合理范围内。并且设置一个MINSPEEDOBS值当限幅器的下限
Figure BDA000035780800000521
小于该值时采用MINSPEEDOBS值作为限幅器的下限，当电机出现堵转或其他情况转速降低时，限幅器能够使系统工作在拖动状态（以速度MINSPEEDOBS运行，电流为电流环饱和输出值），重新建立转速，恢复较强的反电势观测值
Figure BDA000035780800000522
和
Figure BDA000035780800000523
使角度跟踪观测器恢复正常工作。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种应用于PMSM无位置控制的角度跟踪观测方法，其特征在于，包括：
设置MINSPEEDOBS值，使电机在该转速下，电流环饱和输出的情况下能够拖动运行；
由反电势观测器得到的α-β坐标系下反电势观测值
Figure FDA00003578079900011
和
Figure FDA00003578079900012
计算
ω ^ el = e ^ α 2 + e ^ β 2 / K e ;
根据PMSM的额定转速设置一转速阀值区间其值为ΔS；
计算
Figure FDA00003578079900014
作为限幅器的上限，比较
Figure FDA00003578079900015
和MINSPEEDOBS取其中较大的作为限幅器下限；
α-β坐标系下反电势观测值和
Figure FDA00003578079900017
使用转速观测值
Figure FDA00003578079900018
和Ke的乘积K作为模，用反电势观测值
Figure FDA00003578079900019
和
Figure FDA000035780799000110
除K得到
Figure FDA000035780799000111
的sin和cos值带入后端运算；
通过反馈环路得到
Figure FDA000035780799000112
后，将
Figure FDA000035780799000113
输入到控制器，使（Kp+KI/S）经过可变幅值限幅器得到速度的观测值
Figure FDA000035780799000114
对
Figure FDA000035780799000115
积分即得角度的观测值
Figure FDA000035780799000116
2.根据权利要求1所述的应用于PMSM无位置控制的角度跟踪观测方法，其特征在于，所述转速阀值区间ΔS为PMSM额定转速的15-25%。
3.根据权利要求1所述的应用于PMSM无位置控制的角度跟踪观测方法，其特征在于，所述控制器为PI控制器。
4.一种实现如权利要求1至3任意一项方法的应用于PMSM无位置控制的角度跟踪观测器，其特征在于，包括：
MINSPEEDOBS值设定模块，用于设置MINSPEEDOBS值，使电机在该转速下，电流环饱和输出的情况下能够拖动运行；
反电势观测模块，用于由反电势观测器得到的α-β反电势观测值
Figure FDA000035780799000117
和
Figure FDA000035780799000118
并计算 ω ^ el = e ^ α 2 + e ^ β 2 / K e ;
转速设置模块，用于根据PMSM的额定转速设置ΔS；
限幅器以及计算模块，用于计算
Figure FDA000035780799000120
作为限幅器的上限，比较
Figure FDA000035780799000121
和MINSPEEDOBS取其中较大的作为限幅器下限；
α-β反电势观测值
Figure FDA000035780799000122
和
Figure FDA000035780799000123
使用转速观测值
Figure FDA000035780799000124
和Ke的乘积K作为模，用反电势观测值
Figure FDA00003578079900021
和
Figure FDA00003578079900022
除K得到
Figure FDA00003578079900023
的sin和cos值带入后端运算；
通过反馈环路得到后，将
Figure FDA00003578079900025
输入到控制器，使（Kp+KI/S）经过可变幅值限幅器得到速度的观测值对
Figure FDA00003578079900027
积分即得角度的观测值
Figure FDA00003578079900028
5.根据权利要求4所述的应用于PMSM无位置控制的角度跟踪观测器，其特征在于，所述转速阀值区间ΔS为PMSM额定转速的15-25%。
6.根据权利要求4所述的应用于PMSM无位置控制的角度跟踪观测器，其特征在于，所述控制器为PI控制器。
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