CN103346727B - 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

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反电势观测值和计算根据PMSM的额定转速设置ΔS；计算作为限幅器的上限，比较和MINSPEEDOBS取其中较大的作为限幅器下限；α-β反电势观测值和使用转速观测值和K_e的乘积K作为模，用反电势观测值和除K得到的sin和cos值带入后端运算；通过反馈环路得到后，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对积分即得角度的观测值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(永磁同步电机)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(permanentmagnetsynchronousmoto，永磁同步电机)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反电势观测值和其中然后将和输入到角度跟踪观测器得到观测的转速和输出用以控制电机运行。图1所示为角度跟踪观测器框图，其中先求得模再对和进行去模处理得到的-sin值和cos值，通过反馈环路得到将输入到PI控制器可得到速度的观测值对积分即得角度的观测值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除模项，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和(α-β坐标系为电机控制下的一个定律性)，计算

根据PMSM的额定转速设置一转速阀值区间其值为ΔS；

计算作为限幅器的上限，比较和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使用转速观测值和K_e的乘积K作为模，用反电势观测值和除K得到的负sin和cos值带入后端运算；

通过反馈环路得到后，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对积分即得角度的观测值

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反电势观测值和计算 ${\widehat{\mathrm{\ω}}}_{e1}=\sqrt{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}^2}/K_e;$

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，用于计算作为限幅器的上限，比较和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使用转速观测值和K_e的乘积K作为模，用反电势观测值和除K得到的负sin和cos值带入后端运算；

通过反馈环路得到后，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对积分即得角度的观测值

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和(α-β坐标系为电机控制下的一个定律性)，计算

根据PMSM的额定转速设置一转速阀值区间其值为ΔS；

计算作为限幅器的上限，比较和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使用转速观测值和K_e的乘积K作为模，用反电势观测值和除K得到的负sin和cos值带入后端运算；

通过反馈环路得到后，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对积分即得角度的观测值

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反电势观测值和并计算 ${\widehat{\mathrm{\ω}}}_{e1}=\sqrt{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}^2}/K_e;$

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，比较和MINSPEEDOBS取其中较大的作为限幅器下限；

α-β反电势观测值和使用转速观测值和K_e的乘积K作为模，用反电势观测值和除K得到的负sin和cos值带入后端运算；

通过反馈环路得到后，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对积分即得角度的观测值

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。

由可知和的模等于k_eω_e，其中K_e为PMSM的反电势常数(一旦电机选定K_e基本为一常数)，ω_e为PMSM运行的转速，那么为了简化和去模处理直接使用转速观测值和K_e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)，K_e为一常数，故采用这种去模方法得到的sin和cos值更为稳定可靠。同理，由上所述也可的观测转速但这种方法得到的观测转速同样容易受到反电势观测值和波动影响，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，作为限幅器的上限，作为限幅器的下限，选取合适的ΔS值抵消的波动值，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，由于反电势观测值和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和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，对反电势观测值和采用新的去模处理方法，使用转速观测值和K_e的乘积K作为模，用反电势观测值和除K得到的负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，作为限幅器的上限，作为限幅器的下限，选取合适的ΔS值抵消的波动值,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和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和计算 ${\widehat{\mathrm{\ω}}}_{e1}=\sqrt{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}^2}/K_e;$

根据PMSM的额定转速设置一转速阀值区间其值为ΔS；

计算作为限幅器的上限，比较和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使用转速观测值和K_e的乘积K作为模，用反电势观测值和除K得到的负sin和cos值带入后端运算；

通过反馈环路得到后，将输入到控制器，使(Kp+KI/S)经过可变幅值限幅器得到转速观测值对积分即得角度观测值其中，为观测角度误差值，K_e为PMSM反电势常数。

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反电势观测值和并计算 ${\widehat{\mathrm{\ω}}}_{e1}=\sqrt{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}^2}/K_e;$

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，比较和MINSPEEDOBS取其中较大的作为限幅器下限；

α-β反电势观测值和使用转速观测值和K_e的乘积K作为模，用反电势观测值和除K得到的sin和cos值带入后端运算；

通过反馈环路得到后，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对积分即得角度的观测值

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。