CN104901600B - 宽转速范围内永磁同步电机的无位置传感器控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了宽转速范围内永磁同步电机的无位置传感器控制方法，属于永磁同步电机控制的技术领域。采集电机输出电流并建立预估定子电流期望值的滑模观测器；根据定子电流期望值与实际值的差值、转子角速度与转子位置的估计值修正加权系数；由修正加权系数、低速位置估计值、高速位置估计值确定转子角速度和转子位置的估计值；由转子角速度和转子位置估计值、定子电流实际值确定定子电压参考值，采用空间电压矢量调制技术获取三相逆变器驱动信号，电机在驱动信号作用下运行，直至转子角速度收敛于估计值。本发明提高了切换过程的转速估算精度、系统稳定性和准确性，减少了转速切换过程中的转速波动和电机抖动，使切换过程更加平滑。
Description
技术领域
本发明公开了宽转速范围内永磁同步电机的无位置传感器控制方法，属于永磁同步电机控制的技术领域。
背景技术
永磁同步电机控制系统中一般需要机械式位置传感器(如光电码盘、旋转变压器)来检测转子位置和转速。但是，机械式传感器的存在增加了系统成本，增大了系统体积，同时由于机械式传感器连线较多，进一步增加系统的复杂性，从而降低系统的可靠性，带来安装方面的困难。更为突出的是，机械式传感器易受工作环境的影响，严重限制了永磁同步电机在某些环境恶劣的特殊场合的使用。因此，永磁同步电机无位置传感器控制有着重要研究意义。
文献《永磁同步电机无位置传感器混合控制策略》(王高林、张国强等.中国电机工程学报,2012,34(24))。高频信号注入法由于其估算转速较快、精度较高等优点广泛用于低速无位置控制。但是当电机运行于高速区时，反电动势过大，电压方程中的旋转分量不可忽略使得高频信号注入法估算位置的精度降低，稳定性变差。因而，高频信号注入法仅适合于低速范围无位置传感器控制。而反电势法具有计算量小，实现简单，且高速时反电势较大，易于检测等优点。因此，中高速时普遍采用反电势直接计算法。将上述分别适用于零速和低速、中高速的两类方法相结合，构成复合控制方法，为宽转速范围永磁同步电机无位置传感器控制提供了一种方案，也成为当前无位置传感器中较为活跃的研究方向。目前现存的宽转速范围内无传感器控制系统中大都采用了复合控制方法。
然而，转速切换时采用转速简单加权平均的方式，存在转速估计误差大，切换时转速波动大，容易切换失败等不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了宽转速范围内永磁同步电机的无位置传感器控制方法，对复合控制转速切换进行改进，引入滑模自适应控制，根据电机电流对加权系数实时进行修正，能有效地提高转速估算精度，解决了简单加权平均方式的转速切换估计的转速误差大、切换时转速波动大、容易切换失败的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
宽转速范围内永磁同步电机的无位置传感器控制方法，包括以下步骤：
A.采集电机输出电流并建立预估定子电流期望值的滑模观测器；
B.根据定子电流期望值与实际值的差值、转子角速度与转子位置的估计值修正加权系数：
B1.提取定子电流期望值与实际值在两相静止坐标系下差值的符号函数：为定子电流在两相静止坐标系下的估计值， iα、iβ为定子电流在两相静止坐标系下的实际值，
B2.由步骤B1提取的符号函数以及前一时刻的转子位置估计值确定修正量Δλ：
在εα>0,εβ>0时，
在εα>0,εβ<0时，
在εα<0,εβ<0时，
在εα<0,εβ>0时，其中，
ωp2、ωp1分别为转速切换区间的上下限，
B3.再由修正量Δλ以及如下表达式修正加权系数λ：
其中，
为前一时刻转子角速度估计值；
C.由所述修正加权系数、低速位置估计值、高速位置估计值确定转子角速度和转子位置的估计值；
D.由转子角速度和转子位置估计值、定子电流实际值确定定子电压参考值，采用空间电压矢量调制技术获取三相逆变器驱动信号，电机在驱动信号作用下运行；
E.重复步骤A至步骤D直至转子角速度收敛于估计值。
再进一步的，所述宽转速范围内永磁同步电机的无位置传感器控制方法中，步骤C由所述修正加权系数、低速位置估计值、高速位置估计值确定转子角速度和转子位置估计值的表达式为：
其中，
为转子角速度估计值，为转子位置估计值，分别为低速方法和高速方法在切换区间获得的转子角速度估计值，分别为低速方法和高速方法在切换区间获得的转子位置估计值。
作为所述宽转速范围内永磁同步电机的无位置传感器控制方法的进一步优化方案，步骤C中所述低速位置估计值的获取方法为：定子电流在估计转子同步旋转坐标系下的q轴分量经带通滤波器选出交流分量，将交流分量与正弦信号相乘进行信号调制，利用低通滤波器滤除信号调制结果中的交流成分以获取位置估计偏差信号f(Δθ)：其中，
Um和ωh的分别为脉振高频电压信号的幅值和频率，L和ΔL分别为电感值、电感变化值，L＝(Ldh+Lqh)/2,ΔL＝(Ldh-Lqh)/2，Ldh为高频直轴电感，Lqh为高频交轴电感，Δθ为转子位置误差。
作为所述宽转速范围内永磁同步电机的无位置传感器控制方法的进一步优化方案，步骤D中由转子角速度和转子位置的估计值确定定子电压参考值的方法为：
D1.依次对采集的电机输出电流进行Clarke变换、Park变换得到定子电流在两相旋转坐标系下的估计值；
D2.对定子电流在两相旋转坐标系下的估计值低通滤波以获取定子电流在两相旋转坐标系下的反馈值；
D3.对定子电流在两相旋转坐标系下d轴参考值与反馈值之差进行PI调节得到定子电压在两相旋转坐标系下d轴的参考值，在两相旋转坐标系的直轴叠加注入脉振高频电压信号并结合转子位置估计值对定子电压在两相旋转坐标系下d 轴的参考值进行Park逆变换以获取定子电压在两相静止坐标系下α轴的参考值；
D4.对转子角速度的给定值与估计值之差进行PI调节得到定子电流在两相旋转坐标系下q轴的参考值，对定子电流在两相旋转坐标系下q轴参考值与反馈值之差进行PI调节得到定子电压在两相旋转坐标系下q轴的参考值，对定子电压在两相旋转坐标系下q轴的参考值进行Park逆变换以获取定子电压在两相静止坐标系β轴的参考值；
其中，Park变换以及Park逆变换以转子位置估计值为位置参数。
进一步的，作为所述宽转速范围内永磁同步电机的无位置传感器控制方法的进一步优化方案，步骤A中建立的预估电机定子电流期望值的滑模观测器为：
其中，
为定子电流在两相静止坐标系下的估计值，uα、uβ为定子电压在两相静止坐标系下的实际值，为定子反电势在两相静止坐标系下的估计值， Ls、Rs分别为定子电感和定子电阻。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)对低速位置、高速位置加权处理以确定转子角速度和转子位置的期望值，再结合滑膜控制实现电机转速逐步收敛于估计值的目标，由定子电流估计值与实际值之差、当前转子位置估计值对加权系数实现在线调整，提高了切换过程的转速估算精度、系统稳定性和准确性，减少了转速切换过程中的转速波动和电机抖动，使切换过程更加平滑，拓宽了该调速方法的应用范围；
(2)在原有的永磁同步电机控制架构下，无需增加额外的硬件设施，方便实施。
附图说明
图1是本发明所述方法的控制框架图；
图2是两相静止坐标系、实际两相同步旋转坐标系与估计两相同步旋转坐标系的相对关系示意图；
图3是脉振高频电压注入法位置信号提取与调制过程的原理框图；
图4是加权系数修正过程的原理框图；
图5是期望转速信号合成原理框图；
图6是期望位置信号合成原理框图；
图7(a)是传统转速切换方法在180r/min-210r/min转速切换区间的转速波形图，图7(b)是本发明控制方法在180r/min-210r/min转速切换区间的转速波形图，图7(c)是传统转速切换方法在180r/min-210r/min转速切换区间的位置波形图，图7(d)是本发明控制方法在180r/min-210r/min转速切换区间的位置波形图。
具体实施方式
下面结合附图，以表贴式永磁同步电机为例对发明的技术方案进行详细说明。
本发明提供的宽转速范围表贴式永磁同步电机无位置复合控制的方法如图1 所示，首先，建立如图2所示的坐标系关系图，d-q为实际同步旋转坐标系，为估计转子同步旋转坐标系，α-β为实际两相静止坐标系，并且定义估计位置误差θ为实际转子位置，为转子位置估计值，具体包括以下步骤：
步骤1、检测电机三相绕组A、B、C中的任意两相电流，先进行Clarke变换得到实际两相静止α-β坐标系下的定子电流在两相静止坐标系下的实际值iα和iβ，建立预估电机定子电流期望值的滑模观测器：
其中，
为定子电流在两相静止坐标系下的估计值，为定子电压在两相静止坐标系下的实际值，为定子反电势在两相静止坐标系下的估计值，Ls、Rs分别为定子电感和定子电阻，ψf是磁通。
步骤2、复合控制中加权系数修正模块处理过程如图4、图5、图6所示：将和分别与iα和iβ作差，并提取其符号通过对前一时刻转子角速度估计值进行判断以获得合成系数λ0，当前一时刻转子角速度估计值小于转速切换区间下限ωp1时，此时仅采用低速估算方法λ0＝1；当前一时刻转子角速度估计值大于转速切换区间上限ωp2时，此时仅采用高速估算方法λ0＝0；当时，此时采用依据转速的加权平均的估算方法并根据电流差值符号函数εα,εβ以及前一时刻转子位置估计值修正转速合成加权系数λ0，使得λ＝λ0+Δλ，修正后得到的加权系数λ表达式如下：
表1不同情况下Δλ修正值
其中，
步骤3、复合控制模块估算转子角速度和转子位置：
步骤3-1、低速位置估算模块的信号处理流程如图3所示：将估计转子同步旋转坐标系的轴电流响应信号经过带通滤波器选出频率为ωh的交流分量再与正弦信号sin(ωht)相乘进行调制，得到直流分量和频率为2ωh的交流分量，最后经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量，得到估计位置偏差信号f(Δθ)；
Um和ωh的分别为脉振高频电压信号的幅值和频率，L和ΔL分别为电感值、电感变化值，L＝(Ldh+Lqh)/2,ΔL＝(Ldh-Lqh)/2，Ldh为高频直轴电感，Lqh为高频交轴电感，
将估计位置偏差信号f(Δθ)作为PI调节器的输入，PI调节器输出低速方法在切换区间获得的转子角速度估计值对积分调节得到低速方法在切换区间获得的转子位置估计值
步骤3-2、高速位置估算模块的信号处理流程为：由定子电流在两相静止坐标系下的实际值iα和iβ、定子电压在两相静止坐标系下的参考值和采用反电势法计算高速方法在切换区间获得的转子角速度估计值对积分调节得到高速方法在切换区间获得的转子位置估计值
步骤3-3、将和 和按照加权平均系数λ合成全速度范围的转子角速度估计值和转子位置估计值
步骤4、由转子角速度和转子位置估计值、定子电流实际值确定定子电压参考值，采用空间电压矢量调制技术获取三相逆变器驱动信号，电机在驱动信号作用下运行：
步骤4-1、依次对采集的电机输出电流进行Clarke变换、Park变换得到定子电流在两相旋转坐标系下的估计值和 和经过低通滤波处理得到定子电流在两相旋转坐标系下的反馈值和
步骤4-2、定子电流在两相旋转坐标系下d轴参考值与反馈值 d轴分量之差经过PI调节之后获得定子电压在两相旋转坐标系下d轴的参考值在d轴叠加注入的脉振高频电压信号Umcosωht后经过Park逆变换获得基频定子电压在两相静止坐标系下α轴的参考值
步骤4-3、复合控制模块输出的转子角速度估计值作为转速反馈信号，给定转子角速度ωref与转子角速度估计值之差作为PI调节器输入，经过调节获得定子电流在两相旋转坐标系下q轴参考值然后，与之差经过PI调节之后获得定子电压在两相旋转坐标系下q轴的参考值将经过Park逆变换获得基频定子电压在两相静止坐标系下β轴的参考值
步骤5、重复步骤1至步骤4直至转子角速度收敛为一恒定值，即为转子角速度的估计值。
在MATLAB/Simulink中建立仿真模型对相位补偿过程进行仿真验证，结果如图7(a)、图7(b)、图7(c)、图7(d)所示。仿真结果表明该方法在 180r/min-210r/min转速切换区间，传统方法的转速波动明显，且估计的位置误差较大，而新型的控制方法能有效地改善转速切换效果，减小转速波动，使得切换过程更加平稳，并提高转速估算精度，减小误差。
上述实施例以表贴式永磁同步电机为例阐述了本发明的技术方案，但本发明所述控制方法不局限于表贴式永磁通同步电机的调速，本领域的技术人员能够利用所述方法实现其它类型永磁同步电机的全速范围的无位置传感器控制。
Claims (5)
1.宽转速范围内永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.采集电机输出电流并建立预估定子电流期望值的滑模观测器；
B.根据定子电流期望值与实际值的差值、转子角速度与转子位置的估计值修正加权系数：
B1.提取定子电流期望值与实际值在两相静止坐标系下差值的符号函数：为定子电流在两相静止坐标系下的估计值，iα、iβ为定子电流在两相静止坐标系下的实际值，
B2.由步骤B1提取的符号函数以及前一时刻的转子位置估计值确定修正量Δλ：
在εα>0,εβ>0时，
在εα>0,εβ<0时，
在εα<0,εβ<0时，
在εα<0,εβ>0时，其中，
ωp2、ωp1分别为转速切换区间的上下限，
B3.再由修正量Δλ以及如下表达式修正加权系数λ：
其中，
为前一时刻转子角速度估计值；
C.由所述修正加权系数、低速位置估计值、高速位置估计值确定转子角速度和转子位置的估计值；
D.由转子角速度和转子位置估计值、定子电流实际值确定定子电压参考值，采用空间电压矢量调制技术获取三相逆变器驱动信号，电机在驱动信号作用下运行；
E.重复步骤A至步骤D直至转子角速度收敛于估计值。
2.根据权利要求1所述的宽转速范围内永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤C由所述修正加权系数、低速位置估计值、高速位置估计值确定转子角速度和转子位置估计值的表达式为：
其中，
为转子角速度估计值，为转子位置估计值，分别为低速方法和高速方法在切换区间获得的转子角速度估计值，分别为低速方法和高速方法在切换区间获得的转子位置估计值。
3.根据权利要求1所述的宽转速范围内永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤C中所述低速位置估计值的获取方法为：定子电流在估计转子同步旋转坐标系下的q轴分量经带通滤波器选出交流分量，将交流分量与正弦信号相乘进行信号调制，利用低通滤波器滤除信号调制结果中的交流成分以获取位置估计偏差信号f(Δθ)：其中，
Um和ωh的分别为脉振高频电压信号的幅值和频率，L和ΔL分别为电感值、电感变化值，L＝(Ldh+Lqh)/2,ΔL＝(Ldh-Lqh)/2，Ldh为高频直轴电感，Lqh为高频交轴电感，Δθ为转子位置误差。
4.根据权利要求1所述的宽转速范围内永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤D中由转子角速度和转子位置的估计值确定定子电压参考值的方法为：
D1.依次对采集的电机输出电流进行Clarke变换、Park变换得到定子电流在两相旋转坐标系下的估计值；
D2.对定子电流在两相旋转坐标系下的估计值低通滤波以获取定子电流在两相旋转坐标系下的反馈值；
D3.对定子电流在两相旋转坐标系下d轴参考值与反馈值之差进行PI调节得到定子电压在两相旋转坐标系下d轴的参考值，在两相旋转坐标系的直轴叠加注入脉振高频电压信号并结合转子位置估计值对定子电压在两相旋转坐标系下d轴的参考值进行Park逆变换以获取定子电压在两相静止坐标系下α轴的参考值；
D4.对转子角速度的给定值与估计值之差进行PI调节得到定子电流在两相旋转坐标系下q轴的参考值，对定子电流在两相旋转坐标系下q轴参考值与反馈值之差进行PI调节得到定子电压在两相旋转坐标系下q轴的参考值，对定子电压在两相旋转坐标系下q轴的参考值进行Park逆变换以获取定子电压在两相静止坐标系β轴的参考值；
其中，Park变换以及Park逆变换以转子位置估计值为位置参数。
5.根据权利要求1所述的宽转速范围内永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤A中建立的预估电机定子电流期望值的滑模观测器为：
其中，
为定子电流在两相静止坐标系下的估计值，uα、uβ为定子电压在两相静止坐标系下的实际值，为定子反电势在两相静止坐标系下的估计值，Ls、Rs分别为定子电感和定子电阻。
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- 2015-05-19 CN CN201510255925.5A patent/CN104901600B/zh active Active
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