CN105119548A - 一种基于锁相环的永磁同步电机转子位置和速度观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于锁相环的永磁同步电机转子位置和速度观测方法，首先读取事先观测好的电机转子磁极磁通链的α轴及β轴分量，然后计算第k个采样时刻电机角度估计误差和锁相环控制器的输出，最终得到锁相环积分器输出，即第k个采样时刻电机转子位置估计值。本发明计算的电机转子位置和速度估计值可代替电机转子位置和速度实际值，并可用于电机矢量控制，实现电机的无位置传感器控制，省去位置及速度传感器。

Description

一种基于锁相环的永磁同步电机转子位置和速度观测方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机矢量控制系统，尤其涉及无位置传感器的永磁同步电机矢量控制。

背景技术

随着半导体技术及计算机技术的发展，永磁同步电机及控制方法在国民经济的各个领域得到了广泛的应用，如火炮随动系统、光电跟踪系统、机床主轴控制及风机控制等，并取代直流电机伺服系统。永磁同步电机控制一般采用磁场定向控制(矢量控制)方式，通过对永磁同步电机电流、电压的定子坐标系至同步旋转坐标系的坐标变换及同步旋转坐标系至定子坐标系的反变换，实现矢量控制。一般矢量变换需要用到电机转子的位置，实际控制中通常利用旋转变压器或光电码盘来检测电机位置，位置传感器的使用增加了伺服系统的硬件成本，而对于定位及跟踪精度要求不高的场合，以及仅需要速度控制的场合，若能利用估计理论或算法实现角度和速度的估计，来取代位置传感器，能有效降低成本。关于电机位置的观测算法如扩展卡尔曼滤波、非线性估计方法等由于计算复杂不易实现。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于锁相环的电机转子位置和速度的解算方法，在表面贴式永磁同步电机观测的转子磁极磁通链α轴及β轴分量基础上，可利用该位置及速度实现永磁同步电机的无位置传感器矢量控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，读取事先观测好的电机转子磁极磁通链的α轴及β轴分量Ψ_rα(k)、Ψ_rβ(k)，即Ψ_rcos[θ(k)]和Ψ_rsin[θ(k)]，其中Ψ_r为电机转子磁极磁通链，θ(k)为电机轴第k个采样时刻的电角度；

第二步，计算第k个采样时刻电机角度估计误差 $e_{\mathrm{\θ}}\left(k\right)=\frac{{\mathrm{\Ψ}}_{r\mathrm{\β}}\left(k\right)cos\[\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)\]-{\mathrm{\Ψ}}_{r\mathrm{\α}}\left(k\right)sin\[\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)\]}{{\mathrm{\Ψ}}_r},$ 其中，为第k-1个采样时刻电机角度估计值；

第三步，计算锁相环控制器的输出，即第k个采样时刻电机转子速度估计值其中，T_k为采样周期，ω_n为自然频率，取值范围为ω_n≥1.2p_nω_max，p_n为电机极对数，ω_max为电机最高转速；

第四步：计算锁相环积分器输出，即第k个采样时刻电机转子位置估计值 $\widehat{\mathrm{\θ}}\left(k\right)=\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)+T_k\widehat{\mathrm{\ω}}\left(k\right).$

本发明的有益效果是：通过该算法计算的电机转子位置和速度估计值可代替电机转子位置和速度实际值，并可用于电机矢量控制，实现电机的无位置传感器控制，省去位置及速度传感器。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的具体步骤为：

第一步：读取事先观测好的电机转子磁极磁通链的α轴及β轴分量Ψ_rα(k)(即Ψ_rcos[θ(k)])、Ψ_rβ(k)(即Ψ_rsin[θ(k)])，其中设Ψ_r为电机转子磁极磁通链，θ(k)为电机轴第k个采样时刻的电角度；

第二步：计算 $e_{\mathrm{\θ}}\left(k\right)=\frac{{\mathrm{\Ψ}}_{r\mathrm{\β}}\left(k\right)cos\[\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)\]-{\mathrm{\Ψ}}_{r\mathrm{\α}}\left(k\right)sin\[\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)\]}{{\mathrm{\Ψ}}_r},$ 为第k-1个采样时刻电机角度估计值，e_θ(k)为第k个采样时刻电机角度估计误差；

第三步：按Ⅱ-型系统在斜坡输入下ITAE最优方法进行锁相环控制器计算

$\widehat{\mathrm{\ω}}\left(k\right)=1.7{\mathrm{\ω}}_n\·e_{\mathrm{\θ}}\left(k\right)+{\mathrm{\ω}}_n^2{T}_k\underset{i=0}{\overset{k}{\Σ}}{e}_{\mathrm{\θ}}\left(i\right)$

其中，T_k为采样周期，为锁相环控制器的输出，即第k个采样时刻电机转子速度估计值，ω_n为自然频率，取值范围为ω_n≥1.2p_nω_max，p_n为电机极对数，ω_max为电机最高转速；

第四步：计算锁相环积分器输出

$\widehat{\mathrm{\θ}}\left(k\right)=\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)+T_k\widehat{\mathrm{\ω}}\left(k\right)$

其中，为锁相环积分器输出，即第k个采样时刻电机转子位置估计值。

本实施例设Ψ_r＝0.1Wb,p_n＝2rad/s，ω_max＝2500rpm＝261.7rad/s，则有ω_n≥628.1ra，取ω_n＝628.1rad/s，T_k＝0.001s，则电机转子磁极磁通链的α轴及β轴分量的计算步骤为：

第一步：读取事先观测好的电机转子磁极磁通链的α轴及β轴分量Ψ_rα(k)(即Ψ_rcos[θ(k)])、Ψ_rβ(k)(即Ψ_rsin[θ(k)])；

第二步：计算电机角度估计误差 $e_{\mathrm{\θ}}\left(k\right)=\frac{{\mathrm{\Ψ}}_{r\mathrm{\β}}\left(k\right)cos\[\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)\]-{\mathrm{\Ψ}}_{r\mathrm{\α}}\left(k\right)sin\[\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)\]}{0.1};$

第三步：计算电机转子速度估计值

第四步：计算电机转子位置估计值

Claims (1)

1.一种基于锁相环的永磁同步电机转子位置和速度观测方法，其特征在于包括下述

步骤：

第一步，读取事先观测好的电机转子磁极磁通链的α轴及β轴分量Ψ_rα(k)、Ψ_rβ(k)，即Ψ_rcos[θ(k)]和Ψ_rsin[θ(k)]，其中Ψ_r为电机转子磁极磁通链，θ(k)为电机轴第k个采样时刻的电角度；

第二步，计算第k个采样时刻电机角度估计误差 $e_{\mathrm{\θ}}\left(k\right)=\frac{{\mathrm{\Ψ}}_{r\mathrm{\β}}\left(k\right)cos\[\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)\]-{\mathrm{\Ψ}}_{r\mathrm{\α}}\left(k\right)sin\[\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)\]}{{\mathrm{\Ψ}}_r},$ 其中，为第k-1个采样时刻电机角度估计值；

第三步，计算锁相环控制器的输出，即第k个采样时刻电机转子速度估计值其中，T_k为采样周期，ω_n为自然频率，取值范围为ω_n≥1.2p_nω_max，p_n为电机极对数，ω_max为电机最高转速；

第四步：计算锁相环积分器输出，即第k个采样时刻电机转子位置估计值 $\widehat{\mathrm{\θ}}\left(k\right)=\widehat{\mathrm{\θ}}(k-1)+T_k\widehat{\mathrm{\ω}}\left(k\right).$