CN107093970A - 一种无位置传感器的永磁同步电机控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无位置传感器的永磁同步电机控制方法及装置。该方法根据永磁同步电机在静止αβ坐标系下电压方程、实际定子电流和电压指令值获得估算定子电流；电压方程中反电势用积分项和次幂项表示，积分项为定子电流误差符号函数的积分，次幂项为定子电流误差的偶次幂和定子电流误差符号函数的积；根据估算定子电流以及实际定子电流获得两个轴估算反电势；将两个轴估算反电势比值的正切角作为估算转子角度和估算转子速度，根据估算角度、估算转子速度和速度指令进行矢量控制处理输出第r+1次电压指令值。本发明的方法提高估算精度的同时，不需要额外的低通滤波器和相位补偿模块，观测结果的抖动大大减少，算法实现简单。

Description

一种无位置传感器的永磁同步电机控制方法及装置

技术领域

本发明属于永磁同步电机技术领域，更具体地，涉及一种无位置传感器的永磁同步电机控制方法及装置。

背景技术

近年来，永磁同步电机已经被广泛应用于交流调速传动领域。这是因为，与传统异步电机相比，永磁同步电机有着效率高、结构简单、体积小、重量轻、调速性能好、功率密度高等优点。

在高性能永磁同步电机驱动系统中，通常需要转子位置信息。转子位置信息一般通过光电编码器、旋转变压器或者霍尔器件等位置传感器获得。然而，位置传感器的使用会使得系统的可靠性下降，成本上升，体积增大，并限制了永磁同步电机的应用场合。因此，成本低、可靠性高的无位置控制成为了永磁同步电机调速领域中的研究热点。无位置传感器控制技术主要分为基于电机数学模型的方法和基于电机凸极性的方法。前者适用于中高速范围运行，后者适用于低速范围运行。基于电机数学模型的方法主要有模型参考自适应法、卡尔曼滤波器法、滑模观测器法等，基于电机凸极性的方法主要有高频注入法等。

然而，高频注入法只适用于凸极电机的低速范围运行，且需要注入高频信号，不仅实现困难，而且会增加电机的损耗，并恶化其控制性能。模型参考自适应法虽然实现简单，但是其对电机参数的精度要求比较高，在温度升高或者电机饱和时，无法保持较高的精度。卡尔曼滤波器法有较好的抗噪声能力，但是实现起来比较复杂，需要较多的计算资源和性能强大的芯片。而滑模观测器具有实现简单、鲁棒性强的特点。但传统的滑模观测器具有抖震的缺点。因此，消除抖震现象，并提出性能更好的无位置传感器控制方法具有很强的现实意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明提供了一种无位置传感器控制方法，其目的在于解决现有滑模观测器存在符号函数使得获得估算电流抖动大无法直接用于估算转子角度的技术问题。

作为本发明的一方面，本发明包括一种无位置传感器的永磁同步电机控制方法，包括：

S1对永磁同步电机在静止αβ坐标系下电压方程进行求解后获得永磁同步电机的第r次估算定子电流值；

所述静止αβ坐标系下电压方程包括定子电压项、定子电阻电压项、定子电感电压项和反电势项；反电势项用积分项和次幂项表示，积分项为符号函数的积分，次幂项为第r次定子电流误差偶次幂和符号函数的积，符号函数以第r次定子电流误差作为自变量；

S2根据第r次估算定子电流值、实测定子电流值以及静止αβ坐标系下电压方程获得α轴第r次估算反电势和β轴第r次估算反电势；

S3将α轴第r次估算反电势和β轴第r次估算反电势比值的正切角作为第r次估算转子角度，并根据第r次估算转子角度获得第r次估算转子转速；

S4对第r次估算转子角度、第r次估算转子转速以及转速指令值进行矢量控制处理输出第r+1次用于控制无位置传感器的永磁同步电机的电压指令；并令r＝r+1，进入步骤S1；

其中，r≥1，r为估算次序。

优选地，步骤S1中静止αβ坐标系下电压方程为：

其中，为α轴第r次定子电流估算值，为β轴第r次定子电流估算值，R为定子相绕组的电阻，L为定子相绕组的电感，u_α ^r为α轴第r次电压指令值，u_β ^r分别为β轴第r次电压指令值，k₁为第一滑模系数，k₂为第二滑模系数，为α轴第r次定子电流误差，为β轴第r次定子电流误差，E为边界层系数。

优选地，步骤S2中根据公式获得α轴第r次估算反电势，根据公式获得β轴第r次估算反电势。

优选地，根据公式获得第r次转子估算角度，根据公式获得第r次转子估算转速。

优选地，根据公式k₁＝σ₁ω^*获得第一滑模系数，根据公式k₂＝σ₂(ω^*)²获得第二滑模系数；

其中，σ₁为第一整定系数，σ₂为第二整定系数，ω^*为转速指令值。

优选地，边界层系数根据定子电流误差确定，且边界层系数不大于永磁同步电机的额定定子电流。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种永磁同步电机控制方法的控制装置，包括：

估算电流获取模块，用于对永磁同步电机在静止αβ坐标系下电压方程进行求解后获得转子估算电流；

估算反电势获取模块，其输入端与估算电流获取模块的输出端连接，用于根据转子估算电流、实测定子电流以及在静止αβ坐标系下电压方程获得估算反电势；

估算转速获取模块，其输入端与估算反电势获取模块的输出端连接，用于根据估算反电势获得估算转子角度，根据估算转子角度获得估算转子转速；

矢量控制模块，其输入端与估算转速获取模块输出端连接，其输出端与估算电流获取模块输入端连接，用于根据估算转子转速、估算转子角度和转速指令值进行矢量控制输出电压指令值，电压指令值用于控制永磁同步电机定子绕组电压。

优选地，估算反电势获取模块根据公式获得α轴估算反电势；

根据公式获得β轴估算反电势；

其中，k₁为第一滑模系数，k₂为第二滑模系数，为α轴第r次定子电流误差，为β轴第r次定子电流误差， E为边界层系数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的永磁同步电机控制方法中，电压方程中包括积分项和次幂项，其中，次幂项为定子电流误差的次幂和定子电流误差的符号函数的积，用于确定估算定子电流的准确度，积分项用于减少由于符号函数使次幂项在正负之间切换，而使得所估算定子电流抖动减少，可直接用于获得估算角度，无需对估算定子电流进行滤波处理和相位处理。

2、让第一整定系数远小于第二整定系数，减少次幂项对估算定子电流的影响，进而使得估算定子电流抖动减少。

3、通过定子电流误差调整第一整定系数和第二整定系数，提高了估算转子位置角度和速度的精度，而且本方法能够根据转速指令在线调节第一整定系数和第二整定系数，在较宽的速度范围内均可以得到较少的位置误差，扩展了无位置传感器永磁同步电机的运行范围。

4、在不需要对电机注入电流，不增加电机损耗情况下即可估算出电机转子的位置角度和速度；不需要额外的位置传感器，不需要对硬件进行改变，提高对硬件的适应性；应用成本低。

5、本发明提供的永磁同步电机控制装置中，角度检测模块根据电压指令值、定子电流和永磁同步电机在静止坐标系下电压方程，采用双轴反电势比值法获得估算角度，由于电压方程中包括积分项和次幂项，其中，次幂项为定子电流误差的次幂和定子电流误差的符号函数的积，用于确定估算定子电流的准确度，积分项用于减少由于符号函数使次幂项在正负之间切换，而使得所估算定子电流抖动减少，可直接用于获得估算角度，无需对估算定子电流利用低通滤波器和相位补偿模块进行滤波和相位补偿，简化永磁同步电机控制装置结构。

附图说明

图1是本发明提出的无位置传感器的永磁同步电机控制方法的流程图；

图2是本发明提出的无位置传感器的永磁同步电机控制方法实施例的实验结果

图3是现有技术中的基于传统滑模观测器的无位置传感器控制方法实施例的实验结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的无位置传感器的永磁同步电机控制方法，包括如下步骤：

S1对永磁同步电机在静止αβ坐标系下电压方程进行求解后获得永磁同步电机的第r次估算定子电流值；

在静止αβ坐标系下电压方程包括α轴电压方程和β电压方程，α轴电压方程包括定子电压项、定子电阻电压项、定子电感电压项和反电势项；反电势项用积分项和次幂项表示，积分项为符号函数的积分，次幂项为第r次定子电流误差偶次幂和符号函数的积，符号函数以第r次定子电流误差作为自变量；

S2根据第r次估算定子电流值、实测定子电流值以及静止αβ坐标系下电压方程获得α轴第r次估算反电势和β轴第r次估算反电势；

S3将α轴第r次估算反电势和β轴第r次估算反电势比值的正切角作为第r次估算转子角度，并根据第r次估算转子角度获得第r次估算转子转速；

S4对第r次估算转子角度、第r次估算转子转速以及转速指令值进行矢量控制处理输出第r+1次用于控制无位置传感器的永磁同步电机的电压指令；并令r＝r+1，进入步骤S1；

其中，r≥1，r为估算次序。

根据转速指令值、转子角度初始值和转子初始速度进行矢量控制处理输出第一次电压指令，转子角度初始值和转子初始速度均为零。

本发明提供的无位置传感器的永磁同步电机控制方法，通过永磁同步电机电压方程、电压指令值和实际定子电流获得估算定子电流，由于电压方程中包含积分项和次幂项，次幂项为定子电流误差的次幂和定子电流误差的符号函数的积，用于确定估算定子电流的准确度，积分项用于减少由于符号函数使次幂项在正负之间切换，而使得所估算定子电流抖动减少，可直接用于获得估算角度，无需对估算定子电流进行滤波处理。

图1是本发明提出的无位置传感器的永磁同步电机控制方法实施例的流程图。该永磁同步电机控制方法实施例包括如下步骤：

S1通过电流传感器检测出三相定子电流i_a，i_b，i_c。再通过矩阵A将三相电流转换为静止αβ坐标系下的αβ轴电流分量i_α，i_β。其中，矩阵A的表达式为：

根据如下公式

k₁＝σ₁ω^*

k₂＝σ₂(ω^*)²

获得该转速指令下的第一滑膜系数k₁和第一滑膜系数k₂。

其中，ω^*为转速指令值，σ₁为第一整定系数，σ₂为第二整定系数，将电机运行在某一中等转速ω₀，并令ω^*＝ω₀，然后调节整定系数σ₁值和σ₂值，直到定子电流误差在可以接受的范围内，此时的整定系数即为所需的整定系数。

根据如下公式

获得静止αβ坐标下α轴第r次估算定子电流和静止αβ坐标下β轴第r次估算定子电流

其中，R为定子相绕组电阻，L为定子相绕组电感，u_α ^r为静止αβ坐标系下的α轴第r次电压指令值，u_β ^r为静止αβ坐标系下的β轴第r次电压指令值；k₁是第一滑模系数，k₂是第二滑膜系数。为静止αβ坐标系下的α轴第r次定子电流误差，表达式为i_α ^r为静止αβ坐标系下的α轴第r次定子电流实测值。为静止αβ坐标系下的β轴第r次定子电流误差，表达式i_β ^r为静止αβ坐标系下的β轴第r次定子电流实测值。

E为边界层系数，E的值根据定子电流误差确定，且E＞0，边界层系数不大于永磁同步电机的额定定子电流。即调节E的大小可以调整估算的位置角度和速度的抖动，E越大，估算的位置角度和速度抖动越小，动态响应越慢，反之亦然。

S2根据α轴第r次转子估算电流β轴第r次转子估算电流α轴第r次转子实测电流和β轴第r次转子实测电流获得α轴第r次定子电流误差和β轴第r次定子电流误差，并将α轴第r次定子电流误差和β轴第r次定子电流误差代入如下公式：

得到α轴第r次估算反电势和β轴第r次估算反电势

S3根据如下公式

获得永磁同步电机转子的第r次转子估算角度和第r次转子估算转速

S4对第r次转子估算角度、第r次转子估算转速以及转速指令值进行矢量控制处理输出第r+1次电压指令值，并令r＝r+1，进入步骤S1。

本发明提供永磁同步电机控制方法的控制装置，包括估算电流获取模块、估算反电势获取模块、估算转速获取模块和矢量控制模块，估算反电势获取模块输入端与估算电流获取模块的输出端连接，估算转速获取模块输入端与估算反电势获取模块的输出端连接，矢量控制模块输入端与估算转速获取模块输出端连接。

估算电流获取模块求解永磁同步电机在静止αβ坐标系下电压方程获得转子估算电流；估算反电势获取模块用于根据转子估算电流、实测定子电流以及电压方程获得估算反电势；估算反电势获取模块根据电压方程获得反电势表达式，反电势表达式为定子电流误差的函数，定子电流误差为转子估算电流和转子实测电流之差。估算转速获取模块根据估算反电势获得估算转子角度，根据估算转子角度获得估算转子转速。

矢量控制模块用于根据估算转速、估算角度和转速指令值进行矢量控制输出电压指令值，电压指令值用于控制永磁同步电机定子绕组电压。

本发明提供的永磁同步电机控制装置中，估算电流获取模块根据电压指令值、定子电流和永磁同步电机在静止坐标系下电压方程，采用双轴反电势比值法获得估算角度，由于电压方程中包括积分项和次幂项，次幂项为定子电流误差的次幂和定子电流误差的符号函数的积，用于确定估算定子电流的准确度，积分项用于减少由于符号函数使次幂项在正负之间切换，而使得所估算定子电流抖动减少，可直接用于获得估算角度，无需对估算定子电流利用低通滤波器和相位补偿模块进行滤波和相位补偿，简化永磁同步电机控制装置结构。

本实施例以一个1kW的表贴式永磁同步电机进行无位置传感器控制方法试验，永磁同步电机及其控制器的主要参数如下表所示。电机的转速指令值从200转/分上升到1000转/分，负载为4.8Nm。

为了展示本发明所提出的方法的益处，图2是基于本发明提出的无位置传感器控制方法的实验结果。图3是现有技术中的基于传统滑模观测器的无位置传感器控制方法实施例的实验结果。通过将图2和图3对比可以看出，从低速段到高速段，本发明提出的方法可以使位置误差一直保持在较小的范围。由此可见，本发明提供的控制方法可以在较宽的速度范围内保持较小的转子位置角度和速度观测误差。与基于位置传感器的控制方法相比，本发明不需要额外的位置传感器，对系统要求低，适应性强，是一种低成本的无位置传感器控制方法。此外，与传统的基于滑模观测器的无位置控制方法相比，抖动大大减少，结构得到简化，是一种更易于推广的无位置传感器控制技术。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无位置传感器的永磁同步电机控制方法，包括如下步骤：

S1对永磁同步电机在静止αβ坐标系下电压方程进行求解后获得永磁同步电机的第r次估算定子电流值；

所述静止αβ坐标系下电压方程包括定子电压项、定子电阻电压项、定子电感电压项和反电势项；所述反电势项用积分项和次幂项表示，所述积分项为符号函数的积分，所述次幂项为第r次定子电流误差偶次幂和符号函数的积，所述符号函数以第r次定子电流误差作为自变量；

S2根据所述第r次估算定子电流值、实测定子电流值以及所述静止αβ坐标系下电压方程获得α轴第r次估算反电势和β轴第r次估算反电势；

S3将所述α轴第r次估算反电势和所述β轴第r次估算反电势比值的正切角作为第r次估算转子角度，并根据所述第r次估算转子角度获得第r次估算转子转速；

S4对所述第r次估算转子角度、所述第r次估算转子转速以及转速指令值进行矢量控制处理输出第r+1次用于所述控制无位置传感器的永磁同步电机的电压指令；并令r＝r+1，进入步骤S1；

其中，r≥1，r为估算次序。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述步骤S1中所述静止αβ坐标系下电压方程为：

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其中，为α轴第r次定子电流估算值，为β轴第r次定子电流估算值，R为定子相绕组的电阻，L为定子相绕组的电感，u_α ^r为α轴第r次电压指令值，u_β ^r分别为β轴第r次电压指令值，k₁为第一滑模系数，k₂为第二滑模系数，为α轴第r次定子电流误差，为β轴第r次定子电流误差，E为边界层系数。

3.如权利要求2所述的永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述步骤S2中根据公式获得所述α轴第r次估算反电势，根据公式获得所述β轴第r次估算反电势。

4.如权利要求3所述的永磁同步电机控制方法，其特征在于，根据公式获得所述第r次转子估算角度，根据公式获得所述第r次转子估算转速。

5.如权利要求2至4任一项所述的永磁同步电机控制方法，其特征在于，根据公式k₁＝σ₁ω^*获得所述第一滑模系数，根据公式k₂＝σ₂(ω^*)²获得所述第二滑模系数；

其中，σ₁为第一整定系数，σ₂为第二整定系数，ω^*为转速指令值。

6.如权利要求2至4任一项所述的永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述边界层系数根据定子电流误差确定，且所述边界层系数不大于永磁同步电机的额定定子电流。

7.一种基于权利要求1所述的永磁同步电机控制方法的控制装置，其特征在于，包括：

估算电流获取模块，用于对永磁同步电机在静止αβ坐标系下电压方程进行求解后获得转子估算电流；

估算反电势获取模块，其输入端与所述估算电流获取模块的输出端连接，用于根据所述转子估算电流、实测定子电流以及所述在静止αβ坐标系下电压方程获得估算反电势；

估算转速获取模块，其输入端与所述估算反电势获取模块的输出端连接，用于根据所述估算反电势获得估算转子角度，根据所述估算转子角度获得估算转子转速；

矢量控制模块，其输入端与所述估算转速获取模块输出端连接，其输出端与所述估算电流获取模块输入端连接，用于根据所述估算转子转速、所述估算转子角度和所述转速指令值进行矢量控制输出电压指令值，所述电压指令值用于控制永磁同步电机定子绕组电压。

8.如权利要求7所述的永磁同步电机的控制装置，其特征在于，所述估算反电势获取模块根据公式获得α轴估算反电势；

根据公式获得β轴估算反电势；

其中，k₁为第一滑模系数，k₂为第二滑模系数，为α轴第r次定子电流误差，为β轴第r次定子电流误差， E为边界层系数。