CN107104620A - 一种永磁同步电机无传感器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无传感器控制系统，在永磁同步电机矢量控制中，根据Luenberger观测器原理，提出了一种基于Luenberger观测器的PMSM转子速度和位置的估算方法，有效解决了永磁同步电机由于机械传感器的安装带来的一些弊端。利用Matlab/Simulink工具搭建控制系统仿真模型并进行仿真验证，仿真结果表明控制系统具有良好的控制性能。最后，在以STM32F103ZET6为控制核心的硬件系统上进行算法的实现，实验结果表明基于Luenberger观测器的永磁同步电机控制系统具有较高的控制精度且稳定性较好。

Description

一种永磁同步电机无传感器控制系统

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种永磁同步电机无传感器控制系统。

背景技术

永磁同步电机具有高动态性能、高功率密度、轻量化等特点，随着电力电子技术和微处 理器技术的发展，永磁同步电机得到广泛的应用。目前永磁同步电机的控制方法主要包括矢 量控制和直接转矩控制，矢量控制是通过将电机的定子电流从三相静止坐标系变换到以转子 磁链定向的同步旋转坐标系，实现励磁电流和转矩电流的解耦，获得与直流电机一样的动态 调速性能；直接转矩控制通过空间矢量的分析方法，在定子坐标系下直接实现磁链计算与转 矩控制，但其有着磁链和转矩脉动问题，故选择矢量控制来实现永磁同步电机的控制。

永磁同步电机控制系统，需要得到精确的转子位置和电机转速，来实现较高的控制特性， 目前主要通过在转子上安装机械式的传感器获取其信号，传感器的安装会增加电机控制系统 的成本，稳定性降低，还使其在振动、潮湿等恶劣环境下的应用受到限制。因此利用容易获 得的电机物理量来计算电机的转子位置和转速，取代机械传感器的无传感器算法得到广泛关 注。

目前永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法主要有滑模观测器、扩展卡尔曼滤波器 等。滑模观测器虽然算法比较容易实现，对硬件要求不高，但存在抖振问题；扩展卡尔曼滤 波器对噪声有滤波作用，且有良好的抗干扰能力，但该算法实现复杂，对硬件性能要求较高。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种永磁同步电机无传感器控制系统，该 系统采用基于Luenberger观测器的永磁同步电机无传感器矢量控制算法，在Simulink中搭 建仿真模型，验证该算法的优越性，并设计硬件系统进行实现验证。

其技术方案如下：

一种永磁同步电机无传感器控制系统，包括3个PI调节器(PI1、PI2、PI3)、逆park变换、脉宽调制模块SVPWM、Clark变换、Park变换、Luenberger观测器、位置和转速估 计器。为了提高控制精度，采用速度环作为外环和电流环作为内环的双闭环控制系统。采用 容易测量的电压和电流来估计得到电机的反电动势e_α、e_β，利用转子位置和转速与反电动势 的关系，可计算得到双闭环控制系统电流内环所需要的转子位置信息θ和速度外环反馈信息ω_r，控制系统采用3个PI调节器和电压空间矢量脉宽调制模块(SVPWM)来控制电机的运行。

其中Park变换和逆Park变换所需要的转子位置信号θ和速度外环的速度反馈信号ω_r由 Luenberger观测器、位置和转速估计器计算得到，反馈的速度信号ω_r同设定的目标转速ω_ref作差，将差值送入PI1调节器进行调节，得到所需要的电流i_qref；电流内环的电流反馈信号 i_d、i_q由采集到的电流i_a、i_b(i_c通过i_a、i_b、i_c之间的相互关系计算得到)通过Clark变换和 Park变换得到，反馈电流i_d和i_q分别与参考电流i_dref和i_qref作差，将差值送入PI3和PI2调 节器进行调节，得到两相旋转坐标系下的电压V_dref和V_qref，进而通过逆Park变换得到两相 静止坐标系下的电压V_αref和V_βref，最后通过脉宽调制模块SVPWM输出六路PWM控制三相逆变器的输出进而控制PMSM电机的运行。

进一步，所述Luenberger观测器包括矩阵A、矩阵B、矩阵C、积分器∫和观测器增益矩阵K。采用PMSM容易测量的电压v_α、v_β和电流i_α、i_β作为输入，对其进行状态重构， 采用估计电流与实际电流的偏差对估计状态不断修正的方法，使估计值逼近真实值。反电动 势估计值与矩阵C运算后的结果即为电流i_α、i_β的估计值电压v_α、v_β与矩 阵B运算后的结果，加上估计值与矩阵A运算后的结果，再加上电流i_α、i_β与估计 值的差值与矩阵K运算后的结果，三项结果之和通过积分器∫后，即产生所需要的 反电动势e_α、e_β的估计值其中矩阵A、矩阵B、矩阵C通过以下的推导可得，矩 阵K可通过计算观测器的特征值的方法得到。

进一步，所述位置和转速估计器得到转子转速和位置信息的方法具体为：

从永磁同步电机反电动势的分量e_α，e_β计算得到：

由得

由此得到的转子位置信息周期是π，而实际的转子位置信息周期是2π，故需要对其进行预 先处理，在此采用反电动势分量e_β≥0，θ+π的方式进行处理，转化得到所需要的位置信号。

由

e_α ²+e_β ²＝(λ_rN_pω_rcosθ)²+(-λ_rN_pω_rsinθ)²＝(λ_rN_pω_r)²

得

进一步，所述Luenberger观测器的设计方法具体为：

在静止α-β坐标系下的电机状态方程为

其中，R_s和L_s分别为电机定子相电阻和相电感；i_α、i_β、v_α、v_β为定子两相静止坐标系定 子绕组电流和电压；λ_r为转子永磁体磁链；ω_r为转子速度；Np为电机的极对数。

设_eα＝-λ_rN_pω_rcosθ

e_β＝-λ_rN_pω_rsinθ

根据电机状态方程建立α-β坐标系下的数学模型

选取状态变量为x＝[i_αi_βe_αe_β]^T；控制变量u＝[v_αv_β]^T；输出变量y＝[e_αe_β]^T，在数字控制系 统中，由于采样时间很短，可将单个采样周期内的机械转速ω_r变化量视为零。式中矩阵A、 B、C分别为：

建立Luenberger观测器：

x′(t)＝Ax(t)+Bu(t)+Kw(t)

为了简化极点的配置，设

其中分别是i_α、i_β的估计值。

进一步优选，控制系统采用3个PI调节器(PI1、PI2、PI3)均采用积分分离型PI调节器，Luenberger观测器中的增益矩阵K一般通过计算观测器的特征值的方法得到其值的大小。 为了降低计算复杂度，选择在传感器模式下启用观测器，试凑得到K的初值，再切换到观 测器模式下进行微调。

本发明的有益效果：

本发明通过设计Luenberger观测器，估计得到永磁同步电机的转子转速和位置信息，有 效解决了传统传感器的一些弊端，且该算法简单，容易实现；仿真和实验结果表明基于 Luenberger观测器的永磁同步电机矢量控制系统具有较好的控制精度，且响应速度非常快， 系统稳定性较好。

附图说明

图1为本发明永磁同步电机无传感器控制系统的整体框图；

图2为Luenberger观测器结构图；

图3为系统仿真模型；

图4为Observer模块内部结构图；

图5为反电动势估计曲线；

图6为转子位置响应曲线；

图7为速度响应曲线；

图8为反电动势估计曲线；

图9为转速响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

1.永磁同步电机无传感器控制系统

基于Luenberger观测器的永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统的框图如图1所示， 采用容易测量的电压和电流来估计得到电机的反电动势e_α、e_β，利用转子位置和转速与反电 动势的关系，可计算得到双闭环控制系统电流内环所需要的转子位置信息θ和速度外环反馈 信息ω_r，控制系统采用3个PI调节器和电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术来控制电机 的运行。

2.1Luenberger观测器设计

永磁同步电机Luenberger观测器基本结构如图2所示，采用PMSM容易测量的电压v_α、 v_β和电流i_α、i_β作为输入，对其进行状态重构，采用估计电流与实际电流的偏差对估计状态 不断修正的方法^[7]，使估计值逼近真实值。

在静止α-β坐标系下的电机状态方程为

其中，R_s和L_s分别为电机定子相电阻和相电感；i_α、i_β、v_α、v_β为定子两相静止坐标系定 子绕组电流和电压；λ_r为转子永磁体磁链；ω_r为转子速度；N_p为电机的极对数。

设e_α＝λ_rN_pω_rcosθ

e_β＝-λ_rN_pω_rsinθ

根据电机状态方程建立α-β坐标系下的数学模型

选取状态变量为x＝[i_αi_βe_αe_β]^T；控制变量u＝[v_αv_β]^T；输出变量y＝[e_αe_β]^T，在数字控制系 统中，由于采样时间很短，可将单个采样周期内的机械转速ω_r变化量视为零，则

建立Luenberger观测器：

x′(t)＝Ax(t)+Bu(t)+Kw(t)

为了简化极点的配置，设

其中分别是i_α、i_β的估计值。

2.2转子转速和位置估计

转子转速和位置信息可从永磁同步电机反电动势的分量e_α，e_β计算得到：

由得

由此得到的转子位置信息周期是π，而实际的转子位置信息周期是2π，故需要对其进行 预先处理，在此采用反电动势分量e_β≥0，θ+π的方式进行处理，转化得到所需要的位置信号。

由

e_α ²+e_β ²＝(λ_rN_pω_rcosθ)²+(-λ_rN_pω_rsinθ)²＝(λ_rN_pω_r)²

得

3.系统仿真模型的搭建及分析

为了验证该控制系统的性能，在Matlab/Simulink平台搭建基于Luenberger观测器的无 速度传感器矢量控制系统的仿真模型，如图3所示，其中永磁同步电机采用42JSF330AS-1000 型号的伺服电机，供电电压24V，额定功率32W，额定转速3000RPM，相电阻2.1Ω，相电 感L_d＝L_q＝1.4mH，反电动势系数Ke＝4.29V/KRPM，极对数为4。

为构建数字化的滤波器，需要对Luenberger观测器进行离散化，设采样时间Ts＝1e-6， 则离散化的观测器为：

其仿真结构图如图4所示，k1和k2为观测器增益，其值的选择直接关系到观测器性能 的优劣，k1、k2可通过计算观测器的特征值的方法得到其值的大小，由于计算比较复杂，在此选择在传感器模式下启用观测器，试凑得到k1、k2的初值，再切换到观测器模式下进行微调，由此得到k1＝-9000，k2＝80000。

设电机的目标转速为2000RPM，对系统进行仿真，反电动势估计曲线如图5所示，反电动势曲线呈现非常好的正弦波形，且永磁同步电机启动过程中波动较小，为电机转子位置 和转速的准确估计奠定良好的基础；图6为转子位置响应曲线，大约0.01s后估计的转子位 置曲线与实际位置曲线几乎重合，跟踪效果较好；图7为速度响应曲线，可以看出电机启动 过程用时约0.04s，且启动过程比较平稳，转速稳定后估计转速与实际误差几乎为零，控制 效果比较理想。

4.系统实现

利用前面的理论和仿真结论，实现永磁同步电机无传感器矢量控制系统，硬件部分采用 低功耗、高性能的STM32F103ZET6为控制芯片设计控制系统，电机采用与仿真同型号的永 磁同步电机，软件部分采用C语言编程实现系统的控制，其中观测器估计电机反电动势部分 源码如下所示：

做与仿真相同的实验，目标转速设为2000RPM，通过DAC功能输出电机转速ω_r及反电 动势分量e_α、e_β，并设计简单的RC低通滤波器输出波形，图8为电机的反电动势波形图，输出波形比较好且比较稳定；图9为电机的输出转速波形图，波形1为输出的电机实际转速，通过encode编码器测量得到，波形2为输出的观测器观测的电机转速，可以看出电机进入稳态后，观测转速有小幅度的波动，实际转速比较稳定，控制系统整体效果较好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本 技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化 或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机无传感器控制系统，其特征在于：包括3个PI调节器PI1、PI2、PI3、逆park变换、脉宽调制模块SVPWM、Clark变换、Park变换、Luenberger观测器、位置和转速估计器；为了提高控制精度，采用速度环作为外环和电流环作为内环的双闭环控制系统；采用容易测量的电压和电流来估计得到电机的反电动势e_α、e_β，利用转子位置和转速与反电动势的关系，计算得到双闭环控制系统电流内环所需要的转子位置信息θ和速度外环反馈信息ω_r，控制系统采用3个PI调节器和电压空间矢量脉宽调制模块SVPWM来控制电机的运行；

其中Park变换和逆Park变换所需要的转子位置信号θ和速度外环的速度反馈信号ω_r由Luenberger观测器、位置和转速估计器计算得到，反馈的速度信号ω_r同设定的目标转速ω_ref作差，将差值送入PI1调节器进行调节，得到所需要的电流i_qref；电流内环的电流反馈信号i_d、i_q由采集到的电流i_a、i_b(i_c通过i_a、i_b、i_c之间的相互关系计算得到)通过Clark变换和Park变换得到，反馈电流i_d和i_q分别与参考电流i_dref和i_qref作差，将差值送入PI3和PI2调节器进行调节，得到两相旋转坐标系下的电压V_dref和V_qref，进而通过逆Park变换得到两相静止坐标系下的电压V_αref和V_βref，最后通过脉宽调制模块SVPWM输出六路PWM控制三相逆变器的输出进而控制PMSM电机的运行。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机无传感器控制系统，其特征在于：所述Luenberger观测器包括矩阵A、矩阵B、矩阵C、积分器∫和观测器增益矩阵K；采用PMSM容易测量的电压v_α、v_β和电流i_α、i_β作为输入，对其进行状态重构，采用估计电流与实际电流的偏差对估计状态不断修正的方法，使估计值逼近真实值；反电动势估计值与矩阵C运算后的结果即为电流i_α、i_β的估计值电压v_α、v_β与矩阵B运算后的结果，加上估计值与矩阵A运算后的结果，再加上电流i_α、i_β与估计值的差值与矩阵K运算后的结果，三项结果之和通过积分器∫后，即产生所需要的反电动势e_α、e_β的估计值其中矩阵A、矩阵B、矩阵C通过以下的推导得到，矩阵K通过计算观测器的特征值的方法得到。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机无传感器控制系统，其特征在于：所述位置和转速估计器得到转子转速和位置信息的方法具体为：

从永磁同步电机反电动势的分量e_α，e_β计算得到：

由得

由此得到的转子位置信息周期是π，而实际的转子位置信息周期是2π，故需要对其进行预先处理，在此采用反电动势分量e_β≥0，θ+π的方式进行处理，转化得到所需要的位置信号；

由

e_α ²+e_β ²＝(λ_rN_pω_rcosθ)²+(-λ_rN_pω_rsinθ)²＝(λ_rN_pω_r)²

得

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机无传感器控制系统，其特征在于：所述Luenberger观测器的设计方法具体为：

在静止α-β坐标系下的电机状态方程为

其中，R_s和L_s分别为电机定子相电阻和相电感；i_α、i_β、v_α、v_β为定子两相静止坐标系定子绕组电流和电压；λ_r为转子永磁体磁链；ω_r为转子速度；Np为电机的极对数；

设e_α＝λ_rN_pω_rcosθ

e_β＝-λ_rN_pω_rsinθ

根据电机状态方程建立α-β坐标系下的数学模型

选取状态变量为x＝[i_αi_βe_αe_β]^T；控制变量u＝[v_αv_β]^T；输出变量y＝[e_αe_β]^T，在数字控制系统中，由于采样时间很短，将单个采样周期内的机械转速ω_r变化量视为零，则

建立Luenberger观测器：

x′(t)＝f[x(t)]+Bu(t)+Kw(t)

为了简化极点的配置，设

其中分别是i_α、i_β的估计值。