CN107508521B - 一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无速度传感器控制方法和系统，其中方法的实现包括：获取永磁同步电机的三相电压和三相电流，对永磁同步电机的三相电压和三相电流进行Clark变换，得到永磁同步电机在αβ轴坐标系下的等效电压和等效电流；根据αβ轴坐标系下的等效电压和等效电流得到αβ轴坐标系下的电机反电动势；将αβ轴坐标系下的电机反电动势带入高阶广义积分器，自动消除电机反电动势中的直流分量和交流分量，得到αβ轴坐标系下的转子磁链；基于αβ轴坐标系下的转子磁链，提取转子位置和电机转速，驱动永磁同步电机运行。本发明动态稳态控制精度高，参数鲁棒性好，提高了永磁同步电机的无速度传感器控制控制精度及其运行的可靠性。

Description

一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法和系统

技术领域

本发明属于永磁同步电机技术领域，更具体地，涉及一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法和系统。

背景技术

近几年，随着稀土永磁材料和电力功率器件的发展，永磁同步电机 (PermanentMagnet Synchronous Motor，PMSM)以其高性能、高转矩惯量比和高能量密度得到了广泛的关注，特别是永磁材料价格的下降及磁性能的提高，极大地推动了永磁同步电机的发展和应用。近年来，在高精度、宽调速范围的伺服系统中，永磁同步电机系统正发挥着越来越重要的作用。高性能永磁同步电机控制系统需要精确的转子位置，而传统的检测位置信号的装置成本较高，对于工作环境要求苛刻，而采用无位置传感器控制方式，就可以去掉汽车驱动系统中的速度检测装置，系统成本得以下降，可靠性提高，使汽车能够适应更复杂的运行环境。

现有的永磁同步电机无速度传感器控制技术中，应用最为广泛的包括反电动势观测法——适用于中高速运行，高频注入法——适用于低速和零速。反电动势观测法需要设计观测器，增加了算法复杂度，而且在速度较低时由于反电动势较小而无法使用。高频注入法仅适用于极低速和零速运行，同时它还会造成噪声和转矩脉动，降低了永磁同步电机运行的性能。近年来随着现代控制理论的进一步发展，许多关于永磁同步电机无速度传感器控制方法被提出，现有相关技术仍然存在适用范围窄、观测精度不够等问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法和系统，由此解决现有技术存在适用范围窄、观测精度不够的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法，包括：

(1)获取永磁同步电机的三相电压u_a、u_b和u_c，三相电流i_a、i_b和i_c，对永磁同步电机的三相电压和三相电流进行Clark变换，得到永磁同步电机在αβ轴坐标系下的等效电压u_α和u_β，等效电流i_α和i_β；

(2)根据αβ轴坐标系下的等效电压和等效电流得到αβ轴坐标系下的电机反电动势；

(3)将αβ轴坐标系下的电机反电动势带入高阶广义积分器，自动消除电机反电动势中的直流分量和交流分量，得到αβ轴坐标系下的转子磁链；

(4)基于αβ轴坐标系下的转子磁链，提取转子位置和电机转速，基于转子位置和电机转速，得到永磁同步电机的三相输入电压，驱动永磁同步电机运行。

进一步的，步骤(2)的具体实现方式为：

根据αβ轴坐标系下的等效电压和等效电流得到αβ轴坐标系下的电机反电动势：

其中，e_α和e_β表示αβ轴坐标系下的电机反电动势，R_s为电机定子电阻。

进一步的，步骤(3)的具体实现方式为：

将αβ轴坐标系下的电机反电动势带入高阶广义积分器，自动消除电机反电动势中的直流分量和交流分量，得到αβ轴坐标系下的转子磁链：

其中，ψ_rα和ψ_rβ为αβ轴坐标系下的转子磁链，s为拉普拉斯算子，K₁、 K₂为高阶广义积分器的设计参数，ω′为高阶广义积分器输入的基波频率，L 为永磁同步电机电感。

进一步的，步骤(4)的具体实现方式为：

将αβ轴坐标系下的转子磁链相除求反正切，得到转子位置θ_e：

θ_e＝tan^-1(ψ_rβ/ψ_rα)

对转子位置求微分得到电机转速ω_e：

dθ_e/dt＝ω_e

基于转子位置和电机转速，得到永磁同步电机的三相输入电压，驱动永磁同步电机运行。

按照本发明的另一方面，提供了一种永磁同步电机的无速度传感器控制系统，包括：

Clark变换模块，用于对永磁同步电机的三相电压和三相电流进行Clark 变换，得到永磁同步电机在αβ轴坐标系下的等效电压和等效电流；

高阶广义积分器，用于根据αβ轴坐标系下的等效电压和等效电流得到αβ轴坐标系下的电机反电动势，自动消除电机反电动势中的直流分量和交流分量，得到αβ轴坐标系下的转子磁链；

转子位置和转速计算模块，用于基于αβ轴坐标系下的转子磁链，提取转子位置和电机转速；

控制模块，用于对αβ轴坐标系下的等效电流i_α和i_β进行Park变换，得到d_q轴坐标系下的等效电流i_d和i_q；将电机转速与给定转速作差后通过第一PI控制器得到q轴参考电流

设定d轴参考电流

将给定永磁同步电机的d轴参考电流

和q轴参考电流

分别与dq轴坐标系下的等效电流i_d和i_q作差后，分别通过第二PI控制器和第三PI控制器得到dq轴坐标系下的等效给定电压

和

将dq轴坐标系下的等效给定电压

和

经过park 逆变换模块后依次输出给脉冲宽度调制模块、逆变器，得到永磁同步电机的三相输入电压，驱动永磁同步电机运行。

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)本发明采用高阶广义积分器代替传统的一阶积分和低通滤波器，可以准确输出转子磁链。本发明方法消除了反电动势中的直流和极大地衰减了交流分量，同时不影响理想的转子磁链基波分量，解决了传统积分求转子磁链方法面临直流偏移和谐波的问题。

(2)本发明基于转子磁链观测，永磁同步电机转子磁链取决于永磁磁链，因此在低速和高速下都基本保持不变，因此本发明提出的方法可以适用于很宽速度范围。

(3)本发明基于转子磁链包含的转子位置信息的理论，直接计算出转子位置和转速，本发明原理简单、结果准确。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种永磁同步电机无速度传感器控制方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的转子磁链观测原理框图；

图3是本发明实施例提供的高阶广义积分器原理图；

图4是本发明实施例提供的一种永磁同步电机无速度传感器控制系统结构示意图；

图5中的(a)是本发明实施例1提供的传统一阶积分获得的转子磁链观测实验波形图；

图5中的(b)是本发明实施例1提供的高阶广义积分器获得的转子磁链观测实验波形图；

图6中的(a)是本发明实施例1提供的传统一阶积分获得的转子位置观测实验波形图；

图6中的(b)是本发明实施例1提供的高阶广义积分器获得的转子位置观测实验波形图；

图7是本发明实施例1提供的速度观测实验波形图。

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。

如图1所示，一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法，包括如下步骤：

(1)采集永磁同步电机的三相电压u_a、u_b和u_c，三相电流i_a、i_b和i_c，对永磁同步电机的三相电压和三相电流进行Clark变换，得到永磁同步电机在αβ轴坐标系下的等效电压u_α和u_β，等效电流i_α和i_β；

根据矢量控制理论，永磁同步电机的三相电流需要经过坐标变换，最终在两相静止坐标系(αβ轴坐标系)下进行计算。

Clark变换：

(2)根据αβ轴坐标系下的等效电压和等效电流得到αβ轴坐标系下的电机反电动势：

其中，e_α和e_β表示αβ轴坐标系下的电机反电动势，R_s为电机定子电阻。

(3)将电机反电动势带入高阶广义积分器，去除电流影响得到转子磁链

其中，ψ_rα和ψ_rβ为αβ轴坐标系下的转子磁链，s为拉普拉斯算子，K₁、 K₂为高阶广义积分器的设计参数，ω′为高阶广义积分器输入的基波频率，L 为永磁同步电机电感。其中的参数取值为K₁＝1.56，K₂＝3.11，Γ＝1.414，β轴的计算结构和参数与α轴相同。

基于高阶广义积分器的转子磁链观测算法具体推导过程如下：

已知永磁电机电压-磁链模型为：

其中，ψ_sα和ψ_sβ为αβ轴坐标系下的定子磁链，ψ_f为永磁磁链，θ_e为转子位置电角度。转子磁链为ψ_f cos(θ_e)＝ψ_rα，ψ_f sin(θ_e)＝ψ_rβ，其中很明显含有转子位置信息，转子可以直接通过转子磁链计算获得：

θ_e＝tan^-1(ψ_rβ/ψ_rα)

dθ_e/dt＝ω_e

其中ω_e电机转速。如图2所示，结合电压-磁链模型，显然通过对反电动势积分即可获得转子磁链

ψ_rα＝∫(u_α-R_si_α)dt-L·i_α

ψ_rβ＝∫(u_β-R_si_β)dt-L·i_β

由于非零反电动势初始值、电压电流检测误差等原因，转子磁链初值一般不为零。如果采用传统的积分器，磁链初值会使积分获得的转子磁链产生直流偏移，最终导致计算出的转子位置和转速严重畸变，甚至使系统无法运行。另外其中的高频分量也会在一定程度上影响估计精度。采用一阶低通滤波器可以在一定时间之后消除直流量，但是它会造成转子磁链的幅值衰减和相位偏移，使位置无法被估计准确。

本发明采用一种高阶广义积分器的方法如图3所示，为α轴实现过程，β轴与之相同，可以在对输入进行积分的同时自动消除直流和高频分量，其传递函数为

具体分析过程为：存在直流和谐波分量的反电动势写为

其中，A_oα、A_oβ为反电动势中的直流分量，

为反电动势中的基波分量，A_1α、A_1β为基波分量幅值，

为高频分量的集合，A_hα、A_hβ为高频分量幅值，h＝2，3，... 为高频谐波的阶次，ω₁、ω_h为相应的基波和高频谐波的频率，

为反电动势基波和高次谐波的初始相位角。对上式进行拉普拉斯变换：

其中，E_α(s)、E_β(s)为e_α、e_β的复频域表示形式。将上式中的直流、基波和高次谐波分开分析，首先为直流量。结合已给出的高阶广义积分器公式，反电动势中的直流量通过高阶广义积分器之后：

其中，ψ_{rα_0}、ψ_{rβ_0}为反电动势中的直流量输入高阶广义积分器的那部分输出。通过参数调节可以使上式的极点位于复频域左半部分，即上式输出结果收敛。同时根据拉普拉斯变换的终值定理：

很明显，高阶广义积分器可以有效消除观测出的转子磁链的直流分量。继续分析基波分量：将拉普拉斯算子s＝jω′带入高阶广义积分器的传递函数：

考虑到锁频环可以自动实现频率锁定ω₁＝ω′，将反电动势中的基波分量与上式相乘，即得高阶广义积分器的对应基波部分的输出：

即高阶广义积分器对于理想反电动势可以在稳态下积分输出理想的转子磁链。高频下s＝jhω′，同样带入高阶广义积分器的传递函数：

其中

将反电动势中的高频分量与上式相乘，即得高阶广义积分器的对应高频分量部分的输出：

其中

因此含有直流和高次谐波的反电动势输入高阶广义积分器输出的转子磁链为：

同时由于高次谐波中的阶次一般很高，所以进行进一步化简：

而高次谐波幅值与之成反比例，这表明高阶广义积分器对高次谐波也有很强的抑制和衰减能力。

将高阶广义积分器输出结合电流部分即可获得最终观测出的转子磁链

(4)将观测到的αβ轴坐标系下的转子磁链相除求反正切，即得转子位置：

对估计出的转子位置求导可估计出电机转速：

这样反电动势中的直流和交流分量被高阶广义积分器消除或衰减，解决了传统积分求转子磁链方法面临直流偏移和谐波的问题。最后观测出准确的转子磁链，求出转子位置和转速。

按照本发明的另一个方面，提供了一种永磁同步电机无速度传感器控制系统，如图4所示，包括：坐标变换模块、第一PI控制器、第二PI控制器、第三PI控制器、高阶广义积分器、转子位置和转速计算模块、驱动模块、速度比较器、d轴电流比较器和q轴电流比较器，坐标变换模块包括 Clark变换模块和Park变换模块，驱动模块包括Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块和逆变器；

其中，高阶广义积分器的输入端连接Clark变换模块的输出端，高阶广义积分器输出端连接转子位置和转速计算模块的输入端；转子位置和转速计算模块转子位置的输出端连接Park变换模块和Park逆变换模块的转子位置输入端，转子位置和转速计算模块的速度输出端连接速度比较器输入端；

Park变换模块的q轴电流输出端连接q轴电流比较器的输入端，Park 变换模块的d轴电流输出端连接d轴电流比较器的输入端；

速度比较器输出端接第一PI控制器，第一PI控制器输出端接q轴电流比较器输入端；第二PI控制器输入端连接q轴电流比较器输出端，第二PI 控制器输出端连接Park变换模块的q轴电流输入端；第三PI控制器输入端连接d轴电流比较器输出端，第三PI控制器输出端连接Park变换模块的d 轴电流输入端；

Clark变换模块的输入端连接永磁同步电机的相电流采样输出端，Clark 变换模块的输出端连接Park变换模块的输入端；

Park逆变换模块的输出端连接脉冲宽度调制模块的输入端，脉冲宽度调制模块的输出端连接逆变器的输入端，逆变器的输出端连接永磁同步电机的控制端。

系统的工作过程为：

采集永磁同步电机的三相电压u_a、u_b和u_c，三相电流i_a、i_b和i_c，对永磁同步电机的三相电压和三相电流进行Clark变换，得到永磁同步电机在αβ轴坐标系下的等效电压u_α和u_β，等效电流i_α和i_β；

根据αβ轴坐标系下的等效电压和等效电流得到αβ轴坐标系下的电机反电动势e_α和e_β；

将电机反电动势带入高阶广义积分器，去除电流影响观测得到转子磁链

和

转子位置和转速计算模块利用观测到的αβ轴坐标系下的转子磁链计算得到转子位置和电机转速；

对αβ轴坐标系下的等效电流i_α和i_β进行Park变换，得到dq轴坐标系下的等效电流i_d和i_q，

将电机转速与给定转速作差通过第一PI控制器得到q轴参考电流

设定d轴参考电流

将给定永磁同步电机的d轴参考电流

和q轴参考电流

分别与dq轴坐标系下的等效电流i_d和i_q作差后，分别通过第二PI控制器和第三PI控制器得到dq轴坐标系下的等效给定电压

和

将dq轴坐标系下的等效给定电压

和

经过park逆变换模块后依次输出给脉冲宽度调制模块、逆变器，得到永磁同步电机的三相输入电压，驱动永磁同步电机运行。

实施例1

本发明实施例1基于一个3kW的永磁同步电机驱动平台，将上述永磁同步电机的无速度传感器控制方法与基于传统无差拍预测电流控制方法进行比较。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。

采用的永磁同步电机的参数如下：极对数n_p＝3，额定功率P＝3kW，额定电流I_N＝6.8A，定子电阻R_s＝0.8Ω，交直轴电感相等：L＝L_q＝L_d＝0.005H，阻尼系数B＝7.403×10^{- 5}N·m·s/rad，转矩惯量J＝3.78×10^-4kg·m²，转子磁链ψ_f＝0.35wb。图5为1000rpm转速下实验观测到的转子磁链：图5中的(a)中灰色断续线为传统一阶积分获得的转子磁链圆，图5中的(b)中灰色断续线为高阶广义积分器获得的转子磁链圆，黑色实线为实际理想磁链圆；图6为 1000rpm转速下根据观测到的转子磁链计算出的转子位置：图6中的(a)中灰色断续线为传统一阶积分获得的转子位置，图6中的(b)中灰色断续线为高阶广义积分器获得的转子位置，黑色实线为实际转子位置；图7为永磁同步电机在400rpm与2000rpm调速工况下速度估计波形图，其中灰色断续线为实际转速，黑色实线为提出方法估计出的转速。

从实验结果可以看出，电机稳态运行时时，传统一阶积分获得的转子磁链与实际的转子磁链相差甚远，而提出的高阶广义积分方法可以准确的跟随实际的转子磁链；同时采用本发明提出的高阶广义积分方法可以观测出准确的转子位置，克服了传统的一阶积分方法直流偏移导致转子位置振荡、与实际位置相差甚远的问题。由于一阶积分完全无法跟随位置，所以其无法输出转速，而图7中本发明提出的高阶广义积分器输出的转速可以准确的与实际转速重合，显示了其优越性。

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 (2)

1.一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法，其特征在于，包括：

(1)获取永磁同步电机的三相电压u_a、u_b和u_c，三相电流i_a、i_b和i_c，对永磁同步电机的三相电压和三相电流进行Clark变换，得到永磁同步电机在αβ轴坐标系下的等效电压u_α和u_β，等效电流i_α和i_β；

(2)根据αβ轴坐标系下的等效电压和等效电流得到αβ轴坐标系下的电机反电动势；

(3)将αβ轴坐标系下的电机反电动势带入高阶广义积分器，自动消除电机反电动势中的直流分量和交流分量，得到αβ轴坐标系下的转子磁链；

(4)基于αβ轴坐标系下的转子磁链，提取转子位置和电机转速，基于转子位置和电机转速，得到永磁同步电机的三相输入电压，驱动永磁同步电机运行；

所述步骤(2)的具体实现方式为：

根据αβ轴坐标系下的等效电压和等效电流得到αβ轴坐标系下的电机反电动势：

其中，e_α和e_β表示αβ轴坐标系下的电机反电动势，R_s为电机定子电阻；

所述步骤(3)的具体实现方式为：

将αβ轴坐标系下的电机反电动势带入高阶广义积分器，自动消除电机反电动势中的直流分量和交流分量，得到αβ轴坐标系下的转子磁链：

其中，ψ_rα和ψ_rβ为αβ轴坐标系下的转子磁链，s为拉普拉斯算子，K₁、K₂为高阶广义积分器的设计参数，ω′为高阶广义积分器输入的基波频率，L为永磁同步电机电感；

所述步骤(4)的具体实现方式为：

将αβ轴坐标系下的转子磁链相除求反正切，得到转子位置θ_e：

θ_e＝tan^-1(ψ_rβ/ψ_rα)

对转子位置求微分得到电机转速ω_e：

dθ_e/dt＝ω_e

基于转子位置和电机转速，得到永磁同步电机的三相输入电压，驱动永磁同步电机运行。

2.一种永磁同步电机的无速度传感器控制系统，其特征在于，包括：

Clark变换模块，用于对永磁同步电机的三相电压和三相电流进行Clark变换，得到永磁同步电机在αβ轴坐标系下的等效电压和等效电流；

高阶广义积分器，用于根据αβ轴坐标系下的等效电压和等效电流得到αβ轴坐标系下的电机反电动势，自动消除电机反电动势中的直流分量和交流分量，得到αβ轴坐标系下的转子磁链；

其中，ψ_rα和ψ_rβ为αβ轴坐标系下的转子磁链，s为拉普拉斯算子，K₁、K₂为高阶广义积分器的设计参数，ω′为高阶广义积分器输入的基波频率，L为永磁同步电机电感；

转子位置和转速计算模块，用于将αβ轴坐标系下的转子磁链相除求反正切，得到转子位置θ_e：

θ_e＝tan^-1(ψ_rβ/ψ_rα)

对转子位置求微分得到电机转速ω_e：

dθ_e/dt＝ω_e；

控制模块，用于对αβ轴坐标系下的等效电流i_α和i_β进行Park变换，得到dq轴坐标系下的等效电流i_d和i_q；将电机转速与给定转速作差后通过第一PI控制器得到q轴参考电流

设定d轴参考电流

将给定永磁同步电机的d轴参考电流

和q轴参考电流

分别与dq轴坐标系下的等效电流i_d和i_q作差后，分别通过第二PI控制器和第三PI控制器得到dq轴坐标系下的等效给定电压

和

将dq轴坐标系下的等效给定电压

和

经过park逆变换模块后依次输出给脉冲宽度调制模块、逆变器，得到永磁同步电机的三相输入电压，驱动永磁同步电机运行。

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