CN108011556A - 用于永磁同步电机的无传感器控制系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于永磁同步电机的无传感器控制系统。该无传感器控制系统包括：反电动势估计单元，其被配置为使用被施加到逆变器的相电压参考和从逆变器被施加到永磁同步电机的相电流来估计反电动势；以及速度估计单元，其被配置为估计永磁同步电机的转子的角速度和电角度，并且根据本公开内容的一个实施例的反电动势估计单元可以通过修改传统龙伯格观测器的特定部分来维持在低速度的鲁棒性能。
Description
技术领域
本公开内容涉及用于永磁同步电机的无传感器控制系统。
背景技术
永磁同步电机(PMSM)具有每单位体积的高效率、高扭矩和输出以及快速动态特性，使得其已经被主要使用在高性能伺服应用领域中。
在这种永磁同步电机中，转子磁通量从被附接到转子的永磁体生成，使得从永磁体生成的磁通量的绝对位置(即，转子的绝对位置)应当被精确地确定以便即时地精确地控制从永磁同步电机生成的扭矩。因此，在相关技术中，检测转子的绝对位置并在之后将其使用在根据永磁同步电机的控制的磁场定向控制中。然而，转子速度和位置检测器(例如编码器或解析器)造成的问题在于增加系统的成本和体积并降低其可靠性。
为了解决相关技术的上述问题，获得转子的位置信息而不使用速度和位置检测器的控制方法即无传感器控制被使用。
在下文中，将描述使用诸如传统编码器的转子速度和位置检测器的矢量控制，并且之后将描述无传感器控制方法。
图1是用于驱动电机的2级三相电源逆变器的示意性电路图，并且直流(DC)链路101的电压Vdc被施加到三相功率开关102，并且之后由三相功率开关102转换成交流电流(AC)的电压被施加到负载103。
n指示DC链路101中的虚构中性点的位置，并且Sa、Sb和Sc分别指示三相功率开关102中的功率开关的开关功能。即，Sa＝1是指a相顶部开关导通，并且Sa＝0是指a相底部开关导通。换言之，Sa和具有互补关系。
图2是用于描述被施加到三角波比较电压调制以控制逆变器的三相功率开关102的极电压的示意图。
偏移电压参考计算单元202使用三相相电压参考201来计算偏移电压参考，并且三相极电压参考204通过经由相加单元203将相电压参考201与偏移电压参考计算单元202的输出相加来获得并且满足以下方程。
[方程1]
偏移电压是通常存在于三相极电压中的分量并且是指零序电压，使得其不影响线间电压的合成。偏移电压参考计算单元202可以通过各种方法来计算偏移电压，并且以下两种方法是典型地已知的。
在正弦脉宽调制(SPWM)中，偏移电压如下。
[方程2]
在空间矢量PWM(SVPWM)中，偏移电压如下。
[方程3]
这里，vmax是指三相相电压参考之中的最大电压，并且vmin是指其中的最小电压。
图3是用于描述三角波比较电压调制的示例性示意图。
比较单元303将如图2中确定的三相极电压参考240与三角载波进行比较。此时，三角载波的周期与开关频率的周期相同，并且三角载波的最大值和最小值分别为Vds/2和-Vds/2。
比较单元303当三相极电压参考240与三角载波之间的差是正值时输出1的开关功能，并且当三相极电压参考240与三角载波之间的差是负值时输出0的开关功能。当三角载波被定义为vtri时，开关功能中的每个被布置如下。
[方程4]
[方程5]
[方程6]
底部开关的开关功能与顶部开关的开关功能互补地操作，使得顶部开关的开关功能当底部开关的开关功能通过非电路304时被输出。
图4是用于描述用于永磁同步电机的传统控制系统的配置示意图。
为了跟踪永磁同步电机的速度参考速度控制单元410从诸如解析器或编码器的位置传感器460接收速度ωrm，并且在控制操作中使用接收到的速度ωrm。电流控制单元420接收永磁同步电机的dq轴电流并在控制操作中使用接收到的dq轴电流以便在同步参考系中跟踪从速度控制单元410接收到的dq轴电流参考电流控制单元420的输出是同步参考系中的dq轴电压参考此时，电流参考可以被表示为并且所测量的电流可以被表示为
第一参考系变换单元430将同步参考系中的dq轴物理量变换成abc相物理量，并且使用以下方程以便将变换成此时，并且
[方程7]
这里，θe是通过位置传感器460测量的电角度。
同时，第二参考系变换单元435使用以下方程来将输入iabcs变换成此时，并且
[方程8]
这里，如在方程7中，θe是通过位置传感器460测量的电角度。PWM控制单元440将abc相电压参考变换成极电压参考并且之后将极电压参考提供到逆变器450。PWM控制单元440的操作与如参考图2描述的那个相同。这里，
逆变器450将从PWM控制单元440接收到的极电压参考合成为极电压。逆变器450的配置与参考图1和图3描述的那个相同。极电压参考通过图3的三角波比较电压调制以开关功能的形式被施加到图4的逆变器450。
极电压参考通过逆变器450被合成为实际极电压vabcn。此时，
然而，根据相关技术的这种控制系统具有的问题在于系统在价格上高并且由于位置传感器460在体积上增大，并且系统的可靠性由于位置传感器460的不正确的操作而被降低。
因此，为了解决上述问题，公开了图5中示出的无传感器控制系统。图5是用于描述用于永磁同步电机的传统无传感器控制系统的配置示意图，速度估计单元510和反电动势估计单元520的配置与图4中的那些不同，并且其他配置与其中的那些相同。
速度估计单元510基于从反电动势估计单元520估计的反电动势来估计角速度和电角度，并且反电动势估计单元520使用abc相电压参考和abc相电流iabcs来估计反电动势。
在相关技术的无传感器控制系统中，反电动势全阶观测器被配置为估计反电动势。为了简化观测器的配置和增益，利用如方程9的电感和电流的积配置的磁通量分量而非电流被用作状态变量。
[方程9]
估计的同步参考系中的电压方程如下。
[方程10]
在方程9和方程10中，Rs指示三相永磁同步电机470的相电阻，Lds指示同步参考系中的d轴电感，Lqs指示同步参考系中的q轴电感，指示三相永磁同步电机470的估计的角速度，并且λPM指示三相永磁同步电机470的反电动势常数。p指示差分算子，并且Δθ指示实际角度与估计的角度之间的角度差。
使用方程10，状态方程被布置如下。
[方程11]
在方程11中，其指示C＝[I 0]，并且
使用方程11，全阶龙伯格(Luenberger)观测器被配置如下。
[方程12]
此时，L矩阵是指全阶龙伯格观测器的增益。以全阶龙伯格观测器的形式的反电动势估计单元中的观测器增益L可以被表示如下。
[方程13]
图6是以传统龙伯格观测器的形式的反电动势估计单元的详细配置示意图。
第一相加单元601计算并输出第一增益应用单元602将增益L之中的可由用户调节的增益应用到第一相加单元601的输出并输出结果。第二增益应用单元603将增益L之中的应用到第一相加单元601的输出并输出结果。此外，第一增益应用单元606将增益L之中的可由用户调节的增益应用到第一相加单元601的输出并输出结果。第一积分单元607对第三增益应用单元606的输出求积分以输出估计的反电动势
第二相加单元604计算第一增益应用单元602与第二增益应用单元603的输出之间的差，并且第三相加单元605将第二相加单元604的输出与相加。第四相加单元609计算第三相加单元605的输出与为第一积分单元607的输出的所估计的反电动势之间的差。
第四增益应用单元612将增益应用到估计的状态变量并且第五相加单元610计算第四相加单元609的输出与第四增益应用单元612的输出之间的差。其后，第二积分单元611对所计算的差求积分以输出估计的状态变量
在用于永磁同步电机的这种无传感器矢量控制系统中，使用反电动势估计单元(例如反电动势观测器)，并且这种反电动势估计单元的性能在其中反电动势大的中高速度区域中是优良的，但是存在的问题在于在其中反电动势小的低速度区域中电压信息是不充分的，使得性能被降低。
发明内容
要由本公开内容解决的技术目标是要提供一种用于永磁同步电机的无传感器控制系统，其能够在低区域和高区域中维持优良性能。
为了解决上述技术目标，根据本公开内容的一个实施例的一种用于永磁同步电机的无传感器控制系统，包括：反电动势估计单元，其被配置为使用相电流和相电压参考来估计永磁同步电机的反电动势，相电流从逆变器被施加到永磁同步电机，并且相电压参考被施加到逆变器；以及速度估计单元，其被配置为使用在反电动势估计单元中估计的所估计的反电动势来估计永磁同步电机的转子的角速度和电角度，并且反电动势估计单元可以使用从逆变器的输出测量的相电流来确定状态变量。
在本公开内容的一个实施例中，反电动势估计单元可以使用来确定所估计的反电动势，其中可以是状态变量，可以是所估计的状态变量，并且可以是所估计的反电动势。此外，可以是永磁同步电机的所估计的角速度，Rs可以是永磁同步电机的相电阻，Ts是无传感器控制系统的采样时间，并且g21和g22可以是能够调节的增益。
在本公开内容的一个实施例中，所估计的状态变量可以是利用电感和电流的积配置的磁通量分量。
在本公开内容的一个实施例中，反电动势估计单元可以使用来确定所估计的反电动势。此时，并且Kobs可以是在0至1的范围中的加权值。
在本公开内容的一个实施例中，加权值Kobs可以通过将所估计的角速度与参考角速度进行比较来确定。
在本公开内容的一个实施例中，加权值Kobs可以是在0至1的范围中的值。
在本公开内容的一个实施例中，反电动势估计单元可以包括：比例控制器，其被配置为使用所估计的反电动势来将比例增益应用到实际角度与估计的角度之间的误差(即，估计的误差)；积分控制器，其被配置为将积分增益应用到所估计的误差；第一计算单元，其被配置为将积分控制器的输出的积分结果与使用永磁同步电机的q轴估计的反电动势和反电动势常数确定的前馈项相加；第二计算单元，其被配置为将第一计算单元的输出与比例控制器的输出相加；积分单元，其被配置为对第二计算单元的输出求积分以输出所估计的角度；以及滤波器单元，其被配置为对第二计算单元的输出执行低通滤波以输出所估计的角速度。
在本公开内容的一个实施例中，前馈项可以通过来确定，其中可以是q轴估计的反电动势，并且λPM可以是反电动势常数。
根据本公开内容，提供了反电动势估计单元，其以混合形式来配置，在混合形式中，执行在低速度的鲁棒性能的反电动势估计单元和执行在高速度的鲁棒性能的传统反电动势估计单元被混合，使得存在如下效果，其中在低速度和高速度两者精确地估计反电动势，并且因此估计转子的位置和速度。
此外，可以使用可简单配置的速度估计单元从转子位置的误差信息获得位置和速度信息。
附图说明
图1是用于驱动电机的2级三相电压源逆变器的示意性电路图。
图2是用于描述被施加到三角波比较电压调制以控制逆变器的三相功率开关的极电压的示意图。
图3是用于描述三角波比较电压调制的示例性示意图。
图4是用于描述用于永磁同步电机的传统控制系统的配置示意图。
图5是用于描述用于永磁同步电机的传统无传感器控制系统的配置示意图。
图6是以传统龙伯格观测器的形式的反电动势估计单元的详细配置示意图。
图7是根据本公开内容的一个实施例的用于永磁同步电机的无传感器控制系统的配置示意图。
图8是根据本公开内容的一个实施例的图7的反电动势估计单元的详细配置示意图。
图9是根据本公开内容的另一实施例的用于描述图7的反电动势估计单元的详细配置示意图。
图10是用于描述确定加权值的方法的一个示例性示意图。
图11是根据本公开内容的一个实施例的图7的速度估计单元的详细配置示意图。
具体实施方式
本公开内容可以以各种形式来修改，并且可以具有各种实施例，并且因此，将在附图中图示具体实施例，并且将在下面的详细描述中描述对其的描述。然而，下面要公开的实施例不应在将本公开内容限于具体实施例的意义上来理解，并且其应当被解读为包括在本公开内容的精神和技术范围内的修改、等效方案或替代方案。
基于为传统反电动势估计单元的方程的方程12，本公开内容的发明人建议以下原理以便确保在低速度的鲁棒性能。
1、在估计状态变量时使用实际测量的电流而非估计的电流。使用实际测量的电流，可以减少从反馈得到的误差。
2、为了解决由于积分计算的不稳定性，不对在实际计算中的每个中使用的d轴反电动势分量求积分。
3、为了减少由于在低速度的不充分的电压信息的反电动势分量误差的影响，在估计d轴磁通量时不使用与实际计算中的每个相关的d轴反电动势分量。
要反映上述原理的反电动势估计单元的方程如下。
[方程14]
在方程14中，观测器的增益L如下。
[方程15]
这里，Ts指示根据本公开内容的一个实施例的无传感器控制系统的采样时间，并且g21和g22指示可由用户调节的增益。
同时，当方程14被布置时，其可以使用方程12的全阶观测器以及增益K1和K2来配置如下。
[方程16]
此时，K1和K2如下。
[方程17]
因此，在本公开内容的一个实施例中使用这种特性，实现在低速度的鲁棒性能的无传感器控制系统通过修改已经使用的传统无传感器控制系统的特定部分来提出。
即，本公开内容的一个实施例利用方程15来配置反电动势估计单元的增益并将以方程16的形式的前馈项增加到传统反电动势估计单元的结构，由此改进在低速度的性能。
在下文中，将参考附图详细描述根据本公开内容的一个优选实施例。
图7是根据本公开内容的一个实施例的用于永磁同步电机的无传感器控制系统的配置示意图。
如附图中示出的，根据本公开内容的一个实施例的无传感器控制系统可以包括速度控制单元1、电流控制单元2、转换单元3和4、速度估计单元5、反电动势估计单元6、PWM控制单元7以及逆变器8，并且逆变器8的输出可以被施加到永磁同步电机9。
速度估计单元5基于由反电动势估计单元6估计的反电动势来估计角速度和电角度，并且反电动势估计单元6使用相电压参考和相电流来估计反电动势。
速度控制单元1可以使用由速度估计单元5估计的速度和永磁同步电机9的速度参考来输出电流参考。速度控制单元2可以接收永磁同步电机9的电流参考并使用在同步参考系中转换的dq轴电流来输出电压参考。转换单元3可以将同步参考系中的电压参考转换成abc轴物理量。
转换单元3和4中的每个可以使用由速度估计单元5估计的电角度来执行参考系变换。
PWM控制单元7可以将abc相电压参考转换成极电压参考并将极电压参考应用到逆变器8，并且逆变器8可以将极电压参考合成到极电压并将极电压应用到永磁同步电机9。
图8是根据本公开内容的一个实施例的图7的反电动势估计单元的详细配置示意图。
如附图中示出的，根据本公开内容的一个实施例的反电动势估计单元6可以包括第一相加单元11、第一增益应用单元12、第二增益应用单元13、第三增益应用单元14、第二相加单元15、第三相加单元16、第四相加单元17、第一积分单元18、第四增益应用单元19、第五增益应用单元20、第五相加单元21、第六相加单元22、第二积分单元23以及第六增益应用单元24。
第一相加单元11可以确定状态变量与估计的状态变量之间的差。第一增益应用单元12可以将增益L之中的与采样时间相关的增益应用到第一相加单元11的输出第二增益应用单元13可以将增益L之中的应用到第一相加单元11的输出此外，第三增益应用单元14可以将增益L之中的可由用户调节的增益应用到第一相加单元11的输出
第二相加单元15可以计算第一增益应用单元12的输出与第二增益应用单元13的输出之间的差。
同时，第四相加单元17可以将由第四增益应用单元19应用的增益K2从基于第三增益应用单元14的输出估计的反电动势减去。即，第四相加单元17可以将从第三增益应用单元14的输出减去。
第一积分单元18可以对第四相加单元17的输出求积分以输出所估计的反电动势
第五增益应用单元20可以将增益K1应用到为第一积分单元18的输出的所估计的反电动势。即，可以被输出。
第三相加单元16可以将第五增益应用单元20的输出从第二相加单元15的输出减去，并且加上即，其通过从电压减去永磁同步电机的相电阻和电流的积来获得。第五相加单元21可以减去基于第三相加单元16的输出估计的反电动势。第六相加单元22可以将第六增益应用单元24的输出从第五相加单元21的输出减去。第六增益应用单元24可以将增益应用到所估计的状态变量由此输出第二积分单元23可以加上第六相加单元22的输出，由此输出所估计的状态变量
即，能够看出，根据本公开内容的一个实施例的反电动势估计单元6利用与图6的传统配置中的方程15的观测器增益相同的观测器增益并且通过将前馈项增加到传统观测器结构来配置。
同时，如以上所描述的，为了改进在低速度的性能，提供了根据本公开内容的一个实施例的反电动势估计单元6。在下文中，提出了根据另一实施例的与实现在高速度的优良性能的传统反电动势估计单元混合的反电动势估计单元以及根据本公开内容的一个实施例的反电动势估计单元6。
图9是根据本公开内容的另一实施例的用于描述图7的反电动势估计单元的详细配置示意图。
传统反电动势估计单元的观测器可以与方程12相同，并且本公开内容的反电动势估计单元的观测器可以被表示为方程16。观测器中的每个如下。
方程12与方程16之间的差别是项是否存在，使得其可以使用加权值Kobs而被简单地切换到以下方程。
[方程18]
例如，能够看出，根据另一实施例的反电动势估计单元当Kobs为0时与图8的示出在低速度的鲁棒性能的反电动势估计单元相同，并且当Kobs为1时与图6的示出在高速度的鲁棒性能的传统反电动势估计单元相同。
同时，图6的传统反电动势估计单元的观测器增益可以被表示为方程13，并且图8的反电动势估计单元的观测器增益可以被表示为方程15。两个观测器增益中的每个如下。
两个观测器之间的差是增益之中的和因此，其可以是可使用加权值Kobs切换的。即，使用加权值Kobs，混合型观测器增益可以被设置如下。
[方程19]
例如，能够看出，根据另一实施例的反电动势估计单元的观测器增益当Kobs为0时与图8的示出在低速度的鲁棒性能的反电动势估计单元的观测器增益相同，并且当Kobs为1时与图6的示出在高速度的鲁棒性能的传统反电动势估计单元的观测器增益相同。
图9是反映上述的修改的反电动势估计单元。
如附图中示出的，根据本公开内容的一个实施例的反电动势估计单元6可以包括第一相加单元31、第一增益应用单元32、第二增益应用单元33、第三增益应用单元34、第四增益应用单元35、第二相加单元36、第三相加单元37、第四相加单元38、第一积分单元39、第五增益应用单元40、第六增益应用单元41、第五相加单元42、第六相加单元43、第二积分单元45以及第七增益应用单元46。
本公开内容的反电动势估计单元6的输出是所估计的反电动势和所估计的状态变量，并且反电动势估计单元6当加权值Kobs为0时与图8的示出在低速度的鲁棒性能的反电动势估计单元相同，并且当加权值Kobs为1时与图6的示出在高速度的鲁棒性能的传统反电动势估计单元相同。
图10是根据本公开内容的一个实施例的用于描述确定加权值的方法的一个示例性示意图。
如附图中示出的，在本公开内容的一个实施例中，加权值Kobs可以为零，直到所估计的角速度达到ωcurrent为止，并且在这种情况下，反电动势估计单元可以与图8的反电动势估计单元相同。
当所估计的角速度等于或大于ωcurrent时，加权值Kobs被逐渐增大，并且当所估计的角速度等于或大于ωvoltage时，其变成1，使得反电动势估计单元可以与图6的反电动势估计单元相同。即，能够看出，图8的反电动势估计单元以在低速度动作为主，并且图6的反电动势估计单元以在高速度动作为主。
图11是根据本公开内容的一个实施例的图7的速度估计单元的详细配置示意图。
如附图中所示，根据一个实施例办公流程自动化系统的速度估计单元5可以包括比例控制器51、积分控制器52、第一积分单元53、第一相加单元54、第二相加单元55、第二积分单元56以及低通滤波器(LPF)57。
比例控制器51的输入是实际角度与所估计的角度之间的误差(即，所估计的误差)，并且其可以使用在反电动势估计单元6中估计的反电动势来计算如下。
[方程20]
这里，E可以被计算如下，并且'sgn(x)’是指x的符号。即，'sgn(x)’当x为正值时为‘+’，并且当x为负值时为‘-’。
[方程21]
比例控制器51可以将比例增益Kp应用到所估计的误差，并且积分控制器52可以将积分增益Ki应用到所估计的误差。
第一积分单元53可以对积分控制器52的输出求积分，并且第一相加单元54可以将第一积分单元53的输出与前馈项相加。可以从图6或图8的反电动势估计单元获得，并且可以对应于q轴估计的反电动势。
第二相加单元55可以将第一相加单元54的输出与比例控制器51的输出相加，并且第二积分单元56可以对第二相加单元55的输出求积分以输出估计的电角度。此外，LPF 57可以执行对第二相加单元55的输出的低通滤波以输出估计的角速度。
根据本公开内容的一个实施例，通过以全阶状态观测器的形式的反电动势估计单元来估计反电动势，并且基于所估计的反电动势来估计转子的位置估计误差信息，使得可以执行无传感器控制。
此外，转子的位置和速度信息可以使用可简单配置的速度估计单元基于转子的位置估计误差信息来获得。
根据本公开内容，提供了反电动势估计单元，其以混合形式来配置，在混合形式中，执行在低速度的鲁棒性能的反电动势估计单元和执行在高速度的鲁棒性能的传统反电动势估计单元被混合，使得可以在低速度和高速度两者精确地估计反电动势，并且因此估计转子的位置和速度。
尽管已经参考本公开内容的实施例描述了本公开内容，但是实施例仅仅是说明性的，并且应当理解，各种修改和等效实施例能够由本领域技术人员导出。因此，本公开内容的技术范围应当由随附权利要求确定。
Claims (8)
1.一种用于永磁同步电机的无传感器控制系统，包括：
反电动势估计单元，其被配置为使用从逆变器被施加到所述永磁同步电机的相电流和被施加到所述逆变器的相电压参考来估计永磁同步电机的反电动势；以及
速度估计单元，其被配置为使用在所述反电动势估计单元中估计的所估计的反电动势来估计所述永磁同步电机的转子的角速度和电角度，
其中，所述反电动势估计单元使用从所述逆变器的输出测量的相电流来确定状态变量。
2.根据权利要求1所述的无传感器控制系统，其中，所述反电动势估计单元使用以下方程来确定所估计的反电动势，
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3.根据权利要求2所述的无传感器控制系统，其中，所估计的状态变量是利用电感和电流的积配置的磁通量分量。
4.根据权利要求1所述的无传感器控制系统，其中，所述反电动势估计单元使用以下方程来确定所估计的反电动势，
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其中，并且Kobs是在0至1的范围中的加权值。
5.根据权利要求4所述的无传感器控制系统，其中，所述加权值Kobs通过将所估计的角速度与参考角速度进行比较来确定。
6.根据权利要求5所述的无传感器控制系统，其中，所述加权值Kobs是在0至1的范围中的值。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的无传感器控制系统，其中，反电动势估计单元包括：
比例控制器，其被配置为使用所估计的反电动势来将比例增益应用到实际角度与估计的角度之间的误差；
积分控制器，其被配置为将积分增益应用到所述误差；
第一计算单元，其被配置为将所述积分控制器的输出的积分结果与使用所述永磁同步电机的q轴估计的反电动势和反电动势常数确定的前馈项相加；
第二计算单元，其被配置为将所述第一计算单元的输出与所述比例控制器的输出相加；
积分单元，其被配置为对所述第二计算单元的输出求积分以输出所估计的角度；以及
滤波器单元，其被配置为对所述第二计算单元的输出执行低通滤波以输出所估计的角速度。
8.根据权利要求7所述的无传感器控制系统，其中，所述前馈项通过来确定，其中是所述q轴估计的反电动势，并且λPM是所述反电动势常数。
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