CN108258967B - 一种基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法。基于扰动观测器，用电流模型的磁链计算方法改进了电压模型法，设计了新型的磁链观测器。新型磁链观测器输入为静止坐标系下的电压u_α、u_β、电流i_α、i_β、永磁磁链ψ_f、估计位置角

输出为静止坐标系下的磁链估计值

新型磁链观测器具有较高的抗干扰能力，当存在高频和部分低频干扰情况下，都能较为精确的估计出两相磁链。基于新型磁链观测器的无位置直接转矩控制方法，能够抵抗无位置造成的位置估计误差，提高无位置系统的鲁棒性，确保了永磁电机无位置传感器的稳定运行。

Description

一种基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制 方法

技术领域

本发明涉及一种新型磁链观测器，用于提高永磁电机无位置直接转矩运行下的稳定性。适用于轨道交通、航空航天、电动汽车等需要直接转矩提供高动态响应性能，却由于位置传感器耗费成本大、安装不便，或由于可靠性差，不适合安装位置传感器的情况。也可用于其它需要高精度磁链观测值的场合。

背景技术

永磁电机结构简单，效率高，应用范围广泛。永磁电机需要位置反馈来进行有效的控制，然而，位置传感器的安装、维护与维修都会增加成本。在一些特殊的情况下，甚至不允许安装位置传感器。因此无位置传感器控制具有十分重要的意义。直接转矩控制具有动态响应快、鲁棒性强的优点，在许多领域都有着广泛的应用。直接转矩控制需要磁链计算，然而无位置会影响磁链计算的精度，从而影响直接转矩控制的效果。因此，提高磁链计算精度与稳定性对于永磁电机无位置直接转矩控制具有重要的意义。

当今科研人员研究的磁链估计方法可分为三类：1、基于电压模型的直接计算法；2、基于电流模型的直接计算法；3、观测器法。其中，电压模型法由于直流偏置容易导致积分饱和问题，电流模型法依赖电机参数容易受到干扰，传统观测器虽然精度较高稳定性好，但是存在幅值和相位的偏差。新型磁链观测器从属于观测器法，提高了磁链估计的精度和鲁棒性，同时解决了传统观测器中存在的幅值和相位偏差问题。新型磁链观测器具有精度高，响应快，参数灵活，抗干扰能力强等优点，提高了无位置直接转矩控制运行的稳定性。

发明内容

本发明的目的是设计新型磁链观测器准确、迅速的估计出磁链，并对高频干扰、参数变动、估计误差等有较强的抵抗能力，最终通过高精度的磁链计算出转矩，实现直接转矩控制电机可靠运行。以新型磁链观测器代替传统的磁链估计方法，从而解决了采用无位置控制带来的磁链估计不精确等问题，避免了使用位置传感器带来的问题。

本发明采用的技术方案是：一种基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法步骤如下：

步骤1，电流和电压的检测与计算：检测永磁电机的三相电流i_a，i_b，i_c，并经过3s/2s(Clarke)变换得到两相静止坐标系下电流i_α和i_β。检测直流电源电压与三相占空比，经3s/2s(Clarke)变换得两相静止坐标系下电压u_α和u_β。

步骤2，反电势的观测：取步骤1中得到的电流i_α、i_β与电压u_α、u_β，由扰动观测器估计出静止坐标系下的反电势

步骤3，估计位置与转速的计算：将两相反电势

送入锁相环模块求解出估计转速

并输出估计位置

步骤4，估计磁链与转矩的计算：取

用于坐标变换，得到两相静止坐标系下的永磁磁链分量ψ_fα、ψ_fβ，将u_α、u_β、i_α、i_β与ψ_fα、ψ_fβ送入新型磁链观测器，得到静止坐标系下的两相磁链

并计算出估计转矩

的大小。

步骤5，电机无位置直接转矩控制下调速运行：参考转速与估计转速做差，经PI控制器得到转矩Te参考值。Te参考值与反馈值做差，经过PI控制器输出负载角的变化dδ，计算出两相静止坐标系下的参考电压u_α ^*，u_β ^*，最终输出SVPWM波驱电机动子运动。调速运行可通过改变参考转速进行电机调速。

进一步，在所述步骤4中的新型磁链观测器：新型磁链观测器具有如图2所示的结构，其中，PI为比例加积分结构，L、R为电机的相电感与相电阻参数。新型磁链观测器输出与输入之间的传递函数为：

其中“^”表示估计值。当G满足

取k_p＝ωL,k_i＝ω²L，新型磁链观测器输出与输入之间的传递函数为可写作

根据基于电压模型和电流模型的磁链计算公式，磁链可以分别被表示为

电压模型法

电流模型法

因此新型磁链观测器的估计传递函数为

因此，当输入量不存在误差时，新型磁链观测器可以做到无误差估计。

进一步，在所述步骤4中的新型磁链观测器：实际磁链观测中，各个输入量均可能存在误差，包括电压u_α、u_β、电流i_α、i_β、估计位置角

同时观测器中用到的电机参数也会存在误差，包括永磁磁链ψ_f、电机相电感L和电机相电阻R。

当电压u_α、u_β存在误差时，误差为Δu_α、Δu_β，则存在电压误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为

当G满足

取k_p＝ωL,k_i＝ω²L，新型磁链观测器在电压误差Δu_α、Δu_β下。输出与输入之间的传递函数可写作

其中，ω为观测器参数，且满足ω≧0。新型磁链观测器对电压干扰具有带通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频和直流干扰的能力。

同样可以推导出，当电流i_α、i_β存在误差时，误差为Δi_α、Δi_β，则存在电流误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为

新型磁链观测器对电流干扰具有低通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频干扰的能力。

当电机电感参数L存在误差时，误差为ΔL，则存在电感误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为

新型磁链观测器对电感干扰具有低通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频干扰的能力。

当电机电阻参数R存在误差时，误差为ΔR，则存在电阻误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为

新型磁链观测器对电阻干扰具有带通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频和直流干扰的能力。

当电机永磁磁链参数ψ_f存在误差时，误差为Δψ_f，则存在永磁磁链误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为

新型磁链观测器对永磁磁链干扰具有低通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频干扰的能力。

当电机的估计位置

存在误差时，误差为

则存在估计位置误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为

新型磁链观测器对估计位置干扰具有低通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频干扰的能力。新型磁链观测器对位置估计产生的误差有抵抗作用，适合用于与无位置结合提高稳定性。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明中的新型磁链观测器模块，代替了传统的磁链计算方法，提高了磁链估计的精确度与鲁棒性。解决了传统磁链计算方法对传感器测量误差导致的干扰、无位置算法导致的位置误差，以及电机参数不准确与电机参数变化带来参数误差都没有抵抗能力的问题。与无位置的直接转矩控制技术相结合，在节约位置传感器安装、维护和维修等带来的成本的同时，提高了控制系统的稳定性。

2)新型磁链观测器可以在无幅值和相位损失的情况下得到估计磁链，解决了传统磁链观测器带来的问题。

3)本发明通过反电势观测器与锁相环得到估计转速，具有高精度和高响应速度的特点，可以给直接转矩控制提供稳定的反馈转速，使得永磁电机无位置直接转矩控制更为稳定可靠。

4)本发明以新型磁链观测器的方式估计磁链，对各种干扰都具有一定抑制作用，使得基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制具有更好的稳定性。

5)本发明同样适用于其他旋转或直线结构的永磁型同步电机的直接转矩控制。

附图说明

图1为基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制原理图；

图2为新型磁链观测器结构图；

图3为用于观测反电势的扰动观测器结构图；

图4为锁相环结构图；

图5为电机变速运行时两相估计磁链波形图

图6为电机变速运行时估计转速与实际转速对比图；

图7为电机变速运行时转速估计误差图；

图8为电机变速运行时估计位置与实际位置对比图；

图9为电机变速运行时位置估计误差图；

图10为电机正常运行时三种磁链计算方法的开环观测对比图；

图11为电机运行时当电流传感器存在高频干扰的情况下电流模型法与新型磁链观测器法的开环观测对比图；

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

步骤1：电流和电压的检测和计算

检测永磁电机的三相电流i_a，i_b，i_c，并经过3s/2s(Clarke)变换得到两相静止坐标系下电流i_α和i_β。检测直流电源的电压与三相占空比，经3s/2s(Clarke)变换得两相静止坐标系下电压u_α和u_β。计算方法如下，

其中S_a，S_b，S_c为控制器输出的占空比，U_dc为直流母线电压值。

步骤2，反电势的观测：

永磁电机静止坐标系下的电压方程为：

其中R为电枢内阻，ω为反电势角速度，θ为反电势矢量角，ψ_f为永磁体磁链幅值，L_α、L_β为电枢电感在静止坐标系的分量。

永磁电机静止坐标系下的电压方程含义为电压分为三部分：1、电枢绕组的内阻分压；2、电感的分压；3、永磁体感应出的反电势。其中第三部分电压，即永磁体感应出的反电势由三种因素决定：a、绕组切割永磁体感应的磁场速度ω；b、永磁体的磁链大小ψ_f；c、永磁体所在的位置θ。永磁体所在位置是为电机矢量控制系统中提供坐标变换、转速反馈的重要信息。基于反电势法的位置估计模块大都基于电压方程，求得静止坐标系下的反电势，再经过锁相环处理得到永磁体的位置信息。静止坐标系下的反电势表达式如下

e_αβ＝u_αβ-(Ls+R)i_αβ

其中“x_αβ”中的下标“αβ”表示“x”由α和β轴两部分构成。两个轴的部分各自相互独立。

以电压u_αβ、电流i_αβ为输入，反电势e_αβ为扰动，应用到扰动观测器中，将扰动估计量即ê_αβ输出。反电势观测器的原理图如图2所示，G₀为比例积分结构，定义为

反电势观测器的传递函数为

将比例积分代入可得

选取合适的参数，反电势观测器具有低通滤波器的效果，可以抑制高频的干扰。

本发明实例中扰动观测器PI环节参数取比例系数k_0p＝20，积分系数k_0i＝0.1。

步骤3，估计位置与转速的计算：

e_α，e_β的估计值输入锁相环可得到平滑的位置信息和位置微分信息。锁相环结构如图3所示，以角度为输入，角度和角度的微分为输出，具有快收敛，高精度的优点，兼有一定程度的去除杂波效果，输出的角度几乎无相差，转速毛刺小。锁相环输出的反电势矢量角速度为

积分得到估计位置

根据反电势矢量角速度

求得估计转速

本发明实例中锁相环PI环节参数取比例系数k_p＝15，积分系数k_i＝0.05。

步骤4，电机无位置直接转矩控制下调速运行：

电机起动后，由位置估计模块提供位置和转速，参考转速n*与估计转速

的偏差经PI控制器得到参考转矩Te^*。电流传感器反馈的三相电流i_a，i_b，i_c经Clarke变换得到静止坐标系下的电流i_α，i_β。直流电源的电压U_dc与三相占空比S_a，S_b，S_c计算得到静止坐标系下电压u_α，u_β。将u_α，u_β，i_α，i_β和估计位置

送入如图4所示的新型磁链观测器，得到估计转矩

与静止坐标系下磁链

根据静止坐标系下磁链

得到磁链幅值|ψ_s|与磁链角度∠|ψ_s|。参考转矩Te^*与估计转矩

的偏差经PI控制器得到负载角的变化dδ。通过参考磁链幅值|ψ_s|^*，磁链幅值|ψ_s|，磁链角度∠|ψ_s|和负载角的变化dδ求得参考电压u_α ^*，u_β ^*。计算方法如下，

参考电压u_α ^*，u_β ^*通过空间矢量调制模块得到控制逆变器的开关信号，电机绕组通过逆变器与电源相连。电机绕组与电源相连，产生的电流感应出磁场，与永磁体感应的磁场互相作用，产生了转矩。绕组产生磁场的转矩大小与转速的偏差有关，当反馈转速大于参考转速，减小转矩；反之，当反馈转速小于参考转速，增大转矩。通过此方法使电机运行在参考转速下，也可通过改变参考转速使电机调速。

实际磁链观测中，各个输入量均可能存在误差，包括电压u_α、u_β、电流i_α、i_β、估计位置角

同时观测器中用到的电机参数也会存在误差，包括永磁磁链ψ_f、电机相电感L和电机相电阻R。

当电压u_α、u_β存在误差时，误差为Δu_α、Δu_β，则存在电压误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为

当G满足

取k_p＝ωL,k_i＝ω²L，新型磁链观测器在电压误差Δu_α、Δu_β下。输出与输入之间的传递函数可写作

其中，ω为观测器参数，且满足ω≧0。新型磁链观测器对电压干扰具有带通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频和直流干扰的能力。

同样可以推导出，当电流i_α、i_β存在误差时，误差为Δi_α、Δi_β，则存在电流误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为

新型磁链观测器对电流干扰具有低通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频干扰的能力。

当电机电感参数L存在误差时，误差为ΔL，则存在电感误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为

新型磁链观测器对电感干扰具有低通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频干扰的能力。

当电机电阻参数R存在误差时，误差为ΔR，则存在电阻误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为

新型磁链观测器对电阻干扰具有带通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频和直流干扰的能力。

当电机永磁磁链参数ψ_f存在误差时，误差为Δψ_f，则存在永磁磁链误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为

新型磁链观测器对永磁磁链干扰具有低通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频干扰的能力。

当电机的估计位置

存在误差时，误差为

则存在估计位置误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为

新型磁链观测器对估计位置干扰具有低通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频干扰的能力。新型磁链观测器对位置估计产生的误差有抵抗作用，适合用于与无位置结合提高稳定性。

本发明实例中新型磁链观测器中ω参数取ω＝80。

基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩运行，t∈[0.4,0.8)为启动阶段，之后为变速运行阶段。初始参考速度设置为600rpm，在1.4s时参考速度突变为800rpm，并在2.3s时变回600rpm。其中，实测位置和速度不参与电机控制，只是用来与估计值做比较，检验估计精度。

图5为电机变速运行时两相磁链的波形图，静止坐标系下两相磁链正弦度较高，幅值相同，相位互差π/2。

图6为电机变速运行时估计转速与实际转速对比图。真实转速能在有限时间内达到参考转速，变速后转速响应给定的变化。此图验证了基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩运行的可行性。

图7为电机变速运行时转速估计误差图，为定量的描述转速估计精度，稳定运行时估计误差在±50rpm范围内。

图8为电机变速运行时估计位置与实际位置对比图，二者重合度较高。

图9为电机变速运行时位置估计误差图，稳定运行时估计误差在±π/8范围内。

图10为电机正常运行时三种磁链计算方法的开环观测对比图，电流模型法存在积分偏置问题，而电流模型法和新型磁链观测器法磁链波形较好。此图验证了新型磁链观测器优于电压模型法。

图11为电机运行时当电流传感器存在高频干扰的情况下电流模型法与新型磁链观测器法的开环观测对比图，电流模型法存在许多高次谐波，而新型磁链观测器法的磁链基本不受影响。此图验证了新型磁链观测器优于电流模型法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，电流和电压的检测与计算：检测永磁电机的三相电流i_a，i_b，i_c，并经过3s/2sClarke变换得到两相静止坐标系下电流i_α和i_β，检测直流电源电压与三相占空比，经3s/2sClarke变换得两相静止坐标系下电压u_α和u_β；

步骤2，反电势的观测：取步骤1中得到的两相静止坐标系下电流i_α、i_β与两相静止坐标系下电压u_α、u_β，由扰动观测器估计出静止坐标系下的反电势

步骤3，估计位置与转速的计算：将两相反电势

送入锁相环模块求解出估计转速

并输出估计位置

步骤4，估计磁链与转矩的计算：取

用于坐标变换，得到两相静止坐标系下的永磁磁链分量ψ_fα、ψ_fβ，将u_α、u_β、i_α、i_β与ψ_fα、ψ_fβ送入新型磁链观测器，得到静止坐标系下的两相磁链

并计算出估计转矩

的大小；

步骤5，电机无位置传感器控制下调速运行：参考转速与估计转速做差，经PI控制器得到转矩Te参考值，Te参考值与反馈值做差，经过PI控制器输出负载角的变化dδ，计算出两相静止坐标系下的参考电压u_α ^*，u_β ^*，最终输出SVPWM波驱动电机动子运动，调速运行可通过改变参考转速进行电机调速；

所述步骤1中，两相静止坐标系下电流i_α和i_β和两相静止坐标系下电压u_α和u_β分别为：

其中S_a，S_b，S_c为控制器输出的占空比，U_dc为直流母线电压值；

所述步骤2中，定义“x_αβ”中的下标“αβ”表示“x”由α和β轴两部分构成，以电压u_αβ、电流i_αβ为输入，反电势e_αβ为扰动，应用到扰动观测器中，将扰动估计量即ê_αβ输出，G₀为比例积分结构，定义为

其中，L、R为电机的相电感与相电阻参数，其中k_0p为比例积分结构G₀的比例系数，k_0i为比例积分结构的积分系数，反电势观测器的传递函数为

将比例积分代入可得

所述步骤4中的新型磁链观测器，PI为比例加积分结构，ψ_f为永磁磁链，L、R为电机的相电感与相电阻参数，新型磁链观测器输出与输入之间的传递函数为：

其中“^”表示估计值，当G满足

取k_p＝ωL,k_i＝ω²L，ω为观测器参数，新型磁链观测器输出与输入之间的传递函数为：

根据基于电压模型和电流模型的磁链计算公式，磁链可以分别被表示为

电压模型法

电流模型法

其中，L_α、L_β为电枢电感在静止坐标系的分量，

因此新型磁链观测器的估计传递函数为

2.根据权利要求1所述的基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法，其特征在于：所述步骤4中的新型磁链观测器还包括，

实际磁链观测中，各个输入量均可能存在误差，包括u_α、u_β、i_α、i_β、估计位置角

同时观测器中用到的电机参数也会存在误差，包括永磁磁链ψ_f、电机相电感L和电机相电阻R；

当电压u_α、u_β存在误差时，误差为Δu_α、Δu_β，则存在电压误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为：

当G满足

取k_p＝ωL,k_i＝ω²L，新型磁链观测器在电压误差Δu_α、Δu_β下，输出与输入之间的传递函数：

其中，ω为观测器参数，且满足ω≧0；

当电流i_α、i_β存在误差时，误差为Δi_α、Δi_β，则存在电流误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为：

当电机电感参数L存在误差时，误差为ΔL，则存在电感误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为：

当电机电阻参数R存在误差时，误差为ΔR，则存在电阻误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为：

当电机永磁磁链参数ψ_f存在误差时，误差为Δψ_f，则存在永磁磁链误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为：

当电机的估计位置

存在误差时，误差为

则存在估计位置误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为：

3.根据权利要求1所述的基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法，其特征在于：扰动观测器PI环节参数取比例系数k_0p＝20，积分系数k_0i＝0.1。

4.根据权利要求1所述的基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法，其特征在于：锁相环模块PI环节参数取比例系数k_p＝15，积分系数k_i＝0.05。

5.根据权利要求1所述的基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法，其特征在于：新型磁链观测器中ω参数取ω＝80。

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