CN108347207A - 基于复数pi控制器的永磁同步电机位置和速度估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于复数PI控制器的永磁同步电机位置和速度估算方法，其特征是采用由电流状态观测器、比较器、复数PI控制器和锁相环组成滑模观测器，电流状态观测器的输入为αβ轴电压、αβ轴反电势估计值和转速估计值，观测出的电流值与检测的电流值求差后，经过复数PI控制器得到估计的反电势，再输入到锁相环得到转子位置和速度。与传统位置滑模观测器相比，由于采用复数PI控制器取代滑模控制律实现对估算电流的零误差控制，能够消除抖振问题，同时省去低通滤波器，避免低通滤波器带来的相位延迟，提高了位置和速度的估算精度。

Description

基于复数PI控制器的永磁同步电机位置和速度估算方法

技术领域

本发明涉及一种采用复数PI(proportional integral比例积分)控制器的永磁同步电机位置和速度估算方法，属电机控制领域。

背景技术

在低成本及对传感器环境要求高的场合中，无位置传感器控制技术被广泛采用。永磁同步电机的位置估算方法通常分为低速段估算方法和中高速段估算方法两类。观测器通过实时观察与转子角度相关的电机反电势或磁链，从中提取转子角度和速度信息，是中高速段位置和速度估算的常用方法，这些方法包括滑模观测器、龙贝格观测器、自适应观测器、扩展卡尔曼滤波器等。其中，滑模观测器具有结构简单、鲁棒性好等优点，是一种较为常用的位置估算方法。但滑模观测器构建的滑模面切换函数通常为符号函数，导致严重的抖振问题。虽然有很多学者提出了采用饱和函数等方法来抑制抖振，但却无法消除。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明对滑模观测器进行改进，目的在于解决永磁同步电机滑模位置观测器的抖振，以及低通滤波器带来的相位延迟问题，提高位置和速度估算精度。

本发明主要采用如下技术方案：

基于复数PI控制器的永磁同步电机位置和速度估算方法，其特征是采用由电流状态观测器、比较器、复数PI控制器和锁相环组成滑模观测器，电流状态观测器的输入为αβ轴电压、αβ轴反电势估计值和转速估计值，观测出的电流值与检测的电流值求差后，经过复数PI控制器得到估计的反电势，再输入到锁相环得到转子位置和速度。

本发明进一步特征是采用复数PI控制器对电流观测值和检测值之间的偏差进行调节，并且复数PI控制器采用以下形式：

其中，K_p、K_i分别为PI控制器的比例系数和积分系数；s为拉普拉斯算子；为该方法估算出来的电机转子角频率，它由锁相环输出；j为虚数单位。

本发明的复数PI控制器通过下面方式实现：

其中，分别为α和β轴的反电势估计值；Δi_α、Δi_β分别为α和β轴电流偏差，分别为α和β轴电流观测值，i_α、i_β分别为α和β轴电流检测值。

本发明通过引入复数PI控制器代替滑模观测器中的切换函数，从而消除了抖振问题，并省去了低通滤波器，避免了低通滤波带来的相位延迟，提高了永磁同步电机位置和速度估算的精度。

附图说明

图1为基于滑模观测器的永磁同步电机无位置控制系统框图；

图2为传统滑模观测器的结构图；

图3为锁相环的结构图；

图4为本发明的采用复数PI控制器的滑模观测器结构图；

图5为本发明复数PI控制器的频率特性；

图6为本发明的复数PI控制器的结构图；

图7为传统滑模观测器的永磁同步电机电流观测值与检测值波形对比；

图8为本发明复数PI滑模观测器的永磁同步电机电流观测值与检测值波形对比；

图9为传统滑模观测器的永磁同步电机速度估计值、α轴反电势和位置估算误差波形；

图10为本发明复数PI滑模观测器的永磁同步电机速度估计值、α轴反电势和位置估算误差波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所提供的技术方案做进一步的说明：

图1为传统技术的实施方式一：本实施方式所述采用复数PI控制器的永磁同步电机位置估算方法和系统，是在传统滑模观测器的基础上，将其中的切换函数和低通滤波器由复数PI控制器来取代，达到消除抖振和相位延迟的目的。

图2为传统技术实施方式二：本实施方式是对实施方式一的进一步说明，下面结合图1至图10说明本发明的具体实施方式。

图1为基于滑模观测器的永磁同步电机无位置矢量控制系统框图。它由速度控制器1、q轴电流控制器2、d轴电流控制器3、Park(帕克)逆变换4、空间矢量PWM(脉冲宽度调制)5、三相逆变器6、永磁同步电机7、Clarke(克拉克)变换8、Park变换9、滑模位置和速度估算10等环节构成。该系统为速度和电流双闭环结构，外环为转速环，内环为矢量解耦下的dq轴(d轴是电机中的直轴q轴是交轴)电流环。滑模位置和速度估算10用来实时估算电机转子位置和速度以取代机械式转子位置传感器。其中，估算出的位置用于矢量控制系统中的Park变换9和Park逆变换4，速度作为速度环的反馈量。滑模位置和速度估算10的输入量为αβ轴电压给定值u_α和u_β、αβ轴电流检测值i_α和i_β，输出量为转子位置估算值和速度估算值

图2为用于图1中滑模位置和速度估算10的传统滑模观测器结构图。它由电流状态观测器11、电流比较器12、切换函数13、低通滤波器14和锁相环15组成。

电流状态观测器11采用下面方式实现：

其中，R_s绕组电阻；L_d、L_q分别为d、q轴电感；分别为αβ轴电流观测值；z_α、z_β为切换函数的输出。

电流比较器(12)对电流观测值和检测值i_α、i_β求取差值，即：

切换函数(13)通常采用符号函数，即：

k＞max(|e_α|,|e_β|)，其中，k为增益，其数值要大于αβ轴反电势幅值的最大值；sgn()为符号函数。

低通滤波器(14)通常采用一阶低通滤波器，即：

其中ω_c为低通滤波器的截止频率。

图3为锁相环15的结构图。

图4为本发明的采用复数PI控制器的滑模观测器结构图，它在图2所示的传统滑模观测器的基础上，将切换函数13和低通滤波器14由复数PI控制器16取代，复数PI控制器16的形式为：

图5为本发明采用的复数PI控制器的频率特性。复数PI控制器16相当于在传统PI控制器的基础上，将中心频率右移使得复数PI控制器16在中心频率处的增益为无穷大，相移为零，因此可以实现对频率为的信号的无静差控制。

图6为本发明的复数PI控制器的结构图。它的原理是将电流偏差Δi_α、Δi_β与复数PI控制器相乘，并代入得到反电势的估算值分别为：

复系数PI控制器的比例系数K_p对于电流偏差在任意频率下均提供恒定增益，因此可以加快系统的动态响应；积分系数K_i保证了复系数PI控制器在中心频率附近，当速度估计值存在误差时仍能够提供较大增益，有助于改善观测器的动态响应。比例系数K_p和积分系数Ki可以通过仿真或试凑的办法来选取。

图7为传统滑模观测器的永磁同步电机电流观测值与检测值波形对比。

图8为本发明复数PI滑模观测器的永磁同步电机电流观测值与检测值波形对比。与传统滑模观测器相比，采用复数PI控制器后，电流观测值的抖振明显减小。

图9为传统滑模观测器的永磁同步电机速度估计值、α轴反电势和位置估算误差波形。

图10为本发明复数PI滑模观测器的永磁同步电机速度估计值、α轴反电势和位置估算误差波形。可见，采用本发明的复数PI控制器后，反电势观测值抖振降低，速度估算值波动和位置估算误差均减小，系统的位置和速度估算精度得到提高。

尽管上述已经描述了本发明的实施方式，但对于本领域普通技术人员而言，可以理解为在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对上述实施方式进行变换，本发明的保护范围由所述权利要求及其易于思及的等同技术方案共同限定。

Claims (3)

1.基于复数PI控制器的永磁同步电机位置和速度估算方法，其特征是采用由电流状态观测器、比较器、复数PI控制器和锁相环组成滑模观测器，电流状态观测器的输入为αβ轴电压、αβ轴反电势估计值和转速估计值，观测出的电流值与检测的电流值求差后，经过复数PI控制器得到估计的反电势，再输入到锁相环得到转子位置和速度。

2.根据权利要求1中所述的基于复数PI控制器的永磁同步电机位置和速度估算方法，其特征是采用复数PI控制器对电流观测值和检测值之间的偏差进行调节，并且复数PI控制器采用以下形式：

其中，K_p、K_i分别为PI控制器的比例系数和积分系数；s为拉普拉斯算子；为该方法估算出来的电机转子角频率，它由锁相环输出；j为虚数单位。

3.根据权利要求1中所述的基于复数PI控制器的永磁同步电机位置和速度估算方法，其特征是复数PI控制器通过下面方式实现：

其中，分别为α和β轴的反电势估计值；Δi_α、Δi_β分别为α和β轴电流偏差， 分别为α和β轴电流观测值，i_α、i_β分别为α和β轴电流检测值。