CN108599655B - 基于权重控制永磁同步电机无速度传感器的转速估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于权重控制永磁同步电机无速度传感器的转速估计方法，得到了反电动势后，采用扩展卡尔曼滤波器平滑波形，得到经过优化后的反电动势

依据优化后的反电动势

进行转速估计，将转速ω分解为大小和方向两部分，建立转速方向评价方程，该方程由惯性、目标转速和转矩三项组成，将这三个因素综合起来，可以实现比较优良的无传感器控制，即使在低速下反电动势很微弱的情形下，不容易受外界的干扰及噪声的影响，准确判断出转速的方向，使得速度估算准确。

Description

基于权重控制永磁同步电机无速度传感器的转速估计方法

技术领域

本发明涉及一种基于权重控制永磁同步电机无速度传感器的转速估计方法。

背景技术

交流电机的三相电之间存在互相耦合，并不是独立存在的。电机矢量控制指的是，将三相坐标变换成静止的αβ坐标系和旋转的dq坐标系，以实现解耦，其中d轴只提供磁场，不提供转矩，也就是不做功，在永磁同步电机中一般使d轴电流为0，因为有永磁体的存在，所以不需要提供磁场。所以只用控制q轴电流，就能控制转矩大小，也就是旋转力的大小。由牛顿第二定律，力使物体运动速度发生改变，也就是控制旋转力就能控制转速。这就是电机矢量控制的基本原理。

传统的电机矢量控制采用双闭环模型，外环为速度环，需要从速度传感器中反馈转速信号。而速度传感器普遍昂贵，有些高精度的速度传感器比电机本身还贵，增加了大量成本。同时速度传感器对环境非常敏感，温湿度的变化会导致速度传感器精度降低和失效。因此某些场合需要无速度传感器控制。

无速度传感器技术目前有很多种，用得比较多的有模型参考自适应(MRAS)、滑模观测器(SMO)、扩展卡尔曼滤波(EKF)、高频注入(HFI)等。其中滑模观测器方法由于抗干扰性好，得到了广泛应用。但由于滑模观测器方法有很强烈的抖振，所以如何从抖振带来的巨大噪音中提取转速信号，是一个非常重要的问题。基于反电动势电机无速度传感器控制的，在低速下反电动势很微弱，容易受外界的干扰及噪声的影响，转速的方向容易误判，导致速度估算不准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于权重控制永磁同步电机无速度传感器的转速估计方法，在低速下反电动势很微弱的情形下，不容易受外界的干扰及噪声的影响，准确判断出转速的方向，使得速度估算准确。

本发明一种基于权重控制永磁同步电机无速度传感器的转速估计方法，其中，i_abc是从永磁同步电机PMSM采样的三相电流，通过三相-两相的Clarke变换和静止-旋转坐标的Park变换，变成了i_d和i_q两相电流测量值；同时在经过了三相-两相变换之后的电流i_α和i_β作为输入端将电流信号发送给滑模观测器；该滑模观测器通过滑模计算得到反电动势的估测值e_α和e_β后传给速度估算器,该速度估算器将反电动势变为电角度θ和速度ω，并将速度ω与预置速度ω^*比较，其差值经过PI控制器的调节后，变成了i_q的估测值，与i_q的测量值比较，经过PI控制器的调节后变成了u_q，另一路，设定i_d＝0，与实际的i_d测量值比较，经过PI控制器调节后变成了u_d，u_q和u_d经过一个反Park变换，变成了u_α和u_β,输入给滑模观测器的同时，也输入至空间矢量PWM调制模块,信号经过调制后，变成六路开关信号给逆变器，逆变器产生高压和大电流以驱动永磁同步电机工作；

滑模观测器给出反电动势信号，并通过扩展卡尔曼滤波器进行滤波，得到在静止两相坐标系下的反电动势e_α和e_β，转速信号的大小由式(1)得到：

其中，

是估算的转速，Ψ_f是电机的磁链，即磁场的大小；

建立转速方向评价方程，该方程由惯性、目标转速和转矩三项组成，由式(2)表示：

其中，

是n时刻转速的方向，

是n-1时刻的转速，代表惯性，sgn(ω^*)是目标转速的方向，

是转矩引发的转速方向改变因素，k₁和k₂是目标转速和转矩因素的权重，惯性权重默认为1，转矩因素

由式(3)表示如下：

其中，Δt是控制周期，J是转动惯量，T_e是电磁转矩，T_l是负载转矩，

是n-1时刻估计的速度值，由该式(3)可以得出转矩对转速的影响大小，具体步骤如下：

步骤1、得到反电动势

从永磁同步电机PMSM采样三相电流i_abc，经过三相-两相变换之后，得到电流i_α和i_β作为输入端发送给滑模观测器；该滑模观测器通过滑模计算得到反电动势的估测值e_α和e_β，式(4)是永磁同步电机PMSM的模型：

其中，u_α和u_β是静止的αβ坐标系下，α轴和β轴的电压，电流测量值i_α、i_β和反电动势估测值e_α、e_β亦相同，R_S是定子电阻、L_S是电感；

其中，反电动势估测值e_α和e_β的表达式为：

其中，θ是估测的转角，Ψ_f是永磁体的磁链，

是估测的转速；

滑模观测器的形式如下：

其中，

和

分别是α和β轴的估测电流值；

将(1)和(3)合并：

其中，

应用李雅普诺夫稳定性原理判据，可得：

其中，K是正的常数；

步骤2、得到了反电动势后，采用扩展卡尔曼滤波器平滑波形，得到经过优化后的反电动势

和

扩展卡尔曼滤波器由式(9)表达如下：

其中，e_α和e_β是优化前反电动势的估测值，

和

是经卡尔曼滤波后的反电动势估测值，l₂是一个正的常数，

是估测的转速；

步骤3、依据优化后的反电动势

和

进行转速估计

将转速ω分解为大小和方向两部分：

其中，转速的大小

可写为：

其中，

是估算的转速，Ψ_f是电机磁场的大小；

转速的方向

从式(12)可得到：

其中，

为将速度离散化后第n次的转速方向估计值，

为惯性项，此处用上一步的转速来表征惯性，k₁·sgn(ω^*)为目标转速项，为设定的转速的符号，K₁是其权重，

是转矩项，K₂是其权重，转矩项可以写成：

其中，Δt是控制周期，J是转动惯量，T_e是电磁转矩，T_l是负载转矩，

是n-1时刻估计的速度值，由该式可以得出转矩对转速的影响大小。

转速估计包括转速大小以及转速方向的判断，本发明在转速方向判断时，认为惯性是一个因素，n+1时刻的转速方向与n时刻的方向有很大关系；其次，与目标转速的方向也有很大关系，假如本来是正转，目标转速还是正的(诱导项)，它就肯定不会反向；最后，转速方向还与转矩大小有关，转矩越大，反向的力也越大，转速反向也越容易，综合这三个因素建立转速方向评价方程，该方程由惯性、目标转速和转矩三项组成，将这三个因素综合起来，可以实现比较优良的无传感器控制。

由于在低速下，反电动势非常微弱，中间夹杂着大量噪声，这些噪声的存在可能导致反电动势的提取有误，尤其是当转速方向判断错误时，会朝着相反的方向控制，可能会导致系统失控。同时也因为电机本身的惯性，转速不可能立刻反向，此时，本发明的创新之处在于将目标转速方向(目标转速项)作为参考量放进去，用于去除大量转速反向的干扰，另外，辅以电机转矩项作为另一项调节，可以将可能出现的反向判断出来(反向的话，转矩必然也会反过来)，提升转速方向判断的准确度，使得速度估算准确，以达到良好的控制效果。

附图说明

图1为本发明永磁同步电机无速度传感器的控制框图；

图2为本发明速度估计流程图。

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

具体实施方式

图1是永磁同步电机无速度传感器的控制框图，本发明的核心技术是虚线框内部的部分，其余部分都是比较成熟的技术。其中，PMSM是永磁同步电机，i_abc是从PMSM采样的三相电流，通过三相-两相变换(Clarke变换)和静止-旋转坐标变换(Park变换)，变成了i_d和i_q两相电流测量值；同时在经过了三相-两相变换之后的电流i_α和i_β作为输入端将电流信号发送给滑模观测器(SMO)；该滑模观测器通过滑模计算得到反电动势的估测值e_α和e_β后传给速度估算器(Speedestimation),该速度估算器将反电动势变为电角度θ和速度ω，并将速度ω与预置速度ω^*比较，其差值经过PI控制器的调节后，变成了i_q的估测值，与i_q的测量值比较，经过PI控制器的调节后变成了u_q，另一路，设定i_d＝0，与实际的i_d测量值比较，经过PI控制器调节后变成了u_d，u_q和u_d经过一个反Park变换(I-Park)，变成了u_α和u_β,输入给滑模观测器SMO的同时，也给了空间矢量PWM调制模块(SVPWM),信号经过调制后，变成六路开关信号给逆变器(Inverter)，逆变器产生高压和大电流以驱动永磁同步电机工作。

滑模观测器给出反电动势信号，并通过扩展卡尔曼滤波器进行滤波，得到在静止两相坐标系下的反电动势e_α和e_β，转速信号的大小由式(1)得到：

其中，

是估算的转速，Ψ_f是电机的磁链(即磁场的大小)。

而转速的方向(即正转还是反转)比较复杂，尤其是在低速下，由好几个因素决定。首先，电机惯性非常大，旋转中的电机要刹车后转向需要很长时间就是个例子，因此惯性是一个因素，n+1时刻的转速方向与n时刻的方向有很大关系；其次，与目标转速的方向也有很大关系，假如本来是正转，目标转速还是正的(诱导项)，它就肯定不会反向；最后，转速方向还与转矩大小有关，转矩越大，反向的力也越大，转速反向也越容易。综合这三个因素由式(2)表示：

其中，

是n时刻转速的方向，

是n-1时刻的转速，代表惯性，sgn(ω^*)是目标转速的方向，

是转矩引发的转速方向改变因素，k₁和k₂是目标转速和转矩因素的权重，惯性权重默认为1。权重不需要归一化的原因是，式(2)左边是一个符号函数，乘以一个正的值符号不会变化。转矩因素

由式(3)表示如下：

其中，Δt是控制周期，J是转动惯量，T_e是电磁转矩，T_l是负载转矩，

是n-1时刻估计的速度值，由该式(3)可以得出转矩对转速的影响有多大。将这三个因素综合起来，可以实现比较优良的无传感器控制，低速能达到5rpm。

如图2所示，本发明一种基于权重控制永磁同步电机无速度传感器的转速估计方法，具体步骤如下：

步骤1、得到反电动势

从永磁同步电机PMSM采样三相电流i_abc，经过三相-两相变换之后，得到电流i_α和i_β作为输入端发送给滑模观测器(SMO)；该滑模观测器通过滑模计算得到反电动势的估测值e_α和e_β，式(4)是永磁同步电机PMSM的模型：

其中，u_α和u_β是静止的αβ坐标系下，α轴和β轴的电压(也就是将三相电变成正交的两相电)，电流值i_α、i_β和反电动势估测值e_α、e_β亦相同，R_S是定子电阻、L_S是电感；

其中，反电动势的估测值e_α和e_β的表达式为：

其中，θ是估测的转角，Ψ_f是永磁体的磁链，

是估测的转速；

滑模观测器的形式如下：

其中，

和

分别是α和β轴的估测电流值；

将(1)和(3)合并：

其中，

应用李雅普诺夫稳定性原理判据(因为这一段技术上非常成熟，并且不是本发明的技术核心部分，所以略过)，可得：

其中，K是正的常数。

步骤2、得到了反电动势后，由于滑模运动包含了很多抖振，采用扩展卡尔曼滤波器平滑波形，得到经过优化后的反电动势

和

卡尔曼滤波相对于普通低通滤波的优点在于没有相位的延迟，可以实时估计对象状态，不产生滞后。该扩展卡尔曼滤波器也已经很成熟，因此不给出推导过程，则扩展卡尔曼滤波器由式(9)表达如下：

其中，e_α和e_β是优化前反电动势的估测值，

和

是经卡尔曼滤波后的反电动势估测值，l₂是一个正的常数，

是估测的转速；

步骤3、依据优化后的反电动势

和

进行转速估计

将转速ω分解为大小和方向两部分：

其中，转速的大小

可写为：

其中，

是估算的转速，Ψ_f是电机磁场的大小；

在电机参数保持不变的前提下，导致电机转向的因素主要是目标转速和负载的变化，但是由于电机本身的惯性，在设定转速和负载突变时，转速不会立即到达预期值，所以影响转速变化的因素中还应加入惯性项。由此可以建立评价方程，该方程由惯性、目标转速和转矩三项组成。根据全速范围内各项对转速方向的贡献，设置各自的权重，转速的方向

从式(12)可得到：

其中，

为将速度离散化后第n次的转速方向估计值，

为惯性项，此处用上一步的转速来表征惯性，k₁·sgn(ω^*)为目标转速项，为设定的转速的符号，K₁是其权重，

是转矩项，K₂是其权重，转矩项可以写成：

其中，Δt是控制周期，J是转动惯量，T_e和T_l分别是电磁转矩和负载转矩，

是n-1时刻估计的速度值，由该式可以得出转矩对转速的影响有多大。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种基于权重控制永磁同步电机无速度传感器的转速估计方法，其特征在于：i_abc是从永磁同步电机PMSM采样的三相电流，通过三相-两相的Clarke变换和静止-旋转坐标的Park变换，变成了i_d和i_q两相电流测量值；同时在经过了三相-两相变换之后的电流i_α和i_β作为输入端将电流信号发送给滑模观测器；该滑模观测器通过滑模计算得到反电动势的估测值e_α和e_β后传给速度估算器,该速度估算器将反电动势变为电角度θ和速度ω，并将速度ω与预置速度ω^*比较，其差值经过PI控制器的调节后，变成了i_q的估测值，与i_q的测量值比较，经过PI控制器的调节后变成了u_q，另一路，设定i_d＝0，与实际的i_d测量值比较，经过PI控制器调节后变成了u_d，u_q和u_d经过一个反Park变换，变成了u_α和u_β,输入给滑模观测器的同时，也输入至空间矢量PWM调制模块,信号经过调制后，变成六路开关信号给逆变器，逆变器产生高压和大电流以驱动永磁同步电机工作；

滑模观测器给出反电动势信号，并通过扩展卡尔曼滤波器进行滤波，得到在静止两相坐标系下的反电动势

和

转速信号的大小由式(1)得到：

其中，

是估算的转速，Ψ_f是电机的磁链，即磁场的大小；

建立转速方向评价方程，该方程由惯性、目标转速和转矩三项组成，由式(2)表示：

其中，

是n时刻转速的方向，

是n-1时刻估计 的转速，代表惯性，sgn(ω^*)是目标转速的方向，

是转矩引发的转速方向改变因素，k₁和k₂是目标转速和转矩因素的权重，惯性权重默认为1，转矩因素

由式(3)表示如下：

其中，Δt是控制周期，J是转动惯量，T_e是电磁转矩，T_l是负载转矩，

是n-1时刻估计的速度值，由该式(3)可以得出转矩对转速的影响大小，具体步骤如下：

步骤1、得到反电动势

从永磁同步电机PMSM采样三相电流i_abc，经过三相-两相变换之后，得到电流i_α和i_β作为输入端发送给滑模观测器；该滑模观测器通过滑模计算得到反电动势的估测值e_α和e_β，式(4)是永磁同步电机PMSM的模型：

其中，u_α和u_β是静止的αβ坐标系下，α轴和β轴的电压，电流测量值i_α、i_β和反电动势估测值e_α、e_β亦相同，R_S是定子电阻、L_S是电感；

其中，反电动势估测值e_α和e_β的表达式为：

其中，θ是估测的转角，Ψ_f是永磁体的磁链，

是估测的转速；

滑模观测器的形式如下：

其中，

和

分别是α和β轴的估测电流值；

将(4)和(6)合并：

其中，

应用李雅普诺夫稳定性原理判据，可得：

其中，K是正的常数；

步骤2、得到了反电动势后，采用扩展卡尔曼滤波器平滑波形，得到经过优化后的反电动势

和

扩展卡尔曼滤波器由式(9)表达如下：

其中，e_α和e_β是优化前反电动势的估测值，

和

是经卡尔曼滤波后的反电动势估测值，l₂是一个正的常数，

是估测的转速；

步骤3、依据优化后的反电动势

和

进行转速估计

将转速ω分解为大小和方向两部分：

其中，转速的大小

可写为：

其中，

是估算的转速，Ψ_f是电机磁场的大小；

转速的方向

从式(12)可得到：

其中，

为将速度离散化后第n次的转速方向估计值，

为惯性项，此处用上一步的转速来表征惯性，k₁·sgn(ω^*)为目标转速项，为设定的转速的符号，K₁是其权重，

是转矩项，K₂是其权重，转矩项可以写成：

其中，Δt是控制周期，J是转动惯量，T_e是电磁转矩，T_l是负载转矩，

是n-1时刻估计的速度值，由该式可以得出转矩对转速的影响大小。

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