CN108599661A - 一种永磁同步电机无传感器复合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于永磁同步电机技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机无传感器复合控制方法，包括以下步骤：步骤1、根据复合控制计算后输出的转速值将控制过程分为：第一阶段，零低速阶段，其转速上限值为n_min；第二阶段，过渡阶段，其转速上下限分别为n_max、n_min；第三阶段，中高速阶段，其转速的下限为n_max；步骤2、零低速阶段采用旋转高频电压注入法来检测转速和转子位置；步骤3、过渡阶段采用复合控制法来检测转速和转子位置；步骤4、中高速阶段采用EKF观测器法来检测转速和转子位置。该方法能够实现永磁同步电机全速度范围内的无传感器控制，具有适应范围广，抗干扰性强等优点。

Description

一种永磁同步电机无传感器复合控制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机无传感器复合控制方法。

背景技术

永磁同步电动机(PMSM)由于自身结构简单，具有转速平稳、动态响应快、过载能力强、可靠性高、结构多样化、应用范围广等优点，已成为研究热点，并得到广泛的应用。

传统永磁同步电机机械速度位置传感器不仅增加了电机系统成本，体积和安装难度，同时对环境有较严格的要求，测量精度易受振动的影响，降低了系统的整体可靠性。采用无传感器控制技术的PMSM驱动系统可提高运行效率，扩大使用范围，降低设备成本和运行成本，增强在特殊环境下的稳定性，现已成为永磁同步电机控制技术研究与发展的一个趋势。但是，目前还没有任何一种无传感器控制方法可以在全速度范围内稳定运行，在零、低速范围内通常采用高频注入等方法，在中高速范围内通常采用滑模观测器和EKF观测器等方法，传统滑模观测器对参数变化具有较强的鲁棒性，但不可避免会带来抖振和时间延时问题，而EKF观测器适用于高性能伺服系统，可以在很大的速度范围内工作，也可以对相关状态和某些参数进行估计。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实现永磁同步电机全速度范围内的无传感器控制。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种永磁同步电机无传感器复合控制方法，包括以下步骤：

步骤1、根据复合控制计算后输出的转速值将控制过程分为：第一阶段，零低速阶段，其转速上限值为n_min；第二阶段，过渡阶段，其转速上下限分别为n_max、n_min；第三阶段，中高速阶段，其转速的下限为n_max；

步骤2、零低速阶段采用旋转高频电压注入法来检测转速和转子位置；

步骤3、过渡阶段采用复合控制法来检测转速和转子位置；

步骤4、中高速阶段采用EKF观测器法来检测转速和转子位置。

在上述的永磁同步电机无传感器复合控制方法中，n_min、n_max分别取值为90r/min、150r/min。

在上述的永磁同步电机无传感器复合控制方法中，步骤2的实现包括以下步骤：

步骤2.1、首先在基波激励上叠加一个三相平衡的高频电压激励，然后检测电机中所产生的对应电流响应；

步骤2.2、依次通过带通滤波器、同步轴系高通滤波器和转子位置跟踪观测器获取到永磁同步电机零、低速阶段的电机转速和转子位置。

在上述的永磁同步电机无传感器复合控制方法中，步骤3的实现包括采用加权平均算法对转速进行估计，通过以下公式确定转速和转子位置估计值：

其中，W_GP和W_EK为加权系数且W_GP＝1-W_EK，分别为高频信号注入法和EKF观测器法估算的转速，为复合控制后输出的转速，为估计的转子位置；其中式(1)中W_GP和W_EK为加权系数且W_GP＝1-W_EK，分别为高频信号注入法和EKF观测器法估算的转速，为复合控制后输出的转速，为估计的转子位置，式(2)中n_max、n_min分别为过渡阶段转速上下限。

在上述的永磁同步电机无传感器复合控制方法中，步骤4的实现包括以下步骤：

步骤4.1、EKF观测器模块的设计包括：

以X＝[ψ_α ψ_β ω_r θ_r]^T作为状态变量，U＝[u_α u_β]^T为输入变量，Y＝[i_α i_β]^T为输出变量，其中，ψ_α、ψ_β为定子磁链在αβ轴的分量，ω_r为转子的电角速度，θ_r为定子磁链和转子磁链之间的相对位置即转子的电角度；

步骤4.2、用于EKF观测估计的PMSM状态方程设计为：

式中：

步骤4.3、将式(3)线性化再离散化处理得：

离散化后的状态方程：

式(4)中w(k)为由于电机参数变化和线性化、离散化导致的误差；测量噪声矢量v(k)为对电机输入、输出信号测量引起的误差；

步骤4.4、应用式(4)，给定系统初始状态，按照EKF数字实现算法，通过递推运算，得到每个采样周期的状态估计值，将状态估计值作为反馈值与给定值进行比较，实现相应的电机控制。

本发明的有益效果是：能够实现永磁同步电机全速度范围内的无传感器控制，适应范围广，抗干扰性强。

附图说明

图1为本发明一个实施例的总体结构示意图；

图2为本发明一个实施例的复合控制方法结构框图；

图3为本发明一个实施例的加权系数随转速的变化示意图；

图4为本发明一个实施例的EKF模块的原理图；

图5为本发明一个实施例的过渡阶段实际转速与估计转速的波形图；

图6是本发明一个实施例的过渡阶段实际转子位置与估计转子位置的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种永磁同步电机无传感器复合控制方法，用于对永磁同步电机的控制，包括以下步骤：

永磁同步电机的无传感器控制采用复合控制方法，根据复合控制计算后输出的转速值将控制过程分为三个阶段：第一阶段为零、低速阶段，转速上限值为n_min，该阶段采用旋转高频电压注入法来检测转速和转子位置；第二阶段为过渡阶段，转速上下限分别为n_max、n_min，该阶段采用复合控制法来检测转速和转子位置；第三阶段为中高速阶段，转速的下限为n_max，该阶段采用EKF观测器法来检测转速和转子位置。

并且，n_min、n_max分别设计为90r/min、150r/min。

并且，零、低速阶段采用旋转高频电压注入，首先在基波激励上叠加一个三相平衡的高频电压激励，然后检测电机中所产生的对应电流响应，依次通过带通滤波器、同步轴系高通滤波器和转子位置跟踪观测器后获取到永磁同步电机零、低速阶段下的电机转速和转子位置。

并且，中高速阶段采用EKF观测器辨识转速和转子位置，其中EKF观测器模块的设计步骤包括：

以X＝[ψ_α ψ_β ω_r θ_r]^T作为状态变量，U＝[u_α u_β]^T为输入变量，Y＝[i_α i_β]^T为输出变量，这里需要指出ψ_α、ψ_β为定子磁链在αβ轴的分量，ω_r为转子的电角速度，θ_r为定子磁链和转子磁链之间的相对位置即转子的电角度。用于EKF观测估计的PMSM状态方程可以设计为：

式中：

将式①线性化再离散化处理得：

离散化后的状态方程：

式②中w(k)为由于电机参数变化和线性化、离散化导致的误差；测量噪声矢量v(k)为对电机输入、输出信号测量引起的误差。应用式②，给定系统初始状态，按照EKF数字实现算法，通过递推运算，即可以得到每个采样周期的状态估计值，然后这些估计值作为反馈值与给定值进行比较，进行相应的电机控制。具体的EKF实现算法如下表1所示

表1 EKF滤波算法过程

并且，过渡阶段采用加权平均算法对转速进行估计，复合控制阶段可采用采用以下公式确定转速和转子位置估计值：

其中式③中W_GP和W_EK为加权系数且W_GP＝1-W_EK，分别为高频信号注入法和EKF观测器法估算的转速，为复合控制后输出的转速，为估计的转子位置，式④中n_max、n_min分别为过渡阶段转速上下限。

在本实施方式中，如图1所示，以永磁同步电机作为对象进行控制，控制算法采用复合控制算法，根据不同的转速区间选择不同的转速辨识方法。

图1所示，为总体结构系统图，首先通过测量逆变器输出端的三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压u_a、u_b、u_c，经坐标变换后得到i_α、i_β和u_α、u_β，i_α、i_β经过Park变换得到i_d、i_q。将得到的i_α、i_β和u_α、u_β输入到EKF观测器中，i_α、i_β输入到旋转高频注入模块。得出两种控制算法下的辨识出来的转速然后进行复合控制。复合控制得出的转速经过积分得到转子位置其中转速与给定转速n^*作差得到Δn，Δn经过PI调节器得到与i_q的差值经过PI调节器得到电压u_q，同理可得到u_d。u_d与u_q经过Park逆变换与高频信号叠加后得到u_α、u_β。接下来通过SVPWM模块合成最优电压矢量，控制逆变器开关来控制电机的运行。

图2所示，为复合控制算法结构框图，切换区间的转速下限应该高于EKF能稳定工作的最低速度，切换区间的转速上限应该低于高频信号注入法能良好工作的最高速度，为了整个系统的稳定以及控制性能，切换区间的上下限应该留有足够的稳定裕度。本实施例在确保系统稳定的基础上，再根据前述的切换原则，根据其中转速区间为90～150r/min。然后根据上一刻复合控制输出的转速来确定加权系数，结合图3加权系数W_GP、W_EK与转速的关系，根据式④来确定加权系数。然后根据式①计算出此刻复合控制输的的转速然后进行递归调用，循环上一个过程。

如图4所示，为EKF控制器模块，设计以X＝[ψ_α ψ_β ω_r θ_r]^T为状态方程，U＝[u_α u_β]^T为输入变量，Y＝[i_α i_β]^T为输出变量的EKF观测器模块，通过测量逆变器输出端的三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压u_a、u_b、u_c，经坐标变换后得到i_α、i_β和u_α、u_β输入到EKF模块中，EKF模块通过预测阶段、修正阶段和卡尔曼增益等三个阶段估计出电机的ψ_α、ψ_β、ω_r、θ_r等参数，然后通过计算得出电机的估计转速其中

本实施例一种永磁同步电机无传感器复合控制方法中，由于EKF本身就是一个自适应系统，适用于高性能伺服系统，由于EKF观测器可以在很大的速度范围内工作，低速范围也可以较好的转速辨识效果，所以采用EKF观测器的复合控制系统，比使用其他观测器的复合控制系统的过渡过程更加平缓且准确。

以下是对本实施例进行的实验验证，任取过渡区间的转速，本实验条件我们选取给定转速为100r/min为例进行说明，负载转矩为0起动，在0.2s时突加转矩1.5N·m，仿真时间为0.4s。图5和图6是本实施例控制下的电机转速和转子位置波形图，从图5和图6中可以看出，基于本实施例的方法下，估计转速与实际转速、估计转子位置和实际转子位置都基本重合，误差很小，由此验证本实施例复合控制方法在全速范围内无传感器控制的正确性与可行性。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机无传感器复合控制方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、根据复合控制计算后输出的转速值将控制过程分为：第一阶段，零低速阶段，其转速上限值为n_min；第二阶段，过渡阶段，其转速上下限分别为n_max、n_min；第三阶段，中高速阶段，其转速的下限为n_max；

步骤2、零低速阶段采用旋转高频电压注入法来检测转速和转子位置；

步骤3、过渡阶段采用复合控制法来检测转速和转子位置；

步骤4、中高速阶段采用EKF观测器法来检测转速和转子位置。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机无传感器复合控制方法，其特征是，n_min、n_max分别取值为90r/min、150r/min。

3.如权利要求1所述的永磁同步电机无传感器复合控制方法，其特征是，步骤2的实现包括以下步骤：

步骤2.1、首先在基波激励上叠加一个三相平衡的高频电压激励，然后检测电机中所产生的对应电流响应；

步骤2.2、依次通过带通滤波器、同步轴系高通滤波器和转子位置跟踪观测器获取到永磁同步电机零、低速阶段的电机转速和转子位置。

4.如权利要求1所述的永磁同步电机无传感器复合控制方法，其特征是，

步骤3的实现包括采用加权平均算法对转速进行估计，通过以下公式确定转速和转子位置估计值：

其中，W_GP和W_EK为加权系数且W_GP＝1-W_EK，分别为高频信号注入法和EKF观测器法估算的转速，为复合控制后输出的转速，为估计的转子位置；其中式(1)中W_GP和W_EK为加权系数且W_GP＝1-W_EK，分别为高频信号注入法和EKF观测器法估算的转速，为复合控制后输出的转速，为估计的转子位置，式(2)中n_max、n_min分别为过渡阶段转速上下限。

5.如权利要求1所述的永磁同步电机无传感器复合控制方法，其特征是，步骤4的实现包括以下步骤：

步骤4.1、EKF观测器模块的设计包括：

以X＝[ψ_α ψ_β ω_r θ_r]^T作为状态变量，U＝[u_α u_β]^T为输入变量，Y＝[i_α i_β]^T为输出变量，其中，ψ_α、ψ_β为定子磁链在αβ轴的分量，ω_r为转子的电角速度，θ_r为定子磁链和转子磁链之间的相对位置即转子的电角度；

步骤4.2、用于EKF观测估计的PMSM状态方程设计为：

式中：

步骤4.3、将式(3)线性化再离散化处理得：

离散化后的状态方程：

式(4)中w(k)为由于电机参数变化和线性化、离散化导致的误差；测量噪声矢量v(k)为对电机输入、输出信号测量引起的误差；

步骤4.4、应用式(4)，给定系统初始状态，按照EKF数字实现算法，通过递推运算，得到每个采样周期的状态估计值，将状态估计值作为反馈值与给定值进行比较，实现相应的电机控制。