CN108649849B - 一种简单的无传感器永磁同步电机速度估测方法 - Google Patents

Abstract

一种简单的无传感器永磁同步电机速度估测方法，其特征是采集电机定子两相电流信号i_a、i_b和驱动器直流母线电压U_dc，转换到d、q坐标系下的i_d、i_q、U_d作为速度观测器的输入，通过电机状态电压方程计算出d轴电压误差U_err，将产生的电压误差U_err作为PI调节器的输入，经过PI调节器的调节，输出速度观测器的结果ω_r，将转子速度ω_r进行积分得到转子角度θ_r；本发明的有益之处是：控制过程简单、计算量少、稳定可靠，通过迭代算法实现迭代控制，所采用的PI调节器参数设置简单，简化了控制器结构，观测器中加入了动态分量的部分，提高了控制性能。

Description

一种简单的无传感器永磁同步电机速度估测方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机调速驱动领域，尤其涉及一种简单的无传感器永磁同步电机速度估测方法。

背景技术

永磁同步电机无需无功励磁电流，效率高，体积小，又因其高功率密度、高转矩电流比等优点而被广泛应用。在高性能永磁同步电动机系统中，为了实现高精度、高动态性能的速度与位置控制，速度闭环必不可少，因此需要在转子轴上安装机械式传感器，以测量电机转子速度与位置。机械式传感器会增加系统的体积和重量，导致成本上升，限制了永磁同步电动机在一些特殊场合的应用。为了克服这一缺陷，永磁同步电动机无速度传感器估测技术成为电机控制领域的一个研究热点。

目前永磁同步电动机速度估算的方法主要有基于定子电流模型参考自适应法以及基于观测器的估算方法等。模型参考自适应估算法与参考模型本身的选取有关，并且模型参考自适应估算法依赖于电机参数，从而影响了估算的准确性。利用状态观测器对转子位置和角度进行估算的方法主要有:滑模观测器、Luenberger观测器、全阶自适应状态观测器及卡尔曼算法的观测器等。但是，这些观测器的算法都比较复杂，对相应的硬件处理器也提出了高的要求，并需要多个电机参数，观测结果对电机参数都也有一定的敏感性，因此，寻求一种解决或者替代的方法非常重要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种简单的无传感器永磁同步电机速度估测方法，能够解决在无速度传感器情况下实现永磁同步电机转子速度观测的问题，从而实现永磁同步电机的矢量解耦控制。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种简单的无传感器永磁同步电机速度估测方法，包括以下步骤：

(i)利用两个电流传感器采集电机定子两相电流信号i_a和i_b，利用电压采样电路采集驱动器直流母线电压U_dc；

(ii)通过Clarke变换和Park变换将定子电流i_a和i_b转换到d、q坐标系下的电流i_d和i_q；根据采样的母线电压U_dc获得d轴电压U_d；

Clarke变换如下：

Park变换如下：

(iii)通过d、q坐标系下的电机状态方程获取电机定子d轴电压的误差量U_err，将误差量U_err送入PI调节器进行调节控制，PI调节器的输出为本速度观测器观测到的电机转子速度ω_r；

(iv)将观测器观测出的电机转子速度ω_r迭代入电机状态方程中实现迭代控制；

(v)对观测出的电机转子速度ω_r进行积分计算得到电机转子角度θ_r，将得到的转子角度θ_r代入(ii)中的Park变换进行迭代计算，得到i_d和i_q，从而实现无速度传感器同步电机矢量控制。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：控制过程简单、计算量少、稳定可靠，通过迭代算法实现迭代控制，所采用的PI调节器参数设置简单，简化了控制器结构，观测器中加入了动态分量的部分，提高了控制性能。

附图说明

以下结合附图对本发明做进一步详细描述。

附图1是本发明d*-q*观测坐标系与实际d-q坐标系的关系示意图；

附图2是本发明速度观测器的无速度矢量控制系统框图；

附图3是本发明速度观测器控制方法的原理框图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图1、附图2和附图3及具体实施例对本发明作进一步的说明。

一种简单的无传感器永磁同步电机速度估测方法，包括以下步骤：

(i)利用两个电流传感器采集电机定子两相电流信号i_a和i_b，利用电压采样电路采集驱动器直流母线电压U_dc；

(ii)通过Clarke变换和Park变换将定子电流i_a和i_b转换到d、q坐标系下的电流i_d和i_q；根据采样的母线电压U_dc获得d轴电压U_d；

Clarke变换如下：

Park变换如下：

(iii)通过d、q坐标系下的电机状态方程获取电机定子d轴电压的误差量U_err，将误差量U_err送入PI调节器进行调节控制，PI调节器的输出为本速度观测器观测到的电机转子速度ω_r；

(iv)将观测器观测出的电机转子速度ω_r迭代入电机状态方程中实现迭代控制；

(v)对观测出的电机转子速度ω_r进行积分计算得到电机转子角度θ_r，将得到的转子角度θ_r代入(ii)中的Park变换进行迭代计算，得到i_d和i_q，从而实现无速度传感器同步电机矢量控制。

如图1所示，本发明所提供的转子速度观测方法以用到的观测坐标系d*-q*和实际的d-q坐标系关系为基础，在此基础上进行相应的公式推导。

如图2所示，本发明所提供的转子速度观测方法作为基于转子磁场定向的永磁同步电机矢量控制的一部分，因此观测的转子速度ω_r以及转子角度θ_r是矢量控制模型中坐标变换、解耦控制的重要依据。

本发明所提供的转子速度观测首先依赖于电机电压状态方程，于是，如式1所示为永磁同步电机稳态下的定子在d轴上的电压数学模型：

U_d＝R_si_d-ω_rL_qi_q 式一

观测d*-q*坐标系与实际d-q坐标系关系，则电机稳态下的定子电压方程应如式2所示：

U_d＝R_si_d-ω_rL_qi_q+ω_rΨ_fsin(θ_err) 式二

很明显，在观测器观测准确情况下，应该有两坐标系重合，即有如下关系式成立：

U_err＝U_d-(R_si_d-ω_rL_qi_q)≈0 式三

由d轴误差电压作为式4的输入，通过PI调节器的调节输出转子速度，如下式4所示：

然而，由于上述均是在电机稳态下的电压模型，为了提升其动态性能，本发明从电机动态情况下的电压模型考虑，加入了由于负载变化而引起的电压变量，计算出的d轴电压误差方程如下式5：

因此，实际本发明生成的电机转子速度采样如下式6的方程：

对于观测出来的转子速度ω_r通过迭代到式五的电机状态方程中，从而实现迭代控制，实现对转子速度ω_r的估测。对于电机转子角度θ_r，由转子速度ω_r进行积分得到，如下面式7所示：

θ_r＝∫ω_r 式七

其中：R_s为电机定子直流电阻；

i_d为d轴电流分量；

i_q为q轴电流分量；

U_d为d轴电压；

ω_r为转子速度；

L_d、L_q分别为电机直轴、交轴电感；

Ψ_f为电机转子磁链；

θ_r为转子角度；

θ_err为观测d*-q*坐标系与实际d-q坐标系直接的观测角度误差；

K_p为PI调节控制器的比例系数；

K_i为PI调节控制器的积分系数。

如图3所示，首先采集电机定子两相电流信号i_a、i_b和驱动器直流母线电压U_dc，转换到d、q坐标系下的i_d、i_q、U_d作为速度观测器的输入，通过电机状态电压方程计算出d轴电压误差U_err(式五)，将产生的电压误差U_err作为PI调节器的输入，经过PI调节器的调节(式六)，输出速度观测器的结果ω_r，将转子速度ω_r进行积分得到转子角度θ_r(式七)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：控制过程简单、计算量少、稳定可靠，通过迭代算法实现迭代控制，所采用的PI调节器参数设置简单，简化了控制器结构，观测器中加入了动态分量的部分，提高了控制性能。

利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种简单的无传感器永磁同步电机速度估测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(i)利用两个电流传感器采集电机定子两相电流信号i_a和i_b，利用电压采样电路采集驱动器直流母线电压U_dc；

(ii)通过Clarke变换和Park变换将定子电流i_a和i_b转换到d、q坐标系下的电流i_d和i_q；根据采样的母线电压U_dc获得d轴电压U_d；

(iii)通过d、q坐标系下的电机状态方程获取电机定子d轴电压的误差量U_err，将误差量U_err送入PI调节器进行调节控制，PI调节器的输出为本速度观测器观测到的电机转子速度ω_r；

(iv)将观测器观测出的电机转子速度ω_r迭代入电机状态方程中实现迭代控制；

(v)对观测出的电机转子速度ω_r进行积分计算得到电机转子角度θ_r，将得到的转子角度θ_r代入(ii)中的Park变换进行迭代计算，得到i_d和i_q，从而实现无速度传感器同步电机矢量控制；

转子速度观测首先依赖于电机电压状态方程，于是，如式1所示为永磁同步电机稳态下的定子在d轴上的电压数学模型：

U_d＝R_si_d-ω_rL_qi_q 式一

观测d*-q*坐标系与实际d-q坐标系关系，则电机稳态下的定子电压方程应如式2所示：

U_d＝R_si_d-ω_rL_qi_q+ω_rΨ_f sin(θ_err) 式二

很明显，在观测器观测准确情况下，应该有两坐标系重合，即有如下关系式成立：

U_err＝U_d-(R_si_d-ω_rL_qi_q)≈0 式三

由d轴误差电压作为式4的输入，通过PI调节器的调节输出转子速度，如下式4所示：

然而，由于上述均是在电机稳态下的电压模型，为了提升其动态性能，从电机动态情况下的电压模型考虑，加入了由于负载变化而引起的电压变量，计算出的d轴电压误差方程如下式5：

因此，实际生成的电机转子速度采样如下式6的方程：

对于观测出来的转子速度ω_r通过迭代到式五的电机状态方程中，从而实现迭代控制，实现对转子速度ω_r的估测；对于电机转子角度θ_r，由转子速度ω_r进行积分得到，如下面式7所示：

θ_r＝∫ω_r 式七

其中：R_s为电机定子直流电阻；

i_d为d轴电流分量；

i_q为q轴电流分量；

U_d为d轴电压；

ω_r为转子速度；

L_d、L_q分别为电机直轴、交轴电感；

Ψ_f为电机转子磁链；

θ_r为转子角度；

θ_err为观测d*-q*坐标系与实际d-q坐标系直接的观测角度误差；

K_p为PI调节控制器的比例系数；

K_i为PI调节控制器的积分系数。

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