CN108880351A - 永磁同步电机转子位置的估算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机转子位置的估算方法及系统，本发明专利在传统滑模观测器存在估计精度不高，鲁棒性较差的问题上，提出一种改进策略，即提出了基于双曲正切函数的改进型滑模观测器来提高永磁同步电机的转子位置的估算精度，本发明的安全系数高又易于工程实现的无速度传感器算法来替代传统的机械传感器，用来获取精确的电机转子位置和转速信息，以减少闭环反馈信息中的误差，使其矢量控制系统控制性能更优，汽车行驶更加安全，实现新能源汽车的无传感器控制，这一改进不仅使得电机系统的过渡时间加快，以有效地提高了转子位置估算精度和系统的鲁棒性。

Description

永磁同步电机转子位置的估算方法及系统

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机转子位置的估算方法及系统。

背景技术

永磁同步电机(Permanent-Magnet Synchronous Motor)因其体积小、结构简单、可靠性强、功率密度高以及高效节能等特点，广泛的应用于航空航天等工业领域。高精度永磁同步电机矢量控制系统中需要精确的转子位置信号信息，通常情况下，转子位置信息来源于机械传感器，而机械传感器的存在不仅会使系统有硬件成本上的增加，而且会降低系统的鲁棒性和可靠性。

随着石油资源的枯竭以及燃油成本的上升，国家近年来开始大力发展新能源汽车，永磁同步电机因其功率密度高、调速范围广等优点，使得在新能源汽车行业获得了广泛应用。由于国家对汽车的安全性要求较高，永磁同步电机矢量控制系统的控制性能又与闭环反馈的转子位置及速度的精度息息相关，而机械传感器的存在不仅会使系统有硬件成本上的增加，而且会降低系统的鲁棒性和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁同步电机转子位置的估算方法及系统。

为解决上述问题，本发明提供一种永磁同步电机转子位置的估算方法，包括：

运用滑模观测器，通过改变永磁同步电机的控制输入，迫使永磁同步电机状态沿着设定好的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，其中，所述滑模观测器中运用双曲正切函数替代开关函数；

通过所述滑模观测器计算，得到永磁同步电机的反电动势信息；

根据所述反电动势信息进行所述永磁同步电机的转子位置和转速信息的估算。

进一步的，在上述方法中，所述滑模观测器的滑模面的函数为：

表示估计值，i_α、i_β表示实际值。

进一步的，在上述方法中，所述双曲正切函数为：

，

其中，e^ax是指数函数，通过控制常数a改变所述双曲正切函数的斜率。

进一步的，在上述方法中，运用滑模观测器，通过改变永磁同步电机的控制输入，迫使永磁同步电机状态沿着设定好的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，包括：

以所述滑模观测器估算电流与实际电流的差值作为滑模面，通过改变永磁同步电机的控制输入，使永磁同步电机状态进入滑动模态。

进一步的，在上述方法中，所述滑模观测器为：

式中：u_α、u_β以及i_α、i_β分别为定子电压和定子电流在α、β轴上的分量；R_s、L分别为定子电阻以及定子电感；e_α、e_β分别为反电动势在α、β轴上的分量；θ为转子角位置；p是微分算子。

根据本发明的另一面，提供一种永磁同步电机转子位置的估算系统，包括：

第一模块，用于运用滑模观测器，通过改变永磁同步电机的控制输入，迫使永磁同步电机状态沿着设定好的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，其中，所述滑模观测器中运用双曲正切函数替代开关函数；

第二模块，用于通过所述滑模观测器计算，得到永磁同步电机的反电动势信息；

第三模块，用于根据所述反电动势信息进行所述永磁同步电机的转子位置和转速信息的估算。

进一步的，在上述系统中，所述滑模观测器的滑模面的函数为：

表示估计值，i_α、i_β表示实际值。

进一步的，在上述系统中，所述双曲正切函数为：

，

其中，e^ax是指数函数，通过控制常数a，改变所述双曲正切函数的斜率。

进一步的，在上述系统中，所述第一模块，用于以所述滑模观测器估算电流与实际电流的差值作为滑模面，通过改变永磁同步电机的控制输入，使永磁同步电机状态进入滑动模态。

进一步的，在上述系统中，所述滑模观测器为：

式中：u_α、u_β以及i_α、i_β分别为定子电压和定子电流在α、β轴上的分量；R_s、L分别为定子电阻以及定子电感；e_α、e_β分别为反电动势在α、β轴上的分量；θ为转子角位置；p是微分算子。

与现有技术相比，本发明专利在传统滑模观测器存在估计精度不高，鲁棒性较差的问题上，提出一种改进策略，即提出了基于双曲正切函数的改进型滑模观测器来提高永磁同步电机的转子位置的估算精度，本发明的安全系数高又易于工程实现的无速度传感器算法来替代传统的机械传感器，用来获取精确的电机转子位置和转速信息，以减少闭环反馈信息中的误差，使其矢量控制系统控制性能更优，汽车行驶更加安全，实现新能源汽车的无传感器控制，这一改进不仅使得电机系统的过渡时间加快，以有效地提高了转子位置估算精度和系统的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明一实施例的永磁同步电机转子位置的估算方法的双曲正切函数图；

图2是本发明一实施例的改进型滑模观测器结构图；

图3是本发明一实施例的永磁同步电机的矢量控制系统框图；

图4a是转速突变中传统型转子估计转速与实际转速的波形图；

图4b是本发明一实施例的转速突变中改进型转子估计转速与实际转速的波形图；

图5a是负载转矩突变中传统型转子估计转速与实际转速的波形图；

图5b是本发明一实施例的负载转矩突变中改进型转子估计转速与实际转速的波形图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种永磁同步电机转子位置的估算方法，包括：

运用滑模观测器，通过改变永磁同步电机状态控制输入，迫使永磁同步电机状态沿着设定好的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，其中，所述滑模观测器中运用双曲正切函数替代开关函数，由于双曲正切函数可以通过改变某一常数值来改变函数斜率，可以降低系统的抖振，增强系统的鲁棒性和抗干扰能力；

通过所述滑模观测器计算，得到永磁同步电机的反电动势信息；

根据所述反电动势信息进行所述永磁同步电机的转子位置和转速信息的估算。

在此，本发明专利在传统滑模观测器存在估计精度不高，鲁棒性较差的问题上，提出一种改进策略，即提出了基于双曲正切函数的改进型滑模观测器来提高永磁同步电机的转子位置的估算精度，本发明的安全系数高又易于工程实现的无速度传感器算法来替代传统的机械传感器，用来获取精确的电机转子位置和转速信息，以减少闭环反馈信息中的误差，使其矢量控制系统控制性能更优，汽车行驶更加安全，实现新能源汽车的无传感器控制，这一改进不仅使得电机系统的过渡时间加快，以有效地提高了转子位置估算精度和系统的鲁棒性。

另外，由于系统中仍存有抖振问题，可在反电动势估计方程后加入滤波环节以降低系统抖振。

本发明的永磁同步电机转子位置的估算方法一实施例中，所述滑模观测器的滑模面的函数为：

表示电流估计值，i_α、i_β表示电流实际值。

本发明的永磁同步电机转子位置的估算方法一实施例中，所述双曲正切函数为：

，

其中，通过控制常数a改变所述双曲正切函数的斜率，以使得系统的控制更趋于平滑。

本发明的永磁同步电机转子位置的估算方法一实施例中，运用滑模观测器，通过改变永磁同步电机的控制输入，迫使永磁同步电机状态沿着设定好的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，包括：

以所述滑模观测器估算电流与实际电流的差值作为滑模面，通过改变永磁同步电机的控制输入，使永磁同步电机状态进入滑动模态。

在此，以所述滑模观测器估算电流与实际电流的差值作为滑模面，通过改变系统控制输入，使系统状态进入滑动模态，再通过模型计算，得到电机的反电动势信息，从而实现转子位置和转速的估算精度的提高。并用于矢量控制闭环系统中。

本发明的永磁同步电机转子位置的估算方法一实施例中，所述滑模观测器为：

式中：u_α、u_β以及i_α、i_β分别为定子电压和定子电流在α、β轴上的分量；R_s、L分别为定子电阻以及定子电感；e_α、e_β分别为反电动势在α、β轴上的分量；θ为转子角位置；p是微分算子。

在此，由于在电机实际运行中，转子电流容易测得，故一般选用电机电流作为滑模切换面，由改进型滑模观测器推出观测器方程为：

本发明的滑模观测器无论在响应速度还是在稳态误差上都要优于传统的滑模观测器，增强了系统的鲁棒性和控制的准确度，实验结果表明了该方案的有效性和可行性。

具体的，参见图1，本发明针对传统滑模观测器采用开关函数，系统存在大量开关信号而使得电机控制系统出现的抖振过大现象的问题，采用双曲正切函数替代开关函数，双曲正切函数为：

传统型观测器中抖振过大的原因在于大量开关信号的存在，而解决这一问题的一种策略在于改变开关函数在零点附近的斜率，即使得函数变得平滑一些，而由图1可得，双曲正切函数不仅在幅值上满足开关函数，而且还可以利用常数a来调整斜率，使得双正切函数可以在-1到1之间连续变化，从而可减弱抖振现象。

图2为改进型滑模观测器结构框图，由隐极同步电机方程：

可推出同步电机在αβ坐标系下的电流模型：

式中：u_α、u_β以及i_α、i_β分别为定子电压和定子电流在α、β轴上的分量；R_s、L分别为定子电阻以及定子电感；e_α、e_β分别为反电动势在α、β轴上的分量；θ为转子角位置；p是微分算子。

而双正切函数如图1所示，即：

则可得改进型滑模观测器方程为：

电流误差估计方程为：

式中，分别为α、β轴上的电流误差，当系统的状态点运动到所设计的切换面上时，电流的估计值一定会收敛于电流的实际值。

根据李雅普诺夫第二法设计正定函数：

则：

由此可得电流观测器稳定的前提是：

k≥max(|e_α|，|e_β|)

即k值取足够大时，滑模存在，此时，将切换面函数带入电流误差方程可得到反电动势的估计表达式：

由于上式中含有大量的纹波，因此需要使用低通滤波器，将开关信号转换为等效的连续信号：

其中，分别为传统滑模观测器估算的反电动势；ω_c为低通滤波器的截止频率。

转子位置和转速估计：

由于低通滤波器的使用，在估计转子位置时其相位有一定的滞后，因此在实际应用中，需要对相位进行补偿，补偿值为：

其中，为相位补偿值；ω为电机的稳态转速，至此就得到了一套完整的估算方法。

图3为永磁同步电机矢量控制系统框图，本发明采用i_d＝0的控制策略，利用电流传感器将电机的三相定子电流先进行CLARK变换，然后将αβ轴上的电压和电流引入滑模观测器，由改进型滑模观测器估算出速度反馈后与实际转速比较，转子位置角反馈给PARK变换和PARK反变换，从而构成双闭环控制。

图4a、4b和图5a、5b为两组对比波形图，分别为转速突变情况下的传统滑模观测器和改进型滑模观测器的转速波形图以及在负载转矩突变情况下的传统滑模观测器和改进型滑模观测器的转速波形图；由以上两图对比可知：在转速突变情况下，传统型观测器的转速在0.075s时稳定，即过渡时间约为0.025s；估计转速大概稳定在792rad/s到808rad/s之间；超调量为835rad/s且转速误差在-5rad/s到10rad/s之间。而改进型滑模观测器的转速稳定在0.07s，过渡时间为0.02s；转速估计值大致稳定在798rad/s到804rad/s之间；超调量为827rad/s且转速误差在1rad/s到8rad/s之间。在负载转矩突变情况下，传统型观测器的转速在0.12s时稳定，即过渡时间约为0.02s；估计转速大概稳定在792rad/s到808rad/s之间；转速误差在-5rad/s到10rad/s之间；而改进型观测器在0.11s时稳定，即过渡时间约为0.01s；转速估计值大致稳定在796rad/s到805rad/s之间；转速误差在-4rad/s到5rad/s之间；α轴和β轴电流误差在±0.05rad/s之间。

根据本发明的另一面，提供一种永磁同步电机转子位置的估算系统，包括：

第一模块，用于运用滑模观测器，通过改变永磁同步电机的控制输入，迫使永磁同步电机状态沿着设定好的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，其中，所述滑模观测器中运用双曲正切函数替代开关函数；

第二模块，用于通过所述滑模观测器计算，得到永磁同步电机的反电动势信息；

第三模块，用于根据所述反电动势信息进行所述永磁同步电机的转子位置和转速信息的估算。

进一步的，在上述系统中，所述滑模观测器的滑模面的函数为：

表示估计值，i_α、i_β表示实际值。

进一步的，在上述系统中，所述双曲正切函数为：

，

其中，e^ax是指数函数，通过控制常数a，改变所述双曲正切函数的斜率。

进一步的，在上述系统中，所述第一模块，用于以所述滑模观测器估算电流与实际电流的差值作为滑模面，通过改变永磁同步电机的控制输入，使永磁同步电机状态进入滑动模态。

进一步的，在上述系统中，所述滑模观测器为：

式中：u_α、u_β以及i_α、i_β分别为定子电压和定子电流在α、β轴上的分量；R_s、L分别为定子电阻以及定子电感；e_α、e_β分别为反电动势在α、β轴上的分量；θ为转子角位置；p是微分算子。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机转子位置的估算方法，其特征在于，包括：

运用滑模观测器，通过改变永磁同步电机的控制输入，迫使永磁同步电机状态沿着设定好的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，其中，所述滑模观测器中运用双曲正切函数替代开关函数；

通过所述滑模观测器计算，得到永磁同步电机的反电动势信息；

根据所述反电动势信息进行所述永磁同步电机的转子位置和转速信息的估算。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机转子位置的估算方法，其特征在于，所述滑模观测器的滑模面的函数为：

表示估计值，i_α、i_β表示实际值。

3.如权利要求1所述的永磁同步电机转子位置的估算方法，其特征在于，所述双曲正切函数为：

其中，e^ax是指数函数，通过控制常数a改变所述双曲正切函数的斜率。

4.如权利要求1所述的永磁同步电机转子位置的估算方法，其特征在于，运用滑模观测器，通过改变永磁同步电机的控制输入，迫使永磁同步电机状态沿着设定好的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，包括：

以所述滑模观测器估算电流与实际电流的差值作为滑模面，通过改变永磁同步电机的控制输入，使永磁同步电机状态进入滑动模态。

5.如权利要求1所述的永磁同步电机转子位置的估算方法，其特征在于，所述滑模观测器为：

式中：u_α、u_β以及i_α、i_β分别为定子电压和定子电流在α、β轴上的分量；R_s、L分别为定子电阻以及定子电感；e_α、e_β分别为反电动势在α、β轴上的分量；θ为转子角位置；p是微分算子。

6.一种永磁同步电机转子位置的估算系统，其特征在于，包括：

第一模块，用于运用滑模观测器，通过改变永磁同步电机的控制输入，迫使永磁同步电机状态沿着设定好的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，其中，所述滑模观测器中运用双曲正切函数替代开关函数；

第二模块，用于通过所述滑模观测器计算，得到永磁同步电机的反电动势信息；

第三模块，用于根据所述反电动势信息进行所述永磁同步电机的转子位置和转速信息的估算。

7.如权利要求6所述的永磁同步电机转子位置的估算系统，其特征在于，所述滑模观测器的滑模面的函数为：

表示估计值，i_α、i_β表示实际值。

8.如权利要求6所述的永磁同步电机转子位置的估算系统，其特征在于，所述双曲正切函数为：

，

其中，e^ax是指数函数，通过控制常数a改变所述双曲正切函数的斜率。

9.如权利要求6所述的永磁同步电机转子位置的估算系统，所述第一模块，用于以所述滑模观测器估算电流与实际电流的差值作为滑模面，通过改变永磁同步电机的控制输入，使永磁同步电机状态进入滑动模态。

10.如权利要求6所述的永磁同步电机转子位置的估算系统，其特征在于，所述滑模观测器为：

式中：u_α、u_β以及i_α、i_β分别为定子电压和定子电流在α、β轴上的分量；R_s、L分别为定子电阻以及定子电感；e_α、e_β分别为反电动势在α、β轴上的分量；θ为转子角位置；p是微分算子。