CN108933553A - 一种改进的永磁同步电机转子位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的永磁同步电机转子位置检测方法，属于永磁同步电机控制的技术领域。采用滑模观测器+正交锁相环实现永磁同步电机转子位置检测是一种常用的方法。本发明在传统的基于滑模观测器+正交锁相环的基础上，对滑模观测器和正交锁相环进行了改进。首先对滑模观测器本身的相位延迟进行了补偿，消除了滑模观测器导致的相位偏移，提高了转子位置的检测精度。其次，通过发明的一种高精度的转速提取模块对正交锁相环进行前馈，提高了转子位置提取的快速性。本发明的改进的永磁同步电机转子位置检测方法具有精度高，鲁棒性强，稳定性好的优点，有利于改善永磁同步电机无位置传感器的控制效果。

Description

一种改进的永磁同步电机转子位置检测方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种永磁同步电机转子位置检测方法。

背景技术

相较于传统的直流电机和异步电机，永磁同步电机具有体积小、功率密度大、转动惯量小、动态响应快、调速范围广等优点。近年来，随着永磁材料价格的降低、电力电子驱动技术的成熟，永磁同步电机得到更加广泛的应用。

转子的位置是实现永磁同步电机控制的必要信息。传统的转子位置一般通过光电编码器、霍尔传感器等机械传感器获得。然而，使用机械传感器测量转子的位置增加了电机的体积，增加了成本，降低了系统的可靠性，限制了永磁同步电机在一些恶劣环境下的应用。永磁同步电机的无位置控制技术提高了系统的可靠性，减低了成本，并且具有较高的精度，成为了研究的热点。当前，滑模观测器、模型参考自适应系统和扩展卡尔曼滤波器是最常用三种转子位置检测方法。滑模观测器相较与模型参考自适应系统和扩展卡尔曼滤波器具有结构简单、计算量小、对电机参数不敏感和鲁棒性好的优点，成为了永磁同步电机应用最为广泛的位置检测方法。

黄雷，赵光宙，年珩.基于扩展反电势估算的内插式永磁同步电动机无传感器控制[J].中国电机工程学报,2007,27(9):59-63.提出使用滑模观测器观测出电机的反电动势，然后对两路正交的反电动势求反正切函数得到转子的位置。由于滑模观测器存在的固有抖振问题，使得估计出的转子位置中存在较大的噪声，减低了转子位置的估计精度。

为了抑制使用反正切函数计算转子位置带来的噪声，薛增涛,郭颖颖,李争.基于改进型滑模观测器的电动汽车用永磁同步电机转子位置估算[J].电机与控制应用,2017,44(1):1-5. 使用sigmoid函数替代传统滑模观测器中的开关函数减低滑模观测器的抖振，在一定程度上提高了转子位置检测的精度和准确性。

鲁文其，胡育文，杜栩杨等.永磁同步电机新型滑模观测器无传感器矢量控制调速系统 [J].中国电机工程学报,2010(33):78-83.引入锁相环对转速和转子位置进行估算，进一步提高了转子位置和速度检测的准确性、连续性。

使用sigmoid代替开关函数和锁相环的引入，在一定程度上改善了滑模观测器的转子位置估计效果，但是都没有考虑滑模观测器本身的延迟对转子估计位置的影响。同时，在电机加减速的过程中，传统的锁相环存在较大的延迟，动态响应较差，容易导致较大的位置估计误差，甚至可能导致失步，影响电机稳定运行。

发明内容

针对传统的采用滑模观测器+正交锁相环实现永磁同步电机转子位置检测方法存在的滑模观测器固有的相位滞后和正交锁相环动态相应差的问题，本发明在传统的基于滑模观测器 +正交锁相环的基础上，对滑模观测器和正交锁相环进行了改进。首先对滑模观测器本身的相位延迟进行了补偿，消除了滑模观测器导致的相位偏移，提高了转子位置的检测精度。其次，通过发明的一种高精度的转速提取模块对正交锁相环进行前馈，提高了转子位置提取的快速性。

本发明采用的技术方案如下：

一种改进的永磁同步电机转子位置检测方法，包括下述步骤：

步骤A)，通过测量永磁同步电机在三相坐标系中的A相和B端电压u_a和u_b、A相和B相相电流i_a、i_b，利用带相位补偿的滑模观测器估计出永磁同步电机在静止坐标系下的扩展反电动势

步骤B)，利用估计的扩展反电动势使用改进的锁相环提取转子的位置和速度度；

在一些实施方式中，一种改进的永磁同步电机转子位置检测方法，其中，带相位补偿的滑模观测器的相位补偿角θ_ds为其中R、L分别为永磁同步电机的定子电阻、定子电感，k_s为滑模观测器的增益，k_f为滑模观测器开关函数的等效增益，为估计的电机的角速度；

在一些实施方式中，一种改进的永磁同步电机转子位置检测方法，其中，改进的锁相环提供了速度前馈环路，且电机的参考转速通过以下步骤获取；

对估计的扩展反电动势分别滤波得到：

其中，k₁为滤波器系数。

电机的两个参考转速和为：

其中k₂为增益系数。电机的参考转速为

本发明带来的有益效果可体现在如下方面：

(1)本发明的改进的永磁同步电机转子位置检测方法，充分考虑了滑模观测器在观测扩展反电动势时存在的相位延迟，并基于滑模观测器和电机模型，发明了滑模观测器的相位补偿方法，极大的提高了转子位置的估计精度，实现永磁同步电机的高精度控制。

(2)本发明的改进的永磁同步电机转子位置检测方法，在传统的PLL基础上，增加了高精度的前馈环路，解决了传统PLL跟踪速度慢的问题，保证了永磁同步电机在高动态情况下的跟踪精度，提高了系统的可靠性。

(3)本发明的改进的永磁同步电机转子位置检测方法，具有精度高，鲁棒性强，稳定性好的优点，有利于改善永磁同步电机无位置传感器的控制效果。

附图说明

图1为改进的永磁同步电机转子位置检测方法原理框图；

图2为滑模观测器原理图；

图3为改进的PLL和转子位置补偿原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的改进的永磁同步电机转子位置检测方法主要包含带相位补偿的滑模观测器和改进的锁相环，其中带相位补偿的滑模观测器用于通过测量的电机的相电压和相电阻实现对扩展反电动势的估计，改进的锁相环从估计的扩展反电动势中提取出转子的位置和速度信息。

一种改进的永磁同步电机转子位置检测方法，如图1所示，包括下述步骤：

步骤1)，测量永磁同步电机在三相坐标系中的A相和B端电压u_a和u_b，A相和B相相电流i_a、i_b，并利用u_a+u_b+u_c＝0、i_a+i_b+i_c＝0，得到C相的端电压u_c、相电流i_c；

步骤2)，通过Clark坐标变换，将u_a、u_b和u_c变换到两相静止坐标系下为u_α和u_β，将i_a、i_b和i_c变换到两相静止坐标系下为i_α和i_β。

步骤3)，如图2所示，根据永磁同步电机在静止坐标系中的电压方程，得到估计的电流

式(1)中，R、L分别为永磁同步电机的定子电阻、定子电感，k_s为滑模增益，sigmoid为滑模切换函数，v_α、v_β为估计的扩展反电动势；

步骤4)，静止坐标系下估计的扩展反电动势为：

步骤5)，构造转子位置误差信号ΔE为：

式(4)中，θ_e、分别为实际的和估计的转子位置，ω_e为转子的电角速度，为永磁体磁链。

步骤6)，对式(4)积分得到转速误差Δω_e：

Δω_e＝∫ΔEdt (5)

步骤7)，对估计的反电动势分别滤波得到：

式(7)中，k₁为滤波器系数，和分别为采用和得到在静止参考坐标系下的电机参考转速，且：

步骤8)，对和求平均作为电机的参考转速用于对正交锁相环进行速度前馈：

步骤9)，根据式(5)和式(9)，得到估计的电机转速为：

步骤10)，对进行积分得到锁相环估计的转子位置

步骤11)，滑模观测器固有相位延迟θ_ds可以表示为：

θ_ds＝arctan(τω_e) (12)

式(12)中，k_f为开关函数的等效增益。

步骤12)，滑模观测器的低通滤波延迟θ_dc为：

步骤13)，如图3所示，通过式(11)，(12)和(13)，对锁相环估计的转子位置进行滑模观测器进行固有相位延迟和低通滤波延迟得到最终估计的转子位置

。

Claims (2)

1.一种改进的永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤A)，通过测量永磁同步电机在三相坐标系中的A相和B端电压u_a和u_b、A相和B相相电流i_a、i_b，利用带相位补偿的滑模观测器估计出永磁同步电机在静止坐标系下的扩展反电动势

步骤B)，利用估计的扩展反电动势使用改进的锁相环提取转子的位置和速度度，改进的锁相环提供了速度前馈环路，且电机的参考转速通过以下步骤获取；

对估计的扩展反电动势分别滤波得到：

其中，k₁为滤波器系数；

电机的两个参考转速和为：

其中k₂为增益系数，电机的参考转速为

2.根据权利要求1所述的一种改进的永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于，带相位补偿的滑模观测器的相位补偿角θ_ds为其中R、L分别为永磁同步电机的定子电阻、定子电感，k_s为滑模观测器的增益，k_f为滑模观测器开关函数的等效增益，为估计的电机的角速度。