CN109150048A

CN109150048A - 一种无位置传感器的永磁同步电机复合控制系统

Info

Publication number: CN109150048A
Application number: CN201811083677.0A
Authority: CN
Inventors: 周永勤; 马正男; 赵鹏舒; 王宁
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2018-09-17
Filing date: 2018-09-17
Publication date: 2019-01-04

Abstract

本发明涉及一种无位置传感器的永磁同步电机复合控制系统，包括整流逆变单元、PMSM单元、驱动单元、电流采样单元和DSP处理单元，整流逆变单元包括整流器和逆变器，逆变器输出端分别与PMSM单元输入端和电流采样单元输入端建立连接关系，电流采样单元输出端通过依次连接的DSP处理单元和驱动单元与逆变器的输入端建立连接关系，DPS处理单元采用速度环控制方式对PMSM单元进行控制。本发明引入滑模观测器来间接观测计算转子位置，消除使用物理位置传感器带来的弊端。同使用PI调节器和重复控制器并联的速度环复合控制方案改善系统中永磁同步电机的外环控制效果。

Description

一种无位置传感器的永磁同步电机复合控制系统

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种无位置传感器的永磁同步电机复合控制系统。

背景技术

近年来，伴随着电力电子硬件的快速发展以及电机控制理论的不断完善，使永磁同步电机调速系统在工业生产与日常民用等电机拖动领域获得了广泛的应用。为了保证控制的永磁同步电机具有稳定的运行性能，通过安装的位置传感器检测出电机的转子位置和转速实时信息是闭环控制的必要环节。

然而，目前传统的位置检测方式一般在电机的一侧安装传感器的方法来检测电机的位置信息，如旋转变压器、光电编码器等硬件传感器。但硬件传感器的存在会增加机械构造的复杂程度以及电机的制造成本，而且类似湿度、温度、振动、粉尘等外界客观因素在一定程度上也限制了永磁同步电机在特殊场合的应用。为了消除使用硬件位置传感器在一些应用场合的弊端，在特殊场合应用无位置传感器的控制系统，通过滑模观测器来观测计算电机位置，一般在构造的滑模观测器中，滑模观测的控制函数大多数使用的非连续的符号函数sign(x)，但是这种方式会加剧系统的抖振现象。因此，提出一种抑制抖振现象并准确观测转子位置的方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种无位置传感器的永磁同步电机复合控制系统，能够在永磁同步电动机不安装位置传感器的情况下通过改进的滑模观测器检测计算永磁同步电机转子位置，并在速度环加入了改进的重复控制器，提高了永磁同步电机无位置控制系统的稳定性。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种无位置传感器的永磁同步电机复合控制系统，包括整流逆变单元、PMSM单元、驱动单元、电流采样单元和DSP处理单元，整流逆变单元包括整流器和逆变器，逆变器输出端分别与PMSM单元输入端和电流采样单元输入端建立连接关系，电流采样单元输出端通过依次连接的DSP处理单元和驱动单元与逆变器的输入端建立连接关系，DPS处理单元采用速度环控制方式对PMSM单元进行控制。

进一步地，速度环控制包括并联连接的PI调节器和重复控制器，重复控制器包括时间延迟模块，零相位跟踪误差模块和滤波器模块，零相位跟踪误差模块与时间延迟模块之差输入给滤波器模块，控制器总输出u(k)为PI调节器和重复控制器输出之和：

u(k)＝u_PI(k)+u_RP(k)

式中，u_PI(k)为PI调节器的输出控制量，u_RP(k)为重复控制器输出；

进一步地，速度环控制在非周期性与周期性信号或负载切换时的算法具体过程：

式中，u_RP(k)为重复控制器输出，u_RP(k+1)＝0为重复控制器u_RP(k)下一拍输出， u_RP(k+N-1)＝0为第k+N-1拍输出，N为采样个数，G_RP(z)为重复控制器传递函数，e_limit为当前误差信号与上个误差信号之差绝对值的阈值，e(k+N)为第k+N拍的误差，e(k+N-1)为第k+N-1拍误差；

进一步地，所述滤波器模块的传递函数为：

式中，T为周期信号的周期，T_S为采样周期，m为一个周期采样点个数，z为z变换的变量(和拉普拉斯变换传递函数中的s一样)，α为[0,1)之间的数，α参数选择控制了重复控制器的性能，越小的α快速性越好，但是会放大非周期信号的扰动，α较大时会减弱对非周期性扰动的放大问题，快速性变差，当α＝1时，重复控制器将不起作用；

进一步地，系统的灵敏度函数近似于：

式中，PC为程序计数器。

由滤波器模块和灵敏度函数公式可知，重复控制器的性能只和α有关，越小的α收敛速度越快，但是稳定性越差，当α＝1时，重复控制器关闭。时间延时模块使得本控制周期的误差信号可以影响到下个控制周期的控制量，每个周期的偏差一直在被重复使用。零相位跟踪模块给系统增加了前馈环节，使重复控制器实时跟踪输入信号，增强了重复控制器的跟踪性能。重复控制器输出不能通过零相位跟踪模块和时间延迟模块消除系统中的非周期性扰动信号。因此，滤波器模块用于提取进入重复控制器中的周期性信号，并抵消时间延时模块m步延时效应。

进一步地，所述速度环控制具体过程为：

在永磁同步电机控制系统中的非周期信号，一个为变化的给定速度指令信号，另一个是系统运行过程中的负载的突变。当系统处于稳定运行状态时，系统运行所需的控制量为PI调节器与重复控制器的共同输出。一旦发现系统的跟踪误差突然变大，关闭重复控制器，由PI 控制器单独起作用。在系统辨别出非周期性信号或扰动消除时，重复控制器被起用。在经过一个周期过后，重复控制器作用增强并产生调节作用使跟踪误差减小，而PI调节器的控制作用减弱一些，它们共同起作用，其中PI控制器的输出占主要作用，重复控制器的输出用来消除周期性的扰动，系统又重新达到新的稳定运行状态。

进一步地，所述速度环控制包括信号识别和切换算法，对周期性或非周期性扰动信号产生的速度扰动进行了有效识别。

所述DSP处理单元包括滑模观测器，所述滑模观测器包括电流观测单元、开关函数单元、反电动势观测单元、滑模观测单元、低通滤波器和角度补偿单元，并联连接的电流观测单元、开关函数单元和反电动势观测单元输出端均与滑模观测单元的输入端建立连接关系，滑模观测单元输出端与低通滤波器输入端建立连接关系，低通滤波器输出端和角度补偿单元输入端建立连接关系，并采用连续的双曲正切函数来取代符号函数，使滑模观测器不仅具有符号函数的开关特性，而且能简单的抑制不连续行抖振现象。并且系统构建了一个与反电动势观测误差、前级滑模反电动势输出与观测转速结合的线性反馈滑模观测器。经过重构的滑模观测器，获得的等效反电动势经后级滤波器再进行一次低通滤波，输出转子位置信息。

进一步地，永磁同步电机在两相静止坐标系下电机的电流状态方程为式(1)：

式中，i_α、i_β分别为两相静止坐标系下的电机实测电流，R_s为电机的相电阻，L_s为电机的相电感，u_α、u_β为两相静止坐标系下电机α、β轴上的电压，e_α、e_β为α、β轴上的反电动势；

进一步地，电机的反电动势方程为式(2)：

式中，ψ_f为永磁同步电机转子磁链，ω_e为永磁同步电机转子电角速度。

进一步地，电机产生的反电动势是一个含转自位置与转速信息的正弦信号，滑模观测器的控制函数为式(3)：

式中，i_α、i_β分别为两相静止坐标系下的电机实测电流；分别为两相静止坐标系下的观测电流；分别为两相静止坐标系下观测的电流误差

进一步地，开关函数选用反正切函数，反正切函数公式为式(4)：

进一步地，由此构建的电流滑模观测器为式(5)：

式中，k_s为滑模观测器控制函数的切换增益。

进一步地，前置电流滑模观测器中的等效反电动势为式(6)：

式中，z_α、z_β为观测器估算的含有高频谐波的电机在α、β轴上反电动势等效值。

进一步地，转子位置的提取为式(7)：

式中ω₁为低通滤波器截止频率，e_{α_eq}、e_{β_eq}分别为两相静止坐标系下的等效反电动势。

进一步地，从观测的等效反电动势中提取出转自位置信息为式(8)：

式(8)中为未引入角度补偿的估算的转子位置角。

进一步地，线性反馈滑模观测器的设计：

对式(2)求导得式(9)：

进一步地，电机的转速变化频率远小于系统的采样频率，可以忽略单个采样周期内转速的变化，所以式(9)可以简化为式(10)：

进一步地，由反电动势及其误差值的组合所构造出的观测器滑模面为式(11)：

式中为滑模观测器观测的反电动势，为反电动势的观测误差值。

进一步地，带线性反馈的反电动势-速度滑模观测器为式(12)：

式中，为滑模观测器观测的电机转速。

进一步地，可得重估的反电动势差动方程为式(13)：

为滑模观测器观测的转速误差值，λ为滑模观测器的增益系数，l为大于零的常数增益。

进一步地，前级电流滑模观测器与后级反电动势转速滑模观测器需要进行两次滤波处理因此需要对滤波产生的相位延迟进行补偿为式(14)：

式中，Δθ₁、Δθ₂分别为两级滤波的相位补偿角，为永磁同步电机转子位置角，ω为电机机械角速度，ω₁为前级反电动势转速滑模观测器滤波截止频率，ω₂为后级反电动势转速滑模观测器滤波截止频率。

进一步地，这里采用一种截止频率随转速变化的低通滤波器，其变截止频率为式(15)：

进一步地，两个低通滤波器为式(16)：

式中，k_ω1、k_ω2为常数，

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、消除了使用硬件位置传感器在一些应用场合的弊端，本发明可以在特殊场合应用无位置传感器的控制系统；

2、通过改变滑模观测器的控制函数，抑制了传统滑模观测器中的抖振问题；

3、构建了一个与反电动势观测误差、前级滑模反电动势输出与观测转速结合的线性反馈滑模观测器，得到优化的反电动势进行转子位置的准确观测；

4、在永磁同步电机速度控制环上采用了PI调节器并联改进的重复控制器，改善了PI调节器对周期性信号的跟踪不好的问题，改进的重复控制器改善了对非周期型信号的放大问题；

5、加入了信号识别和切换算法，对周期性或非周期性扰动信号产生的速度扰动进行了有效识别，系统中周期性信号和非周期性信号扰动产生的转速和转矩脉动得到了良好的改善。

附图说明

图1示出了本发明的总体控制结构图；

图2示出了本发明的主电路拓扑图；

图3示出了本发明的驱动单元电路图；

图4示出了本发明的电流检测电路图；

图5示出了本发明的直流偏置电路图；

图6示出了本发明的主程序框图；

图7示出了本发明的子程序框图；

图8示出了本发明的滑模观测器结构框图；

图9示出了本发明的重复控制结构图。

具体实施方式

结合附图，说明本发明的实施例的具体过程如下：

DSP处理单元中的A/D模块将采集的电流信号分别输入到坐标变换1模块和滑模观测器，坐标变换输出id、iq电流，滑模观测器通过A/D模块采集的电流观测出电机旋转速度ω，观测的电机旋转速度ω和给定电机速度ω^*做差经过重复控制器和速度PI调节器并联输出q 轴电流的给定值iq^*，坐标变换1模块输出的id、iq分别与给定的id^*、iq^*做差，他们的差值分别经过两个PI模块输出Ud、Uq，进入坐标变换2模块，坐标变换2模块输出端与SVPWM调制的输入端相连，SVPWM调制输出通过驱动单元驱动逆变器，最终驱动电机旋转。

DPS处理单元主控芯片选择TI公司的TMS320F28335，系统时钟150MHz，该芯片具有浮点运算功能，运算速度快，精度高，具有增强型的PWM发生器，对PWM的控制更加精细。

整流逆变单元结构为交－直－交拓扑，即先整流再逆变的结构，包括依次相连接的整流模块、滤波模块和逆变模块，所述整流模块与滤波模块之间设有限流模块，所述整流器是由二极管构成的三相不控整流系统，逆变器由IGBT与二极管反向并联组成的三相电压型逆变装置。由于系统刚上电时母线上的电容处于断路状态，通过限流模块限制电流，在电容充满电后，交流接触器闭合，将限流模块短路，有效防止了启动时电流过大。

驱动单元采用IGBT专用集成驱动EXB841，最大输出电流可达4A，能满足中小功率大部分型号的IGBT驱动。最大正向驱动电压为20V，反压为-5V。输入电流大10mA模块即可开始工作。EXB841电源端2的电压为20V，隔离电源端9接地并且分别与电源端2和滤波电容端1并联电容，隔离电源端9和电源端2并联电容作用是给电源电压滤波，隔离电源端 9和滤波电容端1并联电容作用为将用于关断IGBT的反偏电压滤波，过流保护输出端5将输出过流信号并通过TLP521将信号传递给过流保护输出，驱动信号的输入正极端15和驱动信号的输入负极端14脚分别连接驱动信号，驱动信号输出端3通过驱动电阻R_G驱动IGBT。

电流采样电路包括采样电路和直流偏置电路。采样电路由霍尔传感器CHB-50SF采集定子电流，CHB-50SF电流输入端IN引脚和电流输出端OUT分别由+15V和-15V供电，输出端M经过采样电阻R₆变为电压信号，这个电压信号经过由滤波电阻R₇和滤波电容C₁₂组成的滤波器通过第一运算放大器单元的第一运放U6A的反向输入端，第一运放U6A的同相输入端与第一运放U6A的输出端建立连接关系构成跟随器。第一运放U6A的输出端经过第一限流电阻R8与第二运算放大器单元的第二运放U7A的同相输入端建立连接关系，直流偏置电路中输出的直流偏置电压U0经过第二限流电阻R9与第二运放U7A的同相输入端建立连接关系，第二限流电阻R9的输出经过第三限流电阻R10和第二运放U7A的输出端建立连接关系，第二运放U7A的反向输入端通过第一接地电阻R11接地；串联连接的第三限流电阻R10和第四限流电阻R12与第三运放U7B的反相输入端建立连接关系，反馈电阻R14两端分别与第三运放U7B的反相输入端和输出端建立连接关系，第三运放U7B的同相输入端通过第二接地电阻R13接地。第三运放U7B的的输出端通过第一二极管D5和第二二极管D6箝位电路输出给DSP的A/D转换模块。

直流偏置电路采用TL431电源基准芯片，基准电压为2.5V。经过分压电阻分压处理后得到3V稳定电压，再经过高精度电阻进行分压处理，得到所需的直流偏置电压U0，得到的直流偏置电压U0与第四运放的同相输入端建立连接关系，第四运放的反相输入端与第四运放的输出端建立连接关系，构成了电压跟随器，直流偏置电压U0经过电压跟随器后输出得到稳定的直流量，第四运放的正负电压端分别接入+15V电源和-15V电源。

所述第一运算放大器单元和第二运算放大器单元型号为LM358。

本系统的软件控制器采用DSP28335作为中央处理器，利用滑模观测器计算转子位置实现PMSM的矢量控制双闭环系统。主程序主要包括系统、外设等初始化部分和主循环部分，控制框图如图6。

图6(a)为初始化程序流程图，在程序开始后，依次经过系统初始化、中断向量初始化、功能模块初始化、全局变量及控制参数初始化，最后进入主循环中，在主循环中一直循环。

图6(b)为主循环流程图，系统运行时，如果有中断申请则进入中断子程序，如果没有中断申请，指针将停留在主程序中的循环语句中等待，进入主循环后要判断工作模式是否改变，若工作模式没有改变则进行通讯模块设置、中断使能操作，若工作模式改变，则需要等待中断标志位清零。

图7为中断子程序流程图，进入中断子程序后首先要清中断标志保护现场，然后判断是否为转速采样周期，如果是转速采样周期则计算转速，计算转速后判断是否需要启动重复控制器，如果需要启动重复控制器则进入速度PI调节器和重复控制输出，得到的输出量进入电流采样，如果不需要启动重复控制器，则直接进入PI调节器，PI调节器输出后进入电流采样。如果程序判断不是转速采样周期，则直接进入电流采样。电流采样之后，程序依次经过Clark 变换、滑模观测器，q轴电流PI调节、d轴电流PI调节，反Park变换、空间矢量PWM计算环节、PWM寄存器更新，最后运行中断返回，中断子程序结束。

本发明的实施例的上述描述是为了示例和说明的目的而给出的。它们并不是穷举性，也不意于将本发明限制于这些精确描述的内容，在上述教导的指引下，还可以有许多改动和变化。这些实施例被选中和描述仅是为了最好解释本发明的原理以及它们的实际应用，从而使得本领域技术人员能够更好地在各种实施例中并且使用适合于预期的特定使用的各种改动来应用本发明。因此，应当理解的是，本发明意欲覆盖在下面权利要求范围内的所有改动和等同。

Claims

1.一种无位置传感器的永磁同步电机复合控制系统，包括整流逆变单元、PMSM单元、驱动单元、电流采样单元和DSP处理单元，其特征在于：所述整流逆变单元包括整流器和逆变器，逆变器输出端分别与PMSM单元输入端和电流采样单元输入端建立连接关系，电流采样单元输出端通过依次连接的DSP处理单元和驱动单元与逆变器的输入端建立连接关系，所述DSP处理单元采用速度环控制方式对PMSM单元进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种无位置传感器的永磁同步电机复合控制系统，其特征在于：所述速度环包括并联连接的速度PI调节器和重复控制器，重复控制器包括时间延迟模块，零相位跟踪误差模块和滤波器模块，零相位跟踪误差模块与时间延迟模块之差输入给滤波器模块，控制器总输出u(k)为速度PI调节器和重复控制器输出之和：

u(k)＝u_PI(k)+u_RP(k)

式中，u_PI(k)为PI调节器的输出控制量，u_RP(k)为重复控制器输出。

3.根据权利要求2所述的一种无位置传感器的永磁同步电机复合控制系统，其特征在于：所述速度环控制具体过程为：

(1)当系统处于稳定运行状态时，系统运行所需的控制量为PI调节器与重复控制器的共同输出；

(2)当系统的跟踪误差突然变大，或者系统中存在非周期性信号扰动时，关闭重复控制器，由PI控制器单独起作用；

(3)当系统跟踪误差在阈值范围内，或者非周期性扰动信号消除时，重复控制器开启，并使重复控制器和PI控制器同时作用，其中PI控制器占主导作用，重复控制器用来消除周期性的扰动。

4.根据权利要求3所述的一种无位置传感器的永磁同步电机复合控制系统，其特征在于：所述速度环在非周期性与稳定性运行时的信号识别和负载切换时过程如下：

式中，u_RP(k)为重复控制器输出，u_RP(k+1)＝0为重复控制器u_RP(k)下一拍输出，u_RP(k+N-1)＝0为第k+N-1拍输出，N为采样个数，G_RP(z)为重复控制器传递函数，e_limit为当前误差信号与上个误差信号之差绝对值的阈值，e(k+N)为第k+N拍的误差，e(k+N-1)为第k+N-1拍误差。

5.根据权利要求1所述的一种无位置传感器的永磁同步电机复合控制系统，其特征在于：所述DSP处理单元包括滑模观测器，所述滑模观测器包括电流观测单元、开关函数单元、反电动势观测单元、滑模观测单元、低通滤波器和角度补偿单元，并联连接的电流观测单元、开关函数单元和反电动势观测单元输出端均与滑模观测单元的输入端建立连接关系，滑模观测单元输出端与低通滤波器输入端建立连接关系，低通滤波器输出端和角度补偿单元输入端建立连接关系。

6.根据权利要求5所述的一种无位置传感器的永磁同步电机复合控制系统，其特征在于：所述电流观测单元的观测信号、反电动势观测单元的反电动势观测误差信号和前级滑模反电动势信号经过滑模观测单元，获得的等效反电动势，等效反电动势经后级滤波器再进行一次低通滤波，输出转子位置信息。

7.根据权利要求5所述的一种无位置传感器的永磁同步电机复合控制系统，其特征在于：所述滑模观测器中开关函数单元的控制函数为双曲正切函数。