CN109586635B - 一种永磁同步电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

一种永磁同步电机无位置传感器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，通过电流传感器采样得到永磁同步电机某三相电流ina、inb和inc，对采样电流ina、inb和inc坐标变换得到静止两相坐标系下电流iαβ和旋转两相坐标系下电流iq；根据位置辨识算法得到电机初始位置辨识值
Figure DDA0001933281240000011
利用转矩电流偏差Δiq确定位置扰动Δθ的大小和方向；通过对Δθ进行积分获得位置补偿量θadd，更新电机位置
Figure DDA0001933281240000012
作用到矢量控制系统中。采用该控制方法能提高永磁同步电机的功率因数和带载能力。

Description

一种永磁同步电机无位置传感器控制方法
技术领域
本发明属于电气信号检测领域，具体涉及一种永磁同步电机无机械式位置传感器控制方法，适用于永磁同步电机高性能、高功效控制场所，特别适于轮缘无浆推进和油源外转子电机等需要采用无位置传感器控制的领域。
背景技术
随着稀土永磁材料磁能积和内禀矫顽力的提高，永磁同步电机以其高功率因数、宽调速范围等优势在船舶推进、轨道交通等领域的应用日益广泛。但是，在高振动、高污染等恶劣工业应用情况下，传统编码器等机械式位置传感器会降低系统运行可靠性和安全性。因此，研究适用于永磁同步电机的无机械式位置传感器控制技术具有重要的应用价值。
根据转子位置和反电动势、定子电流、定子磁链等电磁状态量之间的关系，众多学者提出了一系列的位置辨识方法。2011年IEEE文献“A High-Speed Sliding ModeObserver for the Sensor-less Speed Control of a PMSM”(“基于滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制”，2011年IEEE工业电子期刊)以静止两相坐标系下电流为观测量，构建了二阶滑模观测器，进而应用反正切函数或者索性换从辨识反电动势中提取出位置信息。
中国发明专利CN 106411209A对传统滑模观测器进行了改进，提高了位置辨识方法的应用范围和鲁棒性。中国发明专利CN 105356806A向控制轴系注入方波电压信号，通过对滞后控制轴系45°的观测轴系进行信号处理，获得转子位置观测值。然而，现有的位置辨识方法有以下缺点：
1)无论采用何种位置辨识方法，都会由于电机模型准确性和观测器延时等因素造成位置辨识产生偏差，且该偏差在不同的工况下并不固定，无法离线补偿；
2)位置辨识偏差会导致电机功率因数下降，带载能力降低；
3)对位置辨识偏差进行补偿，都是通过提高观测器增益和阶数来实现，但算法比较复杂，容易引起系统不稳定，不适于工程应用。
发明内容
发明目的是针对以上问题，提出一种简单可靠、适于工程应用的永磁同步电机无位置传感器控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，用于电压型逆变器供电的三相或多相永磁同步电机，基于电流检测计算环节、转子位置辨识环节、位置扰动步长计算环节和位置补偿与作用环节组成的控制系统，步骤为步骤1，通过电流传感器采样得到永磁同步电机某三相电流ia、ib和ic，对采样电流ia、ib和ic坐标变换得到静止两相坐标系下电流iαβ和旋转两相坐标系下电流iq；
步骤2，根据位置辨识算法得到电机初始位置辨识值
Figure GDA0002621346610000021
步骤3，利用转矩电流偏差Δiq确定位置扰动Δθ的大小和方向；
步骤4，通过对Δθ进行积分获得位置补偿量θadd，更新电机位置
Figure GDA0002621346610000031
作用到矢量控制系统中。
其中，所述的步骤1具体包括：
步骤1.1，将静止三相坐标系下的电流ia、ib和ic通过3s/2s坐标变换得到静止两相坐标系下电流iα和iβ，计算式为：
Figure GDA0002621346610000032
步骤1.2，通过3s/2r坐标变换将静止三相坐标系下电流ia、ib和ic变换为旋转两相坐标系下电流iq，位置变换采用辨识值
Figure GDA0002621346610000033
计算式为：
Figure GDA0002621346610000034
其中，所述的步骤2中转子位置辨识值可以通过滑模状态观测器、高频信号注入等方法获得，也可以通过不同算法配合获得。
其中，所述的步骤3具体包括：
步骤3.1，位置扰动Δθ的步长a由转矩电流偏差Δiq绝对值决定；
步骤3.2，位置扰动Δθ的绝对值由位置扰动步长a决定，正负由符号函数sgn决定，位置扰动Δθ有最大变化限制值；
步骤3.3，若第一次计算位置扰动，根据经验设置Δθ的初始值和符号函数sgn；
步骤3.4，位置扰动步长a是转矩电流偏差Δiq正相关函数，两者之间可以为线性或指数等关系；
步骤3.5，若Δiq大于零，位置扰动Δθ方向与上次扰动方向相反，符号函数sgn取反；若Δiq小于零，位置扰动Δθ方向与上次扰动方向相同，符号函数sgn不变；若Δiq等于零，位置扰动Δθ＝0，符号函数sgn不变；
步骤3.6，对输出位置扰动Δθ进行上下限限制。
其中，所述的步骤4是通过对Δθ进行运算获得位置补偿量θadd，积分函数为：
θadd＝∫Δθdt，
位置补偿量θadd初始值为零，根据积分结果，更新电机位置
Figure GDA0002621346610000041
本发明的有益效果是：本发明将位置补偿寻优应用到永磁同步电机无机械式位置传感器控制中，能有效的削弱各种无位置传感器控制方法引起的位置偏差；将位置扰动步长与转矩电流建立数学关系，能有效的解决位置过补偿和欠补偿的问题；该方法简单易行，易于工程实现。
附图说明
图1为本发明控制方法示意图；
图2为本发明位置补偿量θadd变化波形图；
图3为本发明转矩电流iq变化波形图。
各附图标记为：1—电流检测计算环节，2—转子位置辨识环节，3—位置扰动步长计算环节，4—位置补偿与作用环节。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行说明。
如图1所示，本发明用于电压型逆变器供电的三相或多相永磁同步电机的控制系统由电流检测计算环节、转子位置辨识环节、位置扰动步长计算环节和位置补偿与作用环节组成，控制方法包括以下步骤：
步骤1，通过电流传感器采样得到永磁同步电机三相电流ia、ib和ic，根据某三相采样电流ia、ib和ic，通过坐标变换得到静止两相坐标系下电流iαβ和旋转两相坐标系下电流iq，具体包括：
步骤1.1，将静止三相坐标系下的电流ia、ib和ic通过3s/2s坐标变换得到静止两相坐标系下电流iα和iβ，计算式为：
Figure GDA0002621346610000051
步骤1.2，通过3s/2r坐标变换将静止三相坐标系下电流ia、ib和ic变换为旋转两相坐标系下电流iq，位置变换采用辨识值
Figure GDA0002621346610000052
计算式为：
Figure GDA0002621346610000053
步骤2，根据位置辨识算法得到电机初始位置辨识值
Figure GDA0002621346610000054
其中转子位置辨识值可以通过滑模状态观测器、高频信号注入等传统位置辨识算法获得，也可以通过不同算法配合获得。受电机模型、参数等特性的影响，该位置辨识初始值存在偏差。
步骤3，利用转矩电流偏差Δiq确定位置扰动Δθ的大小和方向。
其中：
步骤3.1，计算本次转矩电流iq(n)与上次iq(n-1)的偏差Δiq，位置扰动Δθ的步长a由转矩电流偏差Δiq绝对值决定；
步骤3.2，位置扰动Δθ的绝对值由位置扰动步长a决定，正负由符号函数sgn决定；
根据转矩电流偏差Δiq计算位置扰动步长a，方程式为：
Figure GDA0002621346610000061
其中，A和B为两种具体实时案例，k1和k2为正系数，正整数n为幂数。
步骤3.3，若第一次计算位置扰动，根据经验设置Δθ的初始值和符号函数sgn，Δθ设置为固定值，符号函数sgn为-1；
步骤3.4，位置扰动步长a是转矩电流偏差Δiq正相关函数，两者之间可以为线性或指数等关系；
步骤3.5，若非第一次计算位置扰动，若Δiq大于零，位置扰动Δθ方向与上次扰动方向相反，符号函数sgn取反；若Δiq小于零，位置扰动Δθ方向与上次扰动方向相同，符号函数sgn不变；若Δiq等于零，位置扰动Δθ＝0，符号函数sgn不变；
步骤3.6，对输出位置扰动Δθ进行上下限限制，若大于某上限限制值，Δθ固定为该限制值，若小于某下限限制值，Δθ也固定为该限制值。
步骤4，通过对Δθ进行积分获得位置补偿量θadd，更新电机位置
Figure GDA0002621346610000071
作用到矢量控制系统中。
具体是通过对Δθ进行运算获得位置补偿量θadd，积分函数为：
θadd＝∫Δθdt，
位置补偿量θadd初始值为零，根据积分结果，更新电机位置
Figure GDA0002621346610000072
以一台表贴式三相永磁同步电机为例具体说明该控制方法的实施方式。该电机额定功率为500kW，额定电压为450V，额定电流为400A，额定转速为120r/min，极对数为20。
步骤(1)，电机运行在额定负载工况下，采样三相电流ina、inb和inc，坐标变换得到静止两相坐标系下电流iαβ和旋转两相坐标系下电流iq，位置变换采用补偿后的辨识值
Figure GDA0002621346610000073
步骤(2)，根据二阶滑模状态观测器位置辨识算法得到位置辨识初始值
Figure GDA0002621346610000074
滑模观测器位置辨识偏差受电感参数影响；
步骤(3)，利用转矩电流偏差Δiq确定位置扰动Δθ的大小和方向。
计算转矩电流偏差，方程式为：
Δiq＝iq(n)-iq(n-1)
根据转矩电流偏差Δiq计算位置扰动步长a，方程式为：
a＝0.01*|Δiq|
若第一次计算位置扰动，Δθ设置为固定值-0.01(rad)，符号函数sgn设为-1；
若非第一次计算位置扰动，若Δiq大于零，位置扰动Δθ方向与上次扰动方向相反，符号函数sgn取反；若Δiq小于零，位置扰动Δθ方向与上次扰动方向相同，符号函数sgn不变；若Δiq等于零，位置扰动Δθ＝0，符号函数sgn不变；
输出位置扰动Δθ上下限限制值分别设置为0.04(rad)和-0.04(rad)。
步骤(4)，通过对Δθ进行积分获得位置补偿量θadd，更新电机位置
Figure GDA0002621346610000081
作用到矢量控制系统中。
对Δθ进行运算获得位置补偿量θadd，积分函数为：
θadd＝∑Δθ/fs
根据积分结果，更新电机位置
Figure GDA0002621346610000082
图2和图3为额定负载工况下，采用本发明控制算法位置补偿偏差θadd和电机转矩电流iq的变化图。
从图2可看出，由于受磁路铁磁材料饱和等因素的影响，无法得到准确电感参数，传统永磁同步电机无位置传感器控制方法位置偏差约为0.2(rad)，未施加该算法时电机转矩给定电流为399A左右。
从图3可以看出，同样的负载下，施加该算法时电机转矩给定电流减小至390A左右，功率因数约提高2.5％。受水电阻负载扰动的影响，图2和图3在控制过程中出现短暂过补偿和欠补偿的现象。
本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，基于电流检测计算环节(1)、转子位置辨识环节(2)、位置扰动步长计算环节(3)和位置补偿与作用环节(4)组成的控制系统，其特征在于：步骤为步骤1，通过电流传感器采样得到永磁同步电机三相电流ia、ib和ic，对采样电流ia、ib和ic坐标变换得到静止两相坐标系下电流iαβ和旋转两相坐标系下电流iq；
步骤2，根据位置辨识算法得到电机初始位置辨识值
Figure FDA0002621346600000011
步骤3，利用转矩电流偏差Δiq确定位置扰动Δθ的大小和方向：
步骤3.1，位置扰动Δθ的步长a由转矩电流偏差Δiq绝对值决定；
步骤3.2，位置扰动Δθ的绝对值由位置扰动步长a决定，正负由符号函数sgn决定；
步骤3.3，若第一次计算位置扰动，根据经验设置Δθ的初始值和符号函数sgn；
步骤3.4，位置扰动步长a是转矩电流偏差Δiq正相关函数，两者之间可以为线性或指数关系；
步骤3.5，若Δiq大于零，位置扰动Δθ方向与上次扰动方向相反，符号函数sgn取反；若Δiq小于零，位置扰动Δθ方向与上次扰动方向相同，符号函数sgn不变；若Δiq等于零，位置扰动Δθ＝0，符号函数sgn不变；
步骤3.6，对输出位置扰动Δθ进行上下限限制；
步骤4，通过对Δθ进行积分获得位置补偿量θadd，更新电机位置
Figure FDA0002621346600000012
作用到矢量控制系统中。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述的步骤1具体包括：
步骤1.1，将静止三相坐标系下的电流ia、ib和ic通过3s/2s坐标变换得到静止两相坐标系下电流iα和iβ，计算式为：
Figure FDA0002621346600000021
步骤1.2，通过3s/2r坐标变换将静止三相坐标系下电流ia、ib和ic变换为旋转两相坐标系下电流iq，位置变换采用辨识值
Figure FDA0002621346600000022
计算式为：
Figure FDA0002621346600000023
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述的步骤2中转子位置辨识值通过滑模状态观测器或高频信号注入方法获得。
4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述的步骤4是通过对Δθ进行运算获得位置补偿量θadd，积分函数为：
θadd＝∫Δθdt，
位置补偿量θadd初始值为零，根据积分结果，更新电机位置
Figure FDA0002621346600000024
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