CN109600089A - 一种基于新型反电势观测器的永磁电机无位置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新型反电势观测器的永磁电机无位置控制方法。通过改进观测器的结构，使观测器对反电势信号具有良好的选择性。新型反电势观测器对高频扰动与低频扰动都具有强鲁棒性。通过锁相环可以从观测到的反电势中得到位置角与速度信息，启动阶段采用I/F启动。基于新型反电势观测器的永磁电机无位置控制方法，避免了位置传感器的安装，降低了成本，提高了位置角与速度的估计精度，提高控制系统系统的鲁棒性。新型反电势观测器解决了传统的反电势观测器截止频率与相角延时的矛盾。对比传统的反电势观测器，可以更好的估计出需要的反电势基波分量。

Description

一种基于新型反电势观测器的永磁电机无位置控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于新型反电势观测器的永磁电机的无位置控制方法，适用于轨道交通、航空航天、电动汽车等位置传感器安装成本高或者无法安装的情况。

背景技术

永磁电机拥有效率高、结构简单和成本低的优点。在航空航天、风力发电、物流运输和电动汽车等领域，具有非常广阔的应用前景。在永磁电机驱动控制系统中，精准的位置与速度信息是必不可少的。但是位置传感器的安装提高了成本，增加了重量，降低了控制系统的可靠性。同时，在一些环境恶劣的场合也限制位置传感器的安装。采用无位置控制可以降低成本，减小系统的复杂度，提高可靠性。

电机的无位置控制方法主要可以分为两类。第一类是基于电机凸极率的高频信号注入法。但是传统的高频注入法存在着滤波器带来的延时影响，估计位置角建立的旋转坐标系不稳定和引入电流谐波等问题。第二类是基于反电势的模型法。反电势中包含位置角和速度信息，因此可以通过锁相环从反电势中提取位置角和速度。但是在低速时反电势较小，难以获得，因此模型法适用于中高速域。通过测量电机的电压与电流，直接计算得出反电势，这种开环方法简单直接。但是计算时需要对电流进行微分，会放大噪声，导致反电势信号中存在大量噪声，降低得到的位置角精度。因此滑模观测器、扰动观测器、和模型参考自适应方法等闭环估计策略被提出。这些方法通过对反电势进行闭环估计可以很好的滤除估计反电势中的高频噪声，提高位置角估计精度。

通常，传统的反电势观测器可以等效成一个低通滤波器，通过调节观测器参数，可以调整观测器的截止频率。对于位置角估计来说，反电势中的谐波成分越低越好，因此要求观测器的截止频率低。但是，截止频率降低后会带来较大的相角延时，难以补偿。同时，除了高频噪声外，用传感器测量相电压与相电流时，直流偏置一般是无法避免的。观测器输入电压与电流的直流偏置同样也会恶化反电势的估计，降低估计角的位置精度。通过改进观测器的结构，新型反电势观测器与带通滤波器有相同的传递函数。通过调节观测器的参数，使观测器对反电势信号具有良好的选择性。同时，在启动阶段采用I/F启动方法，当电机运行到中高速域时，切换到改进型反电势观测器法，实现永磁电机的无位置运行。

发明内容

本发明的目的是设计新型反电势观测器，用反电势观测器滤除反电势中的高频扰动与低频扰动。新型反电势观测器提高了位置角估计精度，避免了位置传感器安装带来的问题。

本发明采用的技术方案是：一种基于新型反电势观测器的永磁电机无位置控制方法步骤如下：

步骤1，通过A/D采样获得永磁电机三相电流i_a，i_b，i_c的值，送入位置估计模块，在该模块中再通过Clarke变换得到两相静止坐标系下的电流i_α和i_β，同时在该模块中通过直流母线电压与占空比S_α、S_b、S_c进行计算,再进行Clarke变换获得两相静止坐标系下的电压u_α和u_β；

步骤2，在位置估计模块中，将两相静止坐标系下的电流i_α和i_β以及两相静止坐标系下的电压u_α和u_β作为新型反电势观测器的输入，得到观测器的输出D_α、D_β；

步骤3，通过锁相环，提取出D_α、D_β中的速度与位置角信息，考虑到观测器的稳定性，将给定转速n^*作为新型反电势观测器的输入，同时对转子位置角进行补偿；

步骤4，当电机处于启动阶段时，位置估计模块所估计的速度与位置角不参与控制，速度环开环，电流环给定q轴电流i_q ^*，d轴电流为0，给定位置角信号θ^*用于Park变换；

步骤5，当电机处于稳态时，采用恒流频比的方式启动切换至矢量控制，速度环闭环，位置估计模块所估计的速度与位置角参与控制。矢量控制通过给定速度与电机反馈速度做差，然后经过PI控制，得到q轴给定电流i_q ^*，同时q轴给定电流i_q ^*与反馈电流i_q做差通过PI控制得到给定电压u_q ^*,同样的d轴给定电流i_d ^*与反馈电流i_d做差通过PI控制得到给定电压u_d ^*,给定电压u_d ^*与u_q ^*通过旋转坐标系到静止坐标系变换的到静止坐标系下的给定电压u_α ^*与u_β ^*,给定电压u_α ^*与u_β ^*通过SVPWM模块得到占空比信号控制逆变器，从而控制电机。

进一步，所述步骤1中，两相静止坐标系下的电流i_α和i_β和两相静止坐标系下的电压u_α和u_β：

其中S_a，S_b，S_c为控制器输出的占空比，U_dc为直流母线电压值。

进一步，所述步骤2中，新型反电势观测器中引入两个新的变量D_αβ和d_αβ，重新建立电机的数学模型，其中d_αβ是观测器获得的反电势中的高次谐波与直流分量，而D_αβ是观测器得到的反电势除去d_αβ后的变量，电机的数学模型重建为：

式中：D_α、D_β和d_α、d_β分别代表在静止坐标系下，组成反电势e_α、e_β的分量；L_S、R_S分别为定子电感和定子电阻。

进一步，还包括：新型反电势观测器通过电流实际值与估计值的误差进行调节，分别得出D_αβ和d_αβ，以及得出观测器变量D_αβ与反电势e_αβ之间的传递函数，传递函数可以表示为：

e_αβ(s)＝u_αβ(s)-(LS+R)i_αβ(s)

G₁(s)＝k

联立上式，可以得到：

其中，u_αβ为静止坐标系下的电压，i_αβ为静止坐标系下的电流；控制器参数设置：k＝2Lw_c、k_p＝-R、k_i＝w₀ ²L，其中，R代表电机电阻，L代表电机电感；

式中：w_c为新型反电势观测器的截止频率，w₀为新型反电势观测器的谐振频率，通过如上的控制器参数设置，传递函数等效成一个带通滤波器的形式。

进一步，新型反电势观测器中，减小w_c，观测器频带变窄，对信号具有良好的选择性，w_c决定了控制器的带宽；w₀为谐振频率，决定了谐振点的位置，通过令电机电角速度w_e＝w₀，使得观测器得出的变量D_αβ的幅值与相角和反电势e_αβ相等，实现零相角延时与零幅值误差。

进一步，所述步骤3的具体过程为：

在电机稳态时，电机实际角速度约等于给定角速度，因此出于稳定性的考虑，令观测器的谐振频率w₀等于给定角速度；

通过观测器可得到D_α和D_β，D_α和D_β再经过锁相环得到估计的速度与位置角；

锁相环的输入误差表示为：

θ_e ^*代表反电势矢量的分量D_s的矢量角，当(θ_e ^*-θ_e)较小时，sin(θ_e ^*-θ_e)≈(θ_e ^*-θ_e)，当误差接近零时，估计位置角等于变量D_s的矢量角，K是系数；

但是用给定角速度代替观测器的谐振频率w₀会产生一定的相角误差，因此需要对误差进行补偿；角度补偿值推导式如下所示：

式中：w指代角频率，w_c为新型反电势观测器的截止频率，w₀为新型反电势观测器的谐振频率。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明中的新型反电势观测器模块，不同于传统的反电势观测器。传统的反电势观测器的传递函数通常是低通滤波器的形式，而新型反电势观测器的传递函数是带通滤波器的形式。新型反电势观测器解决了传统的反电势观测器截止频率与相角延时的矛盾。对比传统的反电势观测器，可以更好的估计出需要的反电势基波分量。换言之，新型反电势观测器对反电势基波分量具有很好的选择性。同时，观测器对传感器引起的直流偏置扰动也能有良好的抑制作用。

2)基于新型反电势观测器的无位置模块估计的位置角与速度具有较高的精度，解决了位置传感器安装成本高和在一些情况下安装困难的问题，降低了成本。

3)本发明同样适用于其他旋转或直线结构的永磁型同步电机的无位置控制。

附图说明

图1为基于新型反电势观测器的永磁电机无位置控制原理图；

图2为新型反电势观测器结构图；

图3为用于锁相环结构图；

图4为无位置估计模块结构图；

图5为电机变速运行时两相反电势波形图

图6为电机变速运行时估计位置角与实际位置角对比图；

图7为电机变速运行时估计转速与实际转速对比图；

图8为电机测量电流上加上0.3A直流偏置时两相反电势波形图；

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

步骤1：通过控制器A/D采样获得永磁电机三相电流i_a，i_b，i_c的值，再通过Clarke变换得到两相静止坐标系下的电流i_α和i_β。电压u_α和u_β通过直流母线电压与占空比S_α、S_b、S_c进行计算再进行Clarke变换获得。

其中S_a，S_b，S_c为控制器输出的占空比，U_dc为直流母线电压值。

步骤2：得知观测器的输入电流与电压后，可由观测器获得D_α、D_β。

永磁电机静止坐标系下重构的电压方程为：

其中R_s为电机电阻，L_s为电机电感，D_α、D_β和d_α、d_β分别代表在静止坐标系下，组成e_α、e_β的分量。

新型反电势观测器通过电流实际值与估计值的误差进行调节，可以分别得出D_αβ和d_αβ。通过对新型反电势观测器的结构进行分析，可以得出D_αβ与e_αβ之间的传递函数。传递函数可以表示为：

e_αβ(s)＝u_αβ(s)-(LS+R)i_αβ(s)

G₁(s)＝k

联立上式，可以得到：

控制器参数设置：k＝2Lw_c、k_p＝-R、k_i＝w₀ ²L

式中：w_c为新型反电势观测器的截止频率，w₀为新型反电势观测器的谐振频率。通过如上的控制器参数设置，传递函数可以等效成一个带通滤波器的形式。

新型反电势观测器主要有两个参数控制参数w_c和w₀。减小w_c，观测器频带变窄，对信号具有良好的选择性，w_c决定了控制器的带宽。w₀为谐振频率，决定了谐振点的位置，通过令电机电角速度w_e＝w₀，可以使得观测器得出的变量D_αβ的幅值与相角和反电势e_αβ相等，实现零相角延时与零幅值误差。

步骤3：通过锁相环，提取出D_α、D_β中的速度与位置角信息，考虑到观测器的稳定性，将给定角频率w^*作为观测器的输入，同时对转子位置角进行补偿。

通过观测器可得到D_α和D_β，D_α和D_β再经过锁相环可以得到估计的速度与位置角。锁相环结构如图3所示。

锁相环的输入误差可以表示为：

θ_e ^*代表变量D_s矢量角。当(θ_e ^*-θ_e)较小时，sin(θ_e ^*-θ_e)≈(θ_e ^*-θ_e)。当误差接近零时，估计位置角等于变量D_s的矢量角，K是系数。

但是用给定角速度代替观测器的谐振频率w₀会产生一定的相角误差，因此需要对误差进行补偿。无位置估计模块的结构框图如图4所示。

角度补偿值推导式如下所示：

本发明实例中锁相环PI环节参数取PPL-k_p＝15，PPL-k_i＝0.05。

步骤4，电机启动。

由于电机启动时，反电势较小，观测器估计精度不佳，因此启动阶段采用I/F启动。启动阶段时，观测器Observer仅做观测。同时速度环开环，电流环给定q轴电流i_q ^*A，d轴电流0A。给定位置角信号θ^*用于Park变换。

步骤5，当电机处于稳态时，将I/F启动切换至矢量控制，速度环闭环，无位置模块所估计的速度与位置角参与控制。直流母线电压设定为60V，转速给定600r/min，在1.6s时转速给定切换到800r/min，采用I/F启动，空载。图5为α-β坐标系下反电势波形图，e_α与e_β互差90度，并且正弦度较高，但由于直线电机本身存在边端效应与电机加工等问题，两相反电势的幅值大小有些不同，这不是观测器本身能够解决的。图6为估计的位置角与实际的位置角的比较图，估计位置曲线在真实位置曲线附近小范围内波动，角度估计误差在±20°范围内。图7为估计速度与实际速度的比较图，由图中可以看出，无论是稳态时还是动态时估计的速度波形都与实际的速度波形相吻合，估计速度误差大约在±60r/min范围内。实验结果证明了新型反电势法的位置估计和速度估计都具有较高精度。

图8是在测量电流上加上0.3A电流后观测器得到的反电势波形图。图中反电势没有因为电流的直流偏置影响而产生太大的变化，证明了观测器对低频扰动具有较好的抑制效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于新型反电势观测器的永磁电机无位置控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过A/D采样获得永磁电机三相电流i_a，i_b，i_c的值，送入位置估计模块，在该模块中再通过Clarke变换得到两相静止坐标系下的电流i_α和i_β，同时在该模块中通过直流母线电压与占空比S_α、S_b、S_c进行计算,再进行Clarke变换获得两相静止坐标系下的电压u_α和u_β；

步骤2，在位置估计模块中，将两相静止坐标系下的电流i_α和i_β以及两相静止坐标系下的电压u_α和u_β作为新型反电势观测器的输入，得到观测器的输出D_α、D_β；

步骤3，通过锁相环PPL，提取出D_α、D_β中的速度与位置角信息，考虑到观测器的稳定性，将给定转速n^*作为新型反电势观测器的输入，同时对转子位置角进行补偿；

步骤4，当电机处于启动阶段时，位置估计模块所估计的速度与位置角不参与控制，速度环开环，电流环给定q轴电流i_q ^*，d轴电流为0，给定位置角信号θ^*用于Park变换；

步骤5，当电机处于稳态时，采用恒流频比的方式启动切换至矢量控制，速度环闭环，位置估计模块所估计的速度与位置角参与控制。矢量控制通过给定速度与电机反馈速度做差，然后经过PI控制，得到q轴给定电流i_q ^*，同时q轴给定电流i_q ^*与反馈电流i_q做差通过PI控制得到给定电压u_q ^*,同样的d轴给定电流i_d ^*与反馈电流i_d做差通过PI控制得到给定电压u_d ^*,给定电压u_d ^*与u_q ^*通过旋转坐标系到静止坐标系变换的到静止坐标系下的给定电压u_α ^*与u_β ^*,给定电压u_α ^*与u_β ^*通过SVPWM模块得到占空比信号控制逆变器，从而控制电机。

2.根据权利要求1所述的基于新型反电势观测器的永磁电机无位置控制方法，其特征在于：所述步骤1中，两相静止坐标系下的电流i_α和i_β和两相静止坐标系下的电压u_α和u_β：

其中S_a，S_b，S_c为控制器输出的占空比，U_dc为直流母线电压值。

3.根据权利要求1所述的基于新型反电势观测器的永磁电机无位置控制方法，其特征在于：所述步骤2中，新型反电势观测器中引入两个新的变量D_αβ和d_αβ，重新建立电机的数学模型，其中d_αβ是观测器获得的反电势中的高次谐波与直流分量，而D_αβ是观测器得到的反电势除去d_αβ后的变量，电机的数学模型重建为：

式中：D_α、D_β和d_α、d_β分别代表在静止坐标系下，组成反电势e_α、e_β的分量；L_S、R_S分别为定子电感和定子电阻。

4.根据权利要求3所述的基于新型反电势观测器的永磁电机无位置控制方法，其特征在于：还包括：新型反电势观测器通过电流实际值与估计值的误差进行调节，分别得出D_αβ和d_αβ，以及得出观测器变量D_αβ与反电势e_αβ之间的传递函数，传递函数可以表示为：

e_αβ(s)＝u_αβ(s)-(LS+R)i_αβ(s)

G₁(s)＝k

联立上式，可以得到：

其中，u_αβ为静止坐标系下的电压，i_αβ为静止坐标系下的电流；控制器参数设置：k＝2Lw_c、k_p＝-R、k_i＝w₀ ²L，其中，R代表电机电阻，L代表电机电感；

式中：w_c为新型反电势观测器的截止频率，w₀为新型反电势观测器的谐振频率，通过如上的控制器参数设置，传递函数等效成一个带通滤波器的形式。

5.根据权利要求4所述的基于新型反电势观测器的永磁电机无位置控制方法，其特征在于：还包括，锁相环PI环节参数取PPL-k_p＝15，PPL-k_i＝0.05。

6.根据权利要求3所述的基于新型反电势观测器的永磁电机无位置控制方法，其特征在于：新型反电势观测器中，减小w_c，观测器频带变窄，对信号具有良好的选择性，w_c决定了控制器的带宽；w₀为谐振频率，决定了谐振点的位置，通过令电机电角速度w_e＝w₀，使得观测器得出的变量D_αβ的幅值与相角和反电势e_αβ相等，实现零相角延时与零幅值误差。

7.根据权利要求1所述的基于新型反电势观测器的永磁电机无位置控制方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程为：

在电机稳态时，电机实际角速度约等于给定角速度，因此出于稳定性的考虑，令观测器的谐振频率w₀等于给定角速度；

通过观测器可得到D_α和D_β，D_α和D_β再经过锁相环得到估计的速度与位置角；

锁相环的输入误差表示为：

θ_e ^*代表反电势矢量的分量D_s的矢量角，当(θ_e ^*-θ_e)较小时，sin(θ_e ^*-θ_e)≈(θ_e ^*-θ_e)，当误差接近零时，估计位置角等于变量D_s的矢量角，K是系数；

但是用给定角速度代替观测器的谐振频率w₀会产生一定的相角误差，因此需要对误差进行补偿；角度补偿值推导式如下所示：

式中：w指代角频率，w_c为新型反电势观测器的截止频率，w₀为新型反电势观测器的谐振频率。