CN110061675A - 一种永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法。该方法包括如下步骤：S1.基于永磁同步电机的电压方程建立优化函数；S2.通过拟牛顿迭代法对步骤S1中建立的优化函数进行求解得到电机转子的位置估计信息；S3.将步骤S2中得到的位置估计值作为锁相环的输入，经计算得到电机转子的速度估计值。经过计算，验证了本方法在电机全速范围内均为局部收敛，可以收敛在真值附近，因此本方法可以实现电机零速定位、启动、低速运行、高速运行等工况下的无位置传感器控制，且位置、速度估计精度高；本发明可以实现电机全速范围内的无位置传感器控制，精度较高，且无需在多种算法间切换，易于实现。

Description

一种永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

目前高性能的电机控制，如矢量控制和直接转矩控制，都需要知道转子位置和转速的准确信息才能实现磁场的定向和转速的控制。牵引电机控制系统中，为了提高系统可靠性，使系统具有容错运行的能力，需要在电机运行的过程中估计转子的位置，与转子位置编码器的数据相比较，判断电机故障状态，并能够在编码器故障的情况下，继续驱动电机运转。因此永磁电机的无位置传感器控制技术是当前的研究热点。

根据转速范围不同，无位置传感器PMSM控制技术主要可以分为两类：

一类适用于中高速运行，利用转子产生的反电势或者磁链中包含的转子位置信息进行转子位置和速度的估计。常用的有卡尔曼滤波器法、模型自适应参考法、观测器以及基于人工智能理论的方法。

另一类方法适用于零速或低速阶段。在电机静止时，往往使用高频注入的方法，使转子达到某一转速后切换到第一类方法进行位置和速度估计。目前常用的是脉振高频电压注入法、旋转高频电压注入法，通过解耦高频电流响应获取转子的位置和速度信息。

将零速、低速控制方法与中高速控制方法相结合是目前实现电机在全速范围内控制常用的方法。但此方法在不同算法之间切换时易发生震荡，且两种算法相结合导致在编程时程序算法复杂，不易于实施且鲁棒性差。

因此，目前仍需研究新型的永磁同步电机全速范围内的无位置传感器控制方法。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，旨在克服现有技术的缺陷，能够使永磁同步电机在无位置传感器的情况下实现零速定位、启动、低速运行、高速运行，并且无需再多种控制算法间进行切换，降低了传统控制算法的复杂程度，提高了可行性以及鲁棒性。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，该方法包括如下步骤：

S1.基于永磁同步电机的电压方程建立优化函数；

S2.通过拟牛顿迭代法对步骤S1中建立的优化函数进行求解得到电机转子的位置估计信息；

S3.将步骤S2中得到的位置估计值作为锁相环的输入，经计算得到电机转子的速度估计值。

进一步地，步骤S1中所述的优化函数是基于永磁同步电机两相静止坐标系下的电压方程构建的。

进一步地，步骤S2中所述的拟牛顿迭代法迭代过程中，采用Armijo-Goldstein准则确定迭代步长进行迭代。

进一步地，所述控制方法在电机零速定位、启动时仍需在电机的d轴注入高频电压，在控制完成后，仍需在d轴注入正负脉冲对电机极性进行判断。

有益效果：

与现有技术相比，本发明具有以下有优点：

1.本发明的永磁同步电机全速范围内无位置传感器控制方法，避免了永磁同步电机在不同转速下运行时需要频繁切换控制算法的弊端，提高了控制系统的鲁棒性；

2.由于在全速范围内，本发明的算法均使用，因此程序中只需要对本发明进行编程，大大节约了硬件资源。

3.仅在初始定位和刚启动时注入高频电压，无需像传统高频注入法一样持续注入较高幅值的高频电压，提高了系统的工作效率，减小了转矩脉动。

4.传统观测器方法需要进行稳定性分析、零极点设计。本发明为数值求解得到位置和速度估计信息，易于设计和实现。

附图说明

图1为本发明的工作流程图。

图2为本发明所用拟牛顿迭代法算法流程图。其中x为迭代值，y为优化函数，g为优化函数的梯度向量。

图3为PLL锁相环结构框图。

具体实施方式

图1是本发明的方法流程图，如图1所示，一种永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，电机初始位置定位。电机静止时，电机转速为0，电机电压电流也为零。为保证优化算法的正常进行，此时在d轴注入短时间的高频电压。经拟牛顿法迭代后，计算结果收敛在电机的实际初始位置或与初始位置相差π。再在电机d轴分别注入几个周期的正负脉冲，根据响应电流的幅值判断电机转子的极性，完成初始定位。

电机启动。电机刚启动时，由于电机转速较小，反电势较小，电压电流也较小。为保证优化算法的计算精度，此时在电机d轴持续注入高频电压，注入电压的幅值与转速成反比。由于高频电压的注入，保证电压电流采样值足够大，同时，将初始位置的定位值作为拟牛顿迭代法的迭代初值，能在较少的运算次数内使拟牛顿迭代法收敛在真实的电机位置附近。将电机位置的估计值作为锁相环的输入，经锁相环计算，得到电机转速的估计值。电机位置和速度的估计值作为输入参与到传统的FOC控制中对电机进行控制。

电机运行。无论电机运行在低速还是高速，其均满足电机的电压方程。通过电压电流采样，将上一时刻速度的估计值作为本时刻的速度值，将上一时刻的位置估计值作为本时刻的位置迭代初值，即可求解优化函数，得到电机位置的估计值。将电机位置的估计值作为锁相环的输入，经锁相环计算，得到电机转速的估计值。电机位置和速度的估计值作为输入参与到传统的FOC控制中对电机进行控制。

以内嵌式永磁同步电机为例解释本发明的工作原理。

内嵌式永磁同步电机两相静止坐标系下的电压方程如式(1)：

其中，u_α、u_β、i_α、i_β为α-β轴系下电机的电压、电流分量，θ_e为电机的电角度，ψ_f为永磁体磁链，ω_e为电机电角速度，p为微分算子，L_d、L_q为电机d轴和q轴的电感分量，

基于式(1)，式(2)构造优化函数如式(3)：

系统采样可获得电机的电流和电压值，由于电机转速的变化较慢，近似将上一时刻电机的速度估计值作为本次计算的速度值，此时优化函数的值只随变化而变化。由式(1)，式(2)知当等于转子实际位置θ时，优化函数取到最小值0。因此可以利用拟牛顿迭代法求解优化函数最小值问题，可得到精度较高的电机转子位置的估计值。其过程如下：

①给定迭代初值x₀和精度阈值ε，并令迭代矩阵D₀＝I,k＝0。

②确定迭代方向d_k＝-D_k·g_k

③迭代步长λ_k，令s_k＝λ_kd_k,x_k+1＝x_k+s_k

④若则算法结束

⑤计算

⑥计算

⑦令k＝k+1，转至第二步

为减少运算次数且保证算法收敛在电机转子位置真实值附近，利用Armijo-Goldstein准则来确定拟牛顿迭代法的迭代步长。最终，拟牛顿迭代法的收敛值即为电机位置的估计值。

将此估计值作为锁相环的输入，PLL锁相环采用PI调节器，其结构图如附图3，其传递函数如下：

将式(4)配置成如下形式：

由式(4)和式(5)得到：

根据控制要求，选取alpha的值，计算PLL锁相环具体参数。将位置估计值作为输入，经锁相环计算后得到电机转速的估计值。

由于电机在任何转速下运行均需满足其电压方程，故此方法适用于永磁同步电机全速运行范围，无需在运行过程中切换算法。

由于电机在零速和刚启动时，转速较低，反电势、电流、电压较小，为保证优化函数求解的精度，需要在d轴注入高频电压。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

S1.基于永磁同步电机的电压方程建立优化函数；

S2.通过拟牛顿迭代法对步骤S1中建立的优化函数进行求解得到电机转子的位置估计信息；

S3.将步骤S2中得到的位置估计值作为锁相环的输入，经计算得到电机转子的速度估计值。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，其特征在于：步骤S1中所述的优化函数是基于永磁同步电机两相静止坐标系下的电压方程构建的。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，其特征在于：步骤S2中所述的拟牛顿迭代法迭代过程中，采用Armijo-Goldstein准则确定迭代步长进行迭代。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，其特征在于：所述控制方法在电机零速定位、启动时仍需在电机的d轴注入高频电压，在控制完成后，仍需在d轴注入正负脉冲对电机极性进行判断。