CN110149082A - 一种电机三相电感不对称情况下的无位置传感器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电机三相电感不对称情况下的无位置传感器控制方法，包括：(1)在电机控制系统的电流环模块中采用附加谐振控制单元的比例谐振控制器；(2)在电机控制系统无位置传感器控制模块中的锁相环部分附加一个并联的谐振控制单元；(3)采用不对称电感参数辨识算法，通过谐振控制单元的谐波信息辨识出不对称电感参数，同时更新无位置传感器控制模块中的电感参数。利用本发明的方法，可以使电机的无位置传感器控制算法在三相电感不对称情况下，维持转速和位置估算的准确性和稳定性。

Description

一种电机三相电感不对称情况下的无位置传感器控制方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，尤其是涉及一种电机三相电感不对称情况下的无位置传感器控制方法。
背景技术
永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，永磁体作为转子产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流。
永磁同步电机具有较高的转矩密度、较高的效率，随着电机控制技术的发展，在电动汽车、风力发电等领域得到广泛的应用。
在控制永磁同步电机运行的过程中，如何准确得到转子的速度和相角信号是实现电机控制的关键点，通常可以使用装配在电机转轴上的编码器或者Hall传感器得到。然而，这种方式会给整个电机系统带来许多不可避免的问题，比如硬件成本的提高，系统的可靠性不能保证，同时在一些极端的场合永磁同步电机也因此不能很好运行。为了能够避免这些问题，无位置传感器控制方法通过检测一些方便测得的电信号，并经过合适的算法进行处理，从中估算出电机的转子速度和位置信号，实现系统闭环的控制。
根据适合运行的速度范围，永磁同步电机的无位置传感器控制方法大致可以分为两类。第一类为适用于零速和低速时的方法，主要是利用电机的凸极性估算的电机的位置信号，它主要包括：低频和高频信号注入法、电感测量法、“INFORM”法和载波频率成分法等。第二类为适用于中高速的方法，其主要是通过提取电机反电势信号的方法检测电机的位置和速度信号，主要包括：基于电机数学方程的直接计算法、模型参考自适应法、观测器法和人工智能算法等。
在理想情况下，上述无位置传感器控制方法均能准确的估算电机的位置和转速信号。然而在实际应用过程中，由于机械加工误差、绕组故障以及双三相电机的单套绕组运行等情况带来了电机的三相电感不平衡的问题。这时，不平衡电感将导致电机三相电压电流不对称和电感矩阵参数的变化，将影响无位置传感器控制算法的准确性和稳定性。所以，采取有效的改进措施来使得电机的无位置传感器控制方法在三相电感不对称情况下继续保持高性能工作具有重要意义。
发明内容
针对本领域电机控制过程中存在电机三相电感不平衡的问题，本发明提供了一种电机三相电感不对称情况下的无位置传感器控制方法，使电机的无位置传感器控制算法在三相电感不对称情况下，维持转速和位置估算的准确性和稳定性。
本发明的技术方案如下：
一种电机三相电感不对称情况下的无位置传感器控制方法，具体包括以下步骤：
(1)在电机控制系统的电流环模块中采用附加谐振控制单元的比例谐振控制器；
(2)在电机控制系统无位置传感器控制模块中的锁相环部分附加一个并联的谐振控制单元；
(3)采用不对称电感参数辨识算法，通过谐振控制单元的谐波信息辨识出不对称电感参数，同时更新无位置传感器控制模块中的电感参数。
电机三相电感不对称时，电机的三相电压电流将变得不对称，同时电感矩阵参数也将发生变化，影响无位置传感器控制算法的准确性和稳定性。
在无位置传感器控制模块中附加额外的谐振控制单元，消除由电感不对称带来的二次谐波误差，使得转速和位置的估算值保持平滑。通过谐振单元提供的二次谐波误差信息对不对称电感值进行参数辨识，进而修正无位置传感器控制算法中的电感参数，补偿电感参数值不精确带来的直流偏置误差，使得位置估算值保持准确。
步骤(2)中，所述的无位置传感器控制模块采用滑模观测器，滑模观测器的数学方程为：
其中，和为估算的两相静止坐标系下的电机电流，和为估算的两相静止坐标系下的电机电流微分值，iα和iβ为实测的两相静止坐标系下的电机电流，Eα和Eβ为重构的电机反电势信号，Eeqα和Eeqβ为滤波后的反电势信号，K为滑模观测器增益，l为滤波器输出的反馈增益，Rs为定子的相电阻，L为定子相电感，uα和uβ为两相静止坐标系下的电机电压。
为了兼顾收敛速度及其对谐振点的敏感性，所述谐振控制单元的传递函数G(s)可以设计为：
其中，Kr为谐振控制器的增益，ωc是与谐振控制器带宽相关的系数，ω为谐振频率点，s为复变量。
优选地，步骤(3)中，所述不对称电感参数辨识算法的公式为：
其中，ΔL为不对称的单相自感值，e2m为谐振控制单元的二次谐波误差幅值，ωe为电机的转子电角速度，iq为电机交轴电流。
所述不对称电感参数辨识算法基于id＝0的电机控制方法，其中id表示电机电流的直轴分量。
当电机单相自感不对称时，更新的电感参数可以表示为：
其中，ΔL为单相不对称电感值，L为发生三相电感对称时的电感参数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果；
1、本发明可以在三相电感不对称的情况下，消除无位置传感器控制模块中电感不对称带来的二次谐波误差，同时根据辨识出的不对称电感值修正电感参数，可保证无位置传感器控制算法的转速和位置估算的准确性。
2、本发明可以在三相电感不对称的情况下，消除由于电感不对称在交直轴电流中产生的二次谐波误差，同时准确估算电机的转速和位置信号，可保证电机转速和转矩信号控制平稳。
附图说明
图1为本发明一种电机三相电感不对称情况下的无位置传感器控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中电流环比例谐振控制器控制框图；
图3为本发明实施例中附加谐振单元的改进型锁相环控制框图；
图4为本发明实施例中的滑模观测器的控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明实施例针对电机无传感器控制方法采用滑模观测器的情况，如图1所示，一种电机三相电感不对称情况下的无位置传感器控制方法，具体步骤包括：
(1)在电机控制系统的电流环模块中采用附加谐振控制单元的比例谐振控制器。为了兼顾收敛速度及其对谐振点的敏感性，所述谐振控制单元的传递函数可以设计为：
其中，Kr为谐振控制器的增益，ωc是与谐振控制器带宽相关的系数，ω为谐振频率点。
电流环比例谐振控制器的控制框图如图2所示，电机电流环为交直轴解耦的闭环控制，控制器由一个比例积分控制和一个谐振控制器并联构成，控制器输入信号为给定交直轴电流与反馈的实测交直轴电流的差值。
(2)在采用滑模观测器的无位置传感器算法中的锁相环部分附加一个并联谐振控制单元。滑模观测器的数学方程为：
其中，和为估算的两相静止坐标系下的电机电流，iα和iβ为实测的两相静止坐标系下的电机电流，Eα和Eβ为重构的电机反电势信号，Eeqα和Eeqβ为滤波后的反电势信号，K为滑模观测器增益，l为滤波器输出的反馈增益。
附加谐振单元的改进型锁相环控制框图如图3所示，锁相环模块的输入为经过滤波后的反电势信号，误差信号经过附加的谐振控制器补偿后，输入到PI控制器中输出得到转子电角速度，再经过积分环节得到转子位置，同时反馈至系统输入端完成锁相环系统的闭环控制。
(3)采用不对称电感参数辨识算法，通过谐振控制单元的谐波信息辨识出不对称电感参数，同时更新无位置传感器控制模块中的电感参数。不对称电感参数辨识算法的公式为：
其中，e2m为谐振控制单元的二次谐波误差幅值，ωe为电机的转子电角速度，iq为电机交轴电流。
滑模观测器控制框图如图4所示，其中，Lupdate为根据不对称电感辨识只更新的新电感矩阵参数，improved PLL为改进的锁相环模块，current estimation为电流估算模块，low-pass filter为低通滤波器模块。
通过上述方法控制电机，可以在三相电感不对称的情况下，使得电机的转速控制保持平稳，同时由于消除了电感不对称带来的二次谐波误差，修正了不对称电感参数，可保证无位置传感器控制算法的转速和位置估算的准确性。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电机三相电感不对称情况下的无位置传感器控制方法，其特征在于，包括：
(1)在电机控制系统的电流环模块中采用附加谐振控制单元的比例谐振控制器；
(2)在电机控制系统无位置传感器控制模块中的锁相环部分附加一个并联的谐振控制单元；
(3)采用不对称电感参数辨识算法，通过谐振控制单元的谐波信息辨识出不对称电感参数，同时更新无位置传感器控制模块中的电感参数。
2.根据权利要求1所述的电机三相电感不对称情况下的无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的无位置传感器控制模块采用滑模观测器，滑模观测器的数学方程为：
其中，和为估算的两相静止坐标系下的电机电流，和为估算的两相静止坐标系下的电机电流微分值，iα和iβ为实测的两相静止坐标系下的电机电流，Eα和Eβ为重构的电机反电势信号，Eeqα和Eeqβ为滤波后的反电势信号，K为滑模观测器增益，l为滤波器输出的反馈增益，Rs为定子的相电阻，L为定子相电感，uα和uβ为两相静止坐标系下的电机电压。
3.根据权利要求1所述的电机三相电感不对称情况下的无位置传感器控制方法，其特征在于，所述谐振控制单元的传递函数G(s)为：
其中，Kr为谐振控制器的增益，ωc是与谐振控制器带宽相关的系数，ω为谐振频率点，s为复变量。
4.根据权利要求1所述的电机三相电感不对称情况下的无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤(3)中，所述不对称电感参数辨识算法的公式为：
其中，ΔL为不对称的单相自感值，e2m为谐振控制单元的二次谐波误差幅值，ωe为电机的转子电角速度，iq为电机交轴电流。
5.根据权利要求4所述的电机三相电感不对称情况下的无位置传感器控制方法，其特征在于，所述不对称电感参数辨识算法基于id＝0的电机控制方法，其中id表示电机电流的直轴分量。
6.根据权利要求1所述的电机三相电感不对称情况下的无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤(3)中，当电机单相自感不对称时，更新的电感参数可以表示为：
其中，ΔL为单相不对称电感值，L为发生三相电感对称时的电感参数。
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