CN110176889B - 一种永磁同步电机无速度传感器控制方法和系统 - Google Patents

一种永磁同步电机无速度传感器控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无速度传感器控制方法和系统，包括：构建用于获取电机负载转矩的负载转矩观测器和用于获取电机转速的转速观测器；根据所述负载转矩观测器、所述转速观测器以及构建的可调模型获得电机开环控制系统的截止频率和相位裕度；对所述负载转矩观测器进行参数整定，使所述截止频率和相位裕度满足设定要求；利用经过参数整定的负载转矩观测器获取负载转矩，并将获得的负载转矩输入所述转速观测器获得电机转速；利用获得的负载转矩和电机转速实现电机双闭环控制。本发明的无速度传感器控制方法利用电机机械模型，构建新的自适应率，不仅能够观测电机转速，还能观测负载转矩，简化了电机结构，降低了使用成本。

Description

一种永磁同步电机无速度传感器控制方法和系统
技术领域
本发明属于永磁同步电机无速度传感器技术领域，更具体地，涉及一种永磁同步电机无速度传感器控制方法和系统。
背景技术
永磁同步电机因其功率密度高、效率高、可靠性高、控制简单等优点被广泛应用于生产与生活中。在永磁同步电机磁场定向控制中，转速以及转子位置信息是必不可少的。然而，机械式传感器的安装会增加系统硬件的复杂性和成本，并且编码器的安装会增大电机轴向的长度。因此，实现永磁同步电机无速度传感器控制具有较高的实际应用价值，同时获得了国内外学者的大量关注。
永磁同步电机无速度传感器控制方法主要分为以下几种算法：直接计算法、磁链观测器、扩展反电动势法、模型参考自适应法、滑模观测器法、高频谐波注入法等。模型参考自适应法其原理是通过比较可调模型与参考模型的输出，并通过一定的自适应律调整可调模型中的待辨识参数使两个模型的输出达到一致。目前，常用的自适应率是通过Popov超稳定性理论设计的。然而，这种方法设计出的模型参考自适应算法只能观测电机的转速，而在电动汽车等应用领域中，上报至上位机的报文中需要提供转子位置以及电机负载转矩等信息，如果使用传统的模型参考自适应算法，只能够观测单一物理量(即转子位置)，因此为了能够同时对转子位置以及电机负载转矩进行同时观测，需要构建新的自适应率来对模型参考自适应算法进行改进。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种永磁同步电机无速度传感器控制方法和系统，旨在解决传统的模型参考自适应算法只能观测转子速度，无法观测电机负载转矩的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种永磁同步电机无速度传感器控制方法，包括：
(1)构建用于获取电机负载转矩的负载转矩观测器和用于获取电机转速的转速观测器；
(2)根据所述负载转矩观测器、所述转速观测器以及构建的可调模型获得电机开环控制系统的截止频率和相位裕度；
(3)判断所述截止频率和相位裕度是否满足设定要求，若是，则执行步骤(4)；若否，则对所述负载转矩观测器的控制参数进行整定，并返回执行步骤(2)；
(4)利用经过参数整定的负载转矩观测器获取负载转矩，并根据获取的负载转矩和所述转速观测器获取电机转速；
(5)利用获取的负载转矩和电机转速实现电机双闭环控制。
进一步地，所述步骤(1)具体包括：
根据电机机械模型得到
Figure BDA0002015297310000021
结合负载转矩稳定性条件pTL＝0，得到状态变量方程：
Figure BDA0002015297310000022
根据所述状态变量方程，得到负载转矩观测器的输入与输出关系为：
Figure BDA0002015297310000023
转速观测器的输入与输出关系为：
Figure BDA0002015297310000031
其中，p为微分算子，Te为电机电磁转矩，TL为电机负载转矩，J为转动惯量，np为电机极对数，ωr为转子角速度，
Figure BDA0002015297310000032
为转子角速度观测值，
Figure BDA0002015297310000033
为电机负载转矩观测值，β1、β2为可调参数，kp为比例控制参数，ki为积分控制参数，eω为转子角频率误差。
进一步地，所述步骤(2)具体包括：
对构建的可调模型进行线性化，得到可调模型传递函数GA(s)；
根据所述可调模型传递函数GA(s)、所述负载转矩观测器的输入与输出关系以及所述转速观测器的输入与输出关系，得到电机开环控制系统的开环传递函数Gop(s)；
将所述开环传递函数Gop(s)从时域转化到频域得到Gop(jω)；
根据|Gop(jωc)|＝1得到开环传递函数的截止频率ωc；
根据所述截止频率ωc得到开环传递函数的相位裕度
Figure BDA0002015297310000034
进一步地，所述负载转矩观测器的控制参数包括：比例控制参数kp及积分控制参数ki。
优选地，所述截止频率处的幅值增益应为-20dB/dec，所述相位裕度应大于或等于45°。
本发明另一方面提供了一种永磁同步电机无速度传感器控制系统，包括：负载转矩观测模块、转速观测模块及电机双闭环控制模块；
所述负载转矩观测模块，用于采集电机运行状态下的转子角频率误差eω，并根据所述转子角频率误差eω、比例控制参数kp及积分控制参数ki，获取电机负载转矩
Figure BDA0002015297310000035
所述转速观测模块，用于采集电机运行状态下的电磁转矩Te，并根据所述电磁转矩Te、获得的负载转矩
Figure BDA0002015297310000036
电机极对数np及转动惯量J，获取电机转速
Figure BDA0002015297310000041
所述电机双闭环控制模块，用于根据获得的负载转矩
Figure BDA0002015297310000042
和电机转速
Figure BDA0002015297310000043
实现电机双闭环控制。
进一步地，所述转子角频率误差eω、比例控制参数kp及积分控制参数ki与电机负载转矩
Figure BDA0002015297310000044
之间关系为：
Figure BDA0002015297310000045
所述负载转矩
Figure BDA0002015297310000046
电机电磁转矩Te、电机极对数np及转动惯量J与电机转速
Figure BDA0002015297310000047
之间关系为：
Figure BDA0002015297310000048
进一步地，所述负载转矩观测模块包括：截止频率和相位裕度获取单元及参数整定单元；
所述截止频率和相位裕度获取单元，用于获取包括所述负载转矩观测模块、所述转速观测模块以及可调模型的电机开环控制系统的截止频率ωc和相位裕度
Figure BDA0002015297310000049
所述参数整定单元，用于对所述负载转矩观测模块控制参数进行整定，直至所述截止频率ωc和相位裕度
Figure BDA00020152973100000410
满足设定要求。
进一步地，所述负载转矩观测模块的控制参数包括：比例控制参数kp和积分控制参数ki。
进一步地，所述截止频率的设定要求为：所述截止频率处的幅值增益为-20dB/dec；所述相位裕度的设定要求为：所述相位裕度大于或等于45°。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
本发明在传统的模型参考自适应方法的基础上，根据电机机械模型构建负载转矩观测器和转速观测器，不仅能够观测电机转速，还能观测负载转矩，相比传统通过扭矩传感器观测负载转矩的方式，简化了电机结构，降低了使用成本。
附图说明
图1是本发明实施例的一种永磁同步电机无速度传感器控制方法流程图；
图2是本发明实施例的新的自适应率原理示意图；
图3是本发明可调模型线性化示意图；
图4是本发明实施例的自适应参数整定流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，本发明的一种永磁同步电机无速度传感器控制方法，包括：
步骤1：根据永磁同步电机数学模型构建可调模型；
具体地，根据两相旋转坐标系下的永磁同步电机数学模型得到：
Figure BDA0002015297310000051
其中，p为微分算子，id、iq分别为定子侧d轴和q轴电流，ud、uq分别为定子侧d轴和q轴电压，ωr为转子角速度，Rs为定子电阻，Ls为定子等效电感，λm为转子磁链，kT为转矩常数；
根据式(1)，将电流状态方程重新定义为：
pi＝Ai+Bu (2)
其中，i为等效定子电流矩阵，
Figure BDA0002015297310000061
A、B为系数矩阵，
Figure BDA0002015297310000062
u为等效定子电压矩阵，
Figure BDA0002015297310000063
i′d、iq′分别为定子侧d轴和q轴等效电流，u′d、u′q分别为定子侧d轴和q轴等效电压；
构建得到可调模型：
Figure BDA0002015297310000064
其中，
Figure BDA0002015297310000065
为观测得到的等效定子电流矩阵，
Figure BDA0002015297310000066
Figure BDA0002015297310000067
为观测得到的系数矩阵，
Figure BDA0002015297310000068
Figure BDA0002015297310000069
和
Figure BDA00020152973100000610
分别为d轴和q轴等效定子电流观测值，
Figure BDA00020152973100000611
为转子角速度观测值。
步骤2：构建用于获取电机负载转矩的负载转矩观测器和用于获取电机转速的转速观测器；
具体地，新的自适应率包括负载转矩观测器和转速观测器，其中负载转矩观测器的构建过程如图2所示，根据电机机械模型
Figure BDA00020152973100000612
得到
Figure BDA00020152973100000613
结合负载转矩稳定性条件pTL＝0，可得状态变量方程：
Figure BDA00020152973100000614
对状态变量方程进行积分，并考虑积分初值，可得负载转矩观测器的输入与输出关系为：
Figure BDA0002015297310000071
转速观测器的输入与输出关系为：
Figure BDA0002015297310000072
其中，Te为电机电磁转矩，TL为电机负载转矩，J为转动惯量，np为电机极对数，ωr为转子角速度，p为微分算子，
Figure BDA0002015297310000073
为转子角速度观测值，
Figure BDA0002015297310000074
为电机负载转矩观测值，β1、β2、β3为可调参数，kp为P参数，ki为I参数，
Figure BDA0002015297310000075
为转子角频率误差。
步骤3：根据所述负载转矩观测器、所述转速观测器以及构建的可调模型获得电机开环控制系统的截止频率和相位裕度；
具体地，对可调模型进行线性化，线性化过程如图3所示，得到：
Figure BDA0002015297310000076
其中，
Figure BDA0002015297310000077
为状态变量误差，
Figure BDA0002015297310000078
为转子角频率误差，J为常数矩阵，
Figure BDA0002015297310000079
根据模型参考自适应算法稳定性条件：
Figure BDA00020152973100000710
得到可调模型的传递函数GA(s)：
Figure BDA00020152973100000711
在实际工况中忽略负载转矩产生的影响，可调模型传递函数GA(s)可简化为：
Figure BDA0002015297310000081
根据可调模型传递函数GA(s)，负载转矩观测器的输入与输出关系式(5)以及转速观测器输入与输出关系式(6)，得到电机开环控制系统的开环传递函数Gop(s)：
Figure BDA0002015297310000082
如图4所示，将开环传递函数Gop(s)从时域转化到频域得到Gop(jω)；根据|Gop(jωc)|＝1计算开环传递函数的截止频率ωc；将截至频率ωc代入开环传递函数Gop(s)式(11)中，得到开环传递函数的相位裕度
Figure BDA0002015297310000083
其中，∠Gop(jωc)为频域下相角。
步骤4：对所述负载转矩观测器和转速观测器进行参数整定，使所述截止频率和相位裕度满足设定要求；
具体地，判断截止频率ωc以及相位裕度
Figure BDA0002015297310000084
是否满足：(1)穿越截止频率处的幅值增益应当为-20dB/dec；(2)相位裕度
Figure BDA0002015297310000085
如不满足，则调整负载转矩观测器的比例控制参数kp及积分控制参数ki，重复执行步骤3直至截止频率ωc和相位裕度
Figure BDA0002015297310000086
满足要求。
步骤5：利用经过参数整定的负载转矩观测器获取负载转矩，并根据获得的负载转矩和所述转速观测器获取电机转速，利用获得的负载转矩和转速实现电机双闭环控制。
本发明实施例还提供了一种永磁同步电机无速度传感器控制系统，包括：负载转矩观测模块、转速观测模块及电机双闭环控制模块；
所述负载转矩观测模块，用于采集电机运行状态下的转子角频率误差eω，并根据所述转子角频率误差eω、比例控制参数kp及积分控制参数ki，获取电机负载转矩
Figure BDA0002015297310000091
所述转速观测模块，用于采集电机运行状态下的电磁转矩Te，并根据所述电磁转矩Te、获得的负载转矩
Figure BDA0002015297310000092
电机极对数np及转动惯量J，获取电机转速
Figure BDA0002015297310000093
所述电机双闭环控制模块，用于根据获得的负载转矩
Figure BDA0002015297310000094
和电机转速
Figure BDA0002015297310000095
实现电机双闭环控制。
所述负载转矩观测模块包括：截止频率和相位裕度获取单元及参数整定单元；
所述截止频率和相位裕度获取单元，用于获取包括所述负载转矩观测模块、所述转速观测模块以及可调模型的电机开环控制系统的截止频率ωc和相位裕度
Figure BDA0002015297310000096
所述参数整定单元，用于对所述负载转矩观测模块的比例控制参数kp，和积分控制参数ki进行整定，直至截止频率处的幅值增益为-20dB/dec且相位裕度大于或等于45°。
上述控制系统中，转子角频率误差eω、比例控制参数kp及积分控制参数ki与电机负载转矩
Figure BDA0002015297310000097
之间关系为：
Figure BDA0002015297310000098
负载转矩
Figure BDA0002015297310000099
电机电磁转矩Te、电机极对数np及转动惯量J与电机转速
Figure BDA00020152973100000910
之间关系为：
Figure BDA00020152973100000911
在本发明实施例中，各模块具体实现方式可以参考上述对应方法实施例中的描述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，包括：
(1)构建用于获取电机负载转矩的负载转矩观测器和用于获取电机转速的转速观测器；
(2)根据所述负载转矩观测器、所述转速观测器以及构建的可调模型获得电机开环控制系统的截止频率和相位裕度；
(3)判断所述截止频率和相位裕度是否满足设定要求，若是，则执行步骤(4)；若否，则对所述负载转矩观测器的控制参数进行整定，并返回执行步骤(2)；
(4)利用经过参数整定的负载转矩观测器获取负载转矩，并根据获取的负载转矩和所述转速观测器获取电机转速；
(5)利用获取的负载转矩和电机转速实现电机双闭环控制；所述负载转矩观测器和转速观测器构成新的自适应率；所述方法在实现无速度传感器控制的同时，能观测电机转速和负载转矩两种物理量。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述负载转矩观测器的输入与输出关系为：
Figure FDA0003156369660000011
所述转速观测器的输入与输出关系为：
Figure FDA0003156369660000012
其中，
Figure FDA0003156369660000013
为电机负载转矩观测值，kp为比例控制参数，ki为积分控制参数，eω为转子角频率误差，Te为电机电磁转矩，np为电机极对数，J为转动惯量，
Figure FDA0003156369660000014
为转子角速度观测值。
3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：
对构建的可调模型进行线性化，得到可调模型传递函数GA(s)；
根据所述可调模型传递函数GA(s)、所述负载转矩观测器的输入与输出关系以及所述转速观测器的输入与输出关系，获得电机开环控制系统的开环传递函数Gop(s)；
将所述开环传递函数Gop(s)从时域转化到频域得到Gop(jω)；
根据|Gop(jωc)|＝1获得所述开环传递函数的截止频率ωc；
根据所述截止频率ωc获得所述开环传递函数的相位裕度
Figure FDA0003156369660000021
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述负载转矩观测器的控制参数包括：比例控制参数kp及积分控制参数ki。
5.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述截止频率的设定要求为：所述截止频率处的幅值增益为-20dB/dec；所述相位裕度的设定要求为：所述相位裕度大于或等于45°。
6.一种采用权利要求1-5任一项所述控制方法的永磁同步电机无速度传感器控制系统，其特征在于，包括：负载转矩观测模块、转速观测模块及电机双闭环控制模块；
所述负载转矩观测模块，用于采集电机运行状态下的转子角频率误差eω，并根据所述转子角频率误差eω、比例控制参数kp及积分控制参数ki，获取电机负载转矩
Figure FDA0003156369660000022
所述转速观测模块，用于采集电机运行状态下的电磁转矩Te，并根据所述电磁转矩Te、获得的负载转矩
Figure FDA0003156369660000023
电机极对数np及转动惯量J，获取电机转速
Figure FDA0003156369660000024
所述电机双闭环控制模块，用于根据获得的负载转矩
Figure FDA0003156369660000025
和电机转速
Figure FDA0003156369660000026
实现电机双闭环控制。
7.根据权利要求6所述的一种永磁同步电机无速度传感器控制系统，其特征在于，
所述转子角频率误差eω、比例控制参数kp及积分控制参数ki与电机负载转矩
Figure FDA0003156369660000031
之间关系为：
Figure FDA0003156369660000032
所述负载转矩
Figure FDA0003156369660000033
电机电磁转矩Te、电机极对数np及转动惯量J与电机转速
Figure FDA0003156369660000034
之间关系为：
Figure FDA0003156369660000035
8.根据权利要求6或7所述的一种永磁同步电机无速度传感器控制系统，其特征在于，所述负载转矩观测模块包括：截止频率和相位裕度获取单元及参数整定单元；
所述截止频率和相位裕度获取单元，用于获取包括所述负载转矩观测模块、所述转速观测模块以及可调模型的电机开环控制系统的截止频率ωc和相位裕度
Figure FDA0003156369660000036
所述参数整定单元，用于对所述负载转矩观测模块的控制参数进行整定，直至所述截止频率ωc和相位裕度
Figure FDA0003156369660000037
满足设定要求。
9.根据权利要求8所述的一种永磁同步电机无速度传感器控制系统，其特征在于，所述负载转矩观测模块的控制参数包括：比例控制参数kp和积分控制参数ki。
10.根据权利要求8所述的一种永磁同步电机无速度传感器控制系统，其特征在于，所述截止频率的设定要求为：所述截止频率处的幅值增益为-20dB/dec；所述相位裕度的设定要求为：所述相位裕度大于或等于45°。
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