CN110492820A - 一种永磁同步电机无传感器控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无传感器控制方法及系统，属于永磁同步电机无速度传感器的领域，包括：获取以αβ轴第一等效转子磁链为目标函数的磁链观测器；利用自适应带通滤波器消除αβ轴第一等效转子磁链中的直流分量以及高次谐波；标幺化的αβ轴第二等效转子磁链通过锁相环获取估算的电机转子角频率以及估算的未补偿的电机转子位置角；利用自适应带通滤波器的传递函数对估算的未补偿的电机转子位置角补偿。本发明采用自适应带通滤波器滤除由电流采样引入的直流分量及逆变器非线性引入的高次谐波，并补偿电机转子位置角且估算电机转子角频率，可准确观测电机转速及转子位置信息。

Description

一种永磁同步电机无传感器控制方法及系统

技术领域

本发明属于永磁同步电机无速度传感器的领域，更具体地，涉及一种永磁同步电机无传感器控制方法及系统。

背景技术

永磁同步电机因功率密度高、效率高、可靠性高和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缺的。然而，机械式传感器的安装会增加永磁同步电机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、磁链观测器法、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。其中，磁链观测器是将基于定子电压坐标系定向的两相静止坐标系下的数学模型进行数学变换得到等效转子磁链，并对其求反正切来获取转子位置信息。然而，转子磁链一般是由反电动势积分得到的。因此，传统的磁链观测器会因为纯积分环节由电流采样引入直流分量的存在而另外导致磁链持续偏移直至饱和，并且逆变器非线性引入的高次谐波也会使得估算的电机转子位置角和电机转速不准确。因此，需要对磁链观测器进行改进以消除误差。

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及系统，旨在解决现有的磁链观测器由于电流采样会引入直流分量及逆变器非线性会引入高次谐波，导致无法准确观测电机转速及转子位置的问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种永磁同步电机无传感器控制方法，包括：

S1根据基于定子电压坐标系定向的两相旋转坐标系下的永磁同步电机模型，获取以αβ轴第一等效转子磁链为目标函数的磁链观测器；

永磁同步电机模型包括内置式永磁同步电机模型和表贴式永磁同步电机模型；

S2利用自适应带通滤波器消除αβ轴第一等效转子磁链中的直流分量以及高次谐波，获取αβ轴第二等效转子磁链；

αβ轴第二等效转子磁链与αβ轴第一等效转子磁链之间的幅值与相位发生改变，频率相等；

由αβ轴第一等效转子磁链与αβ轴第二等效转子磁链分别计算获取的电机转子位置角间的差值为补偿角；

S3将αβ轴第二转子磁链中的α轴磁链及β轴磁链进行标幺化后，标幺化的αβ轴第二等效转子磁链通过锁相环获取估算的电机转子角频率以及估算的未补偿的电机转子位置角；

S4利用自适应带通滤波器的传递函数对估算的未补偿的电机转子位置角补偿；

S5将补偿后的电机转子位置角及估算的电机转子角频率反馈至转速环实现电机无传感器控制。

优选地，对于内置式永磁同步电机，基于定子电压坐标系定向的两相旋转坐标系下的永磁同步电机模型为：

其中，u_d、u_q、i_d和i_q分别为两相旋转坐标系下的定子电压的d轴分量、定子电压的q轴分量、定子电流的d轴分量和定子电流的q轴分量；R_s为定子电阻；L_d和L_q分别为d轴等效电感和q轴等效电感；ω_r为电机转子角频率；λ_m为转子磁链；p为微分算子；

优选地，αβ轴第一等效转子磁链为：

其中，λ′_α和λ′_β分别为α轴第一等效转子磁链和β轴第一等效转子磁链；L_q为q轴等效电感；i_α和i_β分别为两相静止坐标系下定子电流的α分量和定子电流的β分量；u_α和u_β分别为两相静止坐标系下定子电压的α分量和定子电流的β分量；R_s为定子电阻为定子电阻；

优选地，自适应带通滤波器传递函数的幅值为：

其中，自适应带通滤波器传递函数的幅值|G_SABPF|为αβ轴第一等效转子磁链的幅值与αβ轴第二等效转子磁链的幅值之间的比值；为自适应带通滤波器的谐振角频率；为前一时刻估算的电机转子角频率；k为自适应带通滤波器的品质因数；

优选地，αβ轴第二等效转子磁链与αβ轴第一等效转子磁链之间的补偿角为：

其中，为补偿角；为自适应带通滤波器的谐振角频率；为前一时刻估算的电机转子角频率；k为自适应带通滤波器的品质因数；

优选地，锁相环的传递函数为：

其中，G_IPLL为锁相环的传递函数；k_p和k_i为锁相环PI控制器的P参数和I参数；

优选地，标幺化的αβ轴第二等效转子磁链与估算的电机转子角频率为：

其中，为估算的电机转子角频率；G_IPLL为锁相环的传递函数；λ_α”和λ_α”分别为标幺后的α轴第二等效转子磁链和β轴第二等效转子磁链；

标幺化的αβ轴第二等效转子磁链与估算的未补偿的电机转子位置角为：

其中，为估算的未补偿的电机转子位置角；G_IPLL为锁相环的传递函数；λ_α”和λ_α”分别为标幺化后的α轴第二等效转子磁链和β轴第二等效转子磁链；

优选地，补偿后的电机转子位置角为：

其中，为补偿后的电机转子位置角；为估算的未补偿的电机转子位置角；为补偿角为补偿角。

另一方面看，本发明提供了一种永磁同步电机无传感器控制系统，包括：逆变器、永磁同步电机、SVPWM(空间矢量脉宽调制)模块、Clarke变换模块、Park变换模块、PI控制器、反dq变换模块、顺次连接的磁链观测器模块、自适应带通滤波器、锁相环和相位补偿模块；

磁链观测器模块用于根据基于定子电压坐标系定向的两相旋转坐标系下的永磁同步电机模型，获取αβ轴第一等效转子磁链；

自适应带通滤波器用于消除αβ轴第一等效转子磁链中的直流分量以及高次谐波，获取αβ轴第二等效转子磁链；

锁相环用于将αβ轴第二转子磁链中的α轴磁链及β轴磁链进行标幺化后，根据标幺化的αβ轴第二等效转子磁链获取估算的电机转子角频率以及估算的未补偿的电机转子位置角；

相位补偿模块用于根据自适应带通滤波器的传递函数和估算的未补偿的电机转子位置角，计算补偿后的电机转子位置角。

优选地，αβ轴第一等效转子磁链为：

其中，λ′_α和λ′_β分别为α轴第一等效转子磁链和β轴第一等效转子磁链；L_q为q轴等效电感；i_α和i_β分别为两相静止坐标系下定子电流的α分量和定子电流的β分量；u_α和u_β分别为两相静止坐标系下定子电压的α分量和定子电流的β分量；R_s为定子电阻为定子电阻；

优选地，标幺化的αβ轴第二等效转子磁链与估算的电机转子角频率的关系为：

其中，为估算的电机转子角频率；G_IPLL为锁相环的传递函数；λ_α”和λ_β”分别为α轴第二等效转子磁链和β轴第二等效转子磁链。

标幺化的αβ轴第二等效转子磁链与估算的未补偿的电机转子位置角的关系为：

其中，为估算的未补偿的电机转子位置角；G_IPLL为锁相环的传递函数；λ_α”和λ_α”分别为α轴第二等效转子磁链和β轴第二等效转子磁链。

优选地，补偿后的电机转子位置角为：

其中，为补偿后的电机转子位置角；为估算的未补偿的电机转子位置角；为补偿角为补偿角。

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：

本发明提供了一种永磁同步电机无传感器控制方法及系统，采用自适应带通滤波器滤除由电流采样引入的直流分量及逆变器非线性引入的高次谐波，并补偿电机转子位置角且估算电机转子角频率，可准确观测电机转速及转子位置信息。

附图说明

图1是本发明提供的一种永磁同步电机无传感器控制方法的流程图；

图2是本发明提供的传统磁链观测器的结构框图；

图3是本发明提供的自适应带通滤波器的结构框图；

图4是本发明提供的αβ轴第二转子磁链标幺化及锁相环的结构框图；

图5是本发明提供的永磁同步电机无传感器控制框图；

图6是本发明提供的改进型磁链观测器的结构示意图。

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。

一方面，如图1所示，本发明提供了一种永磁同步电机无传感器控制方法，包括：

S1根据基于定子电压坐标系定向的两相旋转坐标系下的永磁同步电机模型，获取以αβ轴第一等效转子磁链为目标函数的磁链观测器；

永磁同步电机模型包括内置式永磁同步电机模型和表贴式永磁同步电机模型；

S2利用自适应带通滤波器消除αβ轴第一等效转子磁链中的直流分量以及高次谐波，获取αβ轴第二等效转子磁链；

αβ轴第二等效转子磁链与αβ轴第一等效转子磁链之间的幅值与相位发生改变，频率相等；

由αβ轴第一等效转子磁链与αβ轴第二等效转子磁链分别计算获取的电机转子位置角间的差值为补偿角；

S3将αβ轴第二转子磁链中的α轴磁链及β轴磁链进行标幺化后，标幺化的αβ轴第二等效转子磁链通过锁相环获取估算的电机转子角频率以及估算的未补偿的电机转子位置角；

S4利用自适应带通滤波器的传递函数对估算的未补偿的电机转子位置角补偿；

S5将补偿后的电机转子位置角及估算的电机转子角频率反馈至转速环实现电机无传感器控制。

如图2所示，通过对基于定子电压定向的两相静止坐标系下的永磁同步电机模型进行数学变换构建磁链观测器，针对步骤S1具体的介绍如下：

对于内置式永磁同步电机，其基于定子电压坐标系定向的两相旋转坐标系下的永磁同步电机模型为：

其中，u_d、u_q、i_d和i_q分别为两相旋转坐标系下的定子电压的d轴分量、定子电压的q轴分量、定子电流的d轴分量和定子电流的q轴分量；R_s为定子电阻；L_d和L_q分别为d轴等效电感和q轴等效电感；ω_r为电机转子角频率；λ_m为转子磁链；p为微分算子；对于表贴式永磁同步电机，L_d和L_q相等，均为L_s，其他均不改变；

通过Clarke反变换将基于定子电压坐标系定向的两相旋转坐标系下的数学模型变换至基于定子电压坐标系定向的两相静止坐标系下的数学模型可得：

其中，u_α和u_β分别为两相静止坐标系下定子电压的α分量和定子电流的β分量；i_α和i_β分别为两相静止坐标系下定子电流的α分量和定子电流的β分量；θ_r为转子位置角；L_α、L_β和L_αβ为中间变量，其值为：

因此，基于定子电压坐标系定向的两相静止坐标系下的数学模型可转换为：

其中，λ′_α和λ′_β分别为α轴第一等效转子磁链和β轴第一等效转子磁链，通过三角变换获取等效反电动势αβ轴分量e′_α和e′_β为：

对上述公式(1)进行积分，获取αβ轴第一等效转子磁链为：

需说明的是，传统磁链观测器估算的转子位置角为：

其中，为传统磁链观测器估算的转子位置角；

如图3所示，通过使用自适应带通滤波器对αβ轴第一等效转子磁链进行滤波，针对步骤S2具体介绍如下：

为了避免纯积分环节对由电流采样引入的直流分量的方法以及逆变器非线性的影响，步骤S2采用自适应带通滤波器提取等效转子磁链的基波分量。

自适应带通滤波器的传递函数G_SABPF如下：

其中，G_SABPF为自适应带通滤波器传递函数；为自适应带通滤波器的谐振角频率；为前一时刻估算的电机转子角频率；k为自适应带通滤波器的品质因数，一般取1.414；

自适应带通滤波器传递函数的幅值|G_SABPF|为：

自适应带通滤波器传递函数的幅值|G_SABPF|为αβ轴第一等效转子磁链的幅值与αβ轴第二等效转子磁链的幅值之间的比值；

前一时刻估算的电机转子角频率与自适应带通滤波器的谐振角频率间的相位误差为：

从公式(2)可知，当自适应带通滤波器的谐振角频率与电机的转子角频率不一致时，自适应带通滤波器输出的αβ轴第二等效转子磁链，相比于αβ轴第一等效转子磁链会有一定的衰减，但是由于磁链观测器的本质是提取等效磁链中的转子位置信息，而与等效磁链的幅值无关；

自适应带通滤波器的谐振角频率与电机的转子角频率不匹配会带来相应的相位误差，从公式(3)可知，计算相位误差不难得出，可以直接对电机的相位进行补偿，因此，谐振角频率与电机的转子角频率不匹配时也可估算出电机的转子位置角；

如图4所示，通过对自适应带通滤波器输出的α轴第二等效转子磁链以及β轴第二等效转子磁链进行标幺化，然后通过锁相环获取估算的电机转子角频率以及未补偿的电机转子位置角，针对步骤S3具体介绍如下：

在通过自适应带通滤波器获取αβ轴第二转子磁链后，如直接采用锁相环，则αβ轴第二转子磁链的幅值会对锁相环的PI参数设计会产生影响，因此，在进行锁相环处理之前，需要首先对αβ轴第二转子磁链中的α轴磁链及β轴磁链进行标幺化，再通过锁相环获取估算的电机转子角频率以及估算的未补偿的电机转子位置角

当双闭环控制系统工作在平衡点附近时，锁相环PI控制器的误差e为：

其中，θ′_r为实际的未补偿的电机转子位置角；为估算的未补偿的电机转子位置角Δθ_r为未补偿的电机转子位置角误差，其值为：

锁相环的闭环传递函数为：

其中，k_p和k_i分别为改进型锁相环PI控制器的P参数以及I参数；通过锁相环的闭环传递函数并结合实际工程设计锁相环的调节时间t_s以及阻尼系数ξ，以此来整定PI参数，调节时间和阻尼系数为：

标幺化的αβ轴第二等效转子磁链与估算的电机转子角频率的关系为：

其中，为估算的电机转子角频率；G_IPLL为锁相环的传递函数；λ_α”和λ_α”分别为α轴第二等效转子磁链和β轴第二等效转子磁链；

标幺化的αβ轴第二等效转子磁链与估算的未补偿的电机转子位置角的关系为：

其中，为估算的未补偿的电机转子位置角；G_IPLL为锁相环的传递函数；λ_α”和λ_α”分别为标幺化后的α轴第二等效转子磁链和β轴第二等效转子磁链；

针对S4具体的介绍如下：

由于自适应滤波器的谐振角频率与估算的电机转子角频率不匹配，估算的转子位置角会产生偏移。因此，需要对估算的转子位置角进行补偿，补偿角可以通过自适应带通滤波器的幅频特性获得，其值为：

因此，补偿后的电机转子位置角为：

其中，为补偿后的电机转子位置角；为估算的未补偿的电机转子位置角；为补偿角为补偿角。

如图5所述，步骤S5的具体实施方式为：

将锁相环输出的估算的电机转子角频率反馈至电机的转速环，将估算的电机转子角频率与给定角频率进行比较，并将估算的电机转子角频率与给定角频率之间的差值送入电流环，获取d轴电流给定值，将补偿后的电机转子位置角作为参考角度输入至dq以及反dq变换中，其中，反dq变换的作用是将电流环输出的d轴和q轴给定电压做相应变换获取alpha轴以及beta轴给定电压值；dq变换的作用是将定子电流的采样值做Clarke变换后，将alpha轴以及beta轴电流做相应变换获取定子d轴和q轴电流，并将其反馈至电机的电流换中，由此来实现电机的双闭环控制。

另一方面，如图6所示，本发明提供了一种永磁同步电机无传感器控制系统，包括：逆变器，永磁同步电机、SVPWM模块、Clarke变换模块、Park变换模块、PI控制器、反dq变换模块、顺次连接的磁链观测器模块、自适应带通滤波器、锁相环和相位补偿模块；

磁链观测器模块用于根据基于定子电压坐标系定向的两相旋转坐标系下的永磁同步电机模型，获取αβ轴第一等效转子磁链；

自适应带通滤波器用于消除αβ轴第一等效转子磁链中的直流分量以及高次谐波，获取αβ轴第二等效转子磁链；

锁相环用于将αβ轴第二转子磁链中的α轴磁链及β轴磁链进行标幺化后，根据标幺化的αβ轴第二等效转子磁链获取估算的电机转子角频率以及估算的未补偿的电机转子位置角；

相位补偿模块用于根据自适应带通滤波器的传递函数和估算的未补偿的电机转子位置角，计算补偿后的电机转子位置角；

其中，顺次连接的磁链观测器模块、自适应带通滤波器、锁相环和相位补偿模块构成改进型的磁链观测器模块。

优选地，αβ轴第一等效转子磁链为：

其中，λ′_α和λ′_β分别为α轴第一等效转子磁链和β轴第一等效转子磁链；L_q为q轴等效电感；i_α和i_β分别为两相静止坐标系下定子电流的α分量和定子电流的β分量；u_α和u_β分别为两相静止坐标系下定子电压的α分量和定子电流的β分量；R_s为定子电阻为定子电阻；

优选地，标幺化的αβ轴第二等效转子磁链与估算的电机转子角频率的关系为：

其中，为估算的电机转子角频率；G_IPLL为锁相环的传递函数；λ_α”和λ_β”分别为α轴第二等效转子磁链和β轴第二等效转子磁链。

标幺化的αβ轴第二等效转子磁链与估算的未补偿的电机转子位置角的关系为：

其中，为估算的未补偿的电机转子位置角；G_IPLL为锁相环的传递函数；λ_α”和λ_α”分别为α轴第二等效转子磁链和β轴第二等效转子磁链。

优选地，补偿后的电机转子位置角为：

其中，为补偿后的电机转子位置角；为估算的未补偿的电机转子位置角；为补偿角为补偿角。

综上所述，本发明提供了一种永磁同步电机无传感器控制方法及系统，采用自适应带通滤波器滤除由电流采样引入的直流分量及逆变器非线性引入的高次谐波，并补偿电机转子位置角且估算电机转子角频率，可准确观测电机转速及转子位置信息。

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传感器控制方法，其特征在于，包括：

S1 根据基于定子电压坐标系定向的两相旋转坐标系下的永磁同步电机模型，获取以αβ轴第一等效转子磁链为目标函数的磁链观测器；

S2 利用自适应带通滤波器消除αβ轴第一等效转子磁链中的直流分量以及高次谐波，获取αβ轴第二等效转子磁链；

S3 将αβ轴第二转子磁链中的α轴磁链及β轴磁链进行标幺化后，标幺化的αβ轴第二等效转子磁链通过锁相环获取估算的电机转子角频率以及估算的未补偿的电机转子位置角；

S4 利用自适应带通滤波器的传递函数对估算的未补偿的电机转子位置角补偿；

S5 将补偿后的电机转子位置角及估算的电机转子角频率反馈至转速环实现电机无传感器控制。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，所述基于定子电压坐标系定向的两相旋转坐标系下的永磁同步电机模型为：

其中，u_d、u_q、i_d和i_q分别为两相旋转坐标系下的定子电压的d轴分量、定子电压的q轴分量、定子电流的d轴分量和定子电流的q轴分量；R_s为定子电阻；L_d和L_q分别为d轴等效电感和q轴等效电感；ω_r为电机转子角频率；λ_m为转子磁链；p为微分算子。

3.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，αβ轴第一等效转子磁链为：

其中，λ′_α和λ′_β分别为α轴第一等效转子磁链和β轴第一等效转子磁链；

L_q为q轴等效电感；i_α和i_β分别为两相静止坐标系下定子电流的α分量和定子电流的β分量；u_α和u_β分别为两相静止坐标系下定子电压的α分量和定子电流的β分量；R_s为定子电阻为定子电阻。

4.根据要求1至3任一所述的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，所述标幺化的αβ轴第二等效转子磁链与估算的电机转子角频率的关系为：

其中，为估算的电机转子角频率；G_IPLL为锁相环的传递函数；λ_α”和λ_β”分别为α轴第二等效转子磁链和β轴第二等效转子磁链。

5.根据权利要求1至3任一所述的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，所述标幺化的αβ轴第二等效转子磁链与估算的未补偿的电机转子位置角的关系为：

其中，为估算的未补偿的电机转子位置角；G_IPLL为锁相环的传递函数；λ_α”和λ_α”分别为α轴第一等效转子磁链和β轴第一等效转子磁链。

6.根据权利要求1或5所述的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，所述补偿后的电机转子位置角为：

其中，为补偿后的电机转子位置角；为估算的未补偿的电机转子位置角；为补偿角为补偿角。

7.基于权利要求1所述的永磁同步电机无传感器控制方法的控制系统，包括：逆变器，永磁同步电机、SVPWM模块、Clarke变换模块、Park变换模块、PI控制器和反dq变换模块，其特征在于，还包括：顺次连接的磁链观测器模块、自适应带通滤波器、锁相环和相位补偿模块；

所述磁链观测器模块用于根据基于定子电压坐标系定向的两相旋转坐标系下的永磁同步电机模型，获取αβ轴第一等效转子磁链；

所述自适应带通滤波器用于消除αβ轴第一等效转子磁链中的直流分量以及高次谐波，获取αβ轴第二等效转子磁链；

所述锁相环用于将αβ轴第二转子磁链中的α轴磁链及β轴磁链进行标幺化后，根据标幺化的αβ轴第二等效转子磁链获取估算的电机转子角频率以及估算的未补偿的电机转子位置角；

所述相位补偿模块用于根据自适应带通滤波器的传递函数和估算的未补偿的电机转子位置角，计算补偿后的电机转子位置角。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述标幺化的αβ轴第二等效转子磁链与估算的电机转子角频率的关系为：

其中，为估算的电机转子角频率；G_IPLL为锁相环的传递函数；λ_α”和λ_β”分别为α轴第二等效转子磁链和β轴第二等效转子磁链。

9.根据权利要求7或8所述的控制系统，其特征在于，所述标幺化的αβ轴第二等效转子磁链与估算的未补偿的电机转子位置角的关系为：

其中，为估算的未补偿的电机转子位置角；G_IPLL为锁相环的传递函数；λ_α”和λ_α”分别为标幺化后的α轴第二等效转子磁链和β轴第二等效转子磁链。

10.根据权利要求7至9任一所述的控制系统，其特征在于，所述补偿后的电机转子位置角为：

其中，为补偿后的电机转子位置角；为估算的未补偿的电机转子位置角；为补偿角为补偿角。