CN111342727B - 一种永磁同步电机无位置传感器控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无位置传感器控制方法及装置，该方法包括：建立永磁同步电机的扩张状态观测器并采集扩张状态观测器输出的转速观测值；获取扩张状态观测器的定子电流最大观测误差与转速、观测器带宽参数之间的定量关系，并根据转速观测值以及预设的观测误差最大可接受值、带宽的上下限幅值将定量关系转换为表征观测器带宽参数随电机转速变化的参数自适应律；采集永磁同步电机的当前转速观测值并基于参数自适应律实时计算和更新扩张状态观测器在当前转速下对应的带宽参数；本发明通过自适应算法对扩张状态观测器的带宽进行实时整定，确保其反电势观测性能在宽速度范围内保持一致，为无位置传感器的角度和速度估计提供更好的保障。

Description

一种永磁同步电机无位置传感器控制方法及装置

技术领域

本发明属于电极控制技术领域，更具体地，涉及一种基于自适应扩张状态观测器的永磁同步电机无位置传感器控制方法及装置。

背景技术

精确的转子位置信息是永磁同步电机矢量控制系统不可或缺的部分，是实现励磁电流和转矩电流解耦控制的关键。传统方法依靠安装于电机转子轴端的位置传感器获取转子位置，这无疑增加了系统成本和复杂度，降低了系统的集成度和可靠性。为进一步提升永磁同步电机矢量控制系统的市场竞争力，无位置传感器控制技术得到了越来越多的研究和应用。

目前，在中高速无位置传感器领域，基于电机模型的控制方法占据主要地位，这包括滑模观测器法、全阶观测器法、扰动观测器法、模型参考自适应法以及扩展卡尔曼滤波器法。近些年，扩张状态观测器法因其较好的参数鲁棒性以及对集中扰动估计的天然优势，已经开始被应用于无传感器领域。但是目前的扩张状态观测器应用都是基于固定参数设计，其参数选择基于对某个额定转速工作点的考量，而忽略其它工作点；因此，扩张状态观测器的观测性能无法在宽速度范围内始终保持最优。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种永磁同步电机无位置传感器控制方法及装置，通过分析扩张状态观测器的观测误差与转速、观测器带宽参数之间的定量关系，提出一种表征观测器带宽参数随电机转速变化的参数自适应律，通过该参数自适应律在线整定扩张状态观测器的带宽参数，从而保证扩张状态观测器在不同转速点的观测误差一致，实现观测器观测性能在较宽的速度范围内保持最优的目的。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，该方法包括以下步骤：

建立永磁同步电机的扩张状态观测器并获取所述扩张状态观测器输出的转速观测值和角度观测值；

获取扩张状态观测器的定子电流最大观测误差与转速、带宽参数之间的定量关系，并根据所述转速观测值以及预置的观测误差最大可接受值、所述带宽参数的上下限幅值将所述定量关系转换为带宽参数随电机转速变化的参数自适应律；

获取永磁同步电机的当前转速观测值并基于所述参数自适应律实时计算和更新扩张状态观测器在当前转速下对应的带宽参数。

优选的，上述永磁同步电机无位置传感器控制方法，建立永磁同步电机的扩张状态观测器并获取所述扩张状态观测器输出的转速观测值和角度观测值具体包括：

根据永磁同步电机两相静止坐标系下的数学模型，以定子电流为状态变量、以反电动势为集中扰动量建立扩张状态观测器，并获取所述扩张状态观测器输出的反电势观测值；

采用正交锁相环对所述反电势观测值进行处理，得到永磁同步电机的转速观测值和角度观测值。

优选的，上述永磁同步电机无位置传感器控制方法，得到永磁同步电机的转速观测值和角度观测值之后还包括：

对所述转速观测值进行滤波，得到最终转速观测值；

对所述角度观测值进行相位补偿，得到最终角度观测值。

另外，这种整体或具体的方式可以通过系统、方法、集成电路、计算机程序或计算机可读取的CD-ROM等记录介质来实现，也可以通过系统、方法、集成电路、计算机程序或记录介质的任意组合来实现。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种永磁同步电机无位置传感器控制装置，该装置包括：

创建单元，用于建立永磁同步电机的扩张状态观测器并获取所述扩张状态观测器输出的转速观测值和角度观测值；

转换单元，用于获取扩张状态观测器的定子电流最大观测误差与转速、带宽参数之间的定量关系，并根据所述转速观测值以及预置的观测误差最大可接受值、所述带宽参数的上下限幅值将所述定量关系转换为表征带宽参数随电机转速变化的参数自适应律；

更新单元，用于采集永磁同步电机的当前转速观测值并基于所述参数自适应律实时计算和更新扩张状态观测器在当前转速下对应的带宽参数。

优选的，上述永磁同步电机无位置传感器控制装置，其创建单元包括：

建模模块，用于根据永磁同步电机两相静止坐标系下的数学模型，以定子电流为状态变量、以反电动势为集中扰动量建立扩张状态观测器，并获取所述扩张状态观测器输出的反电势观测值；

解调模块，用于采用正交锁相环对所述反电势观测值进行处理，得到永磁同步电机的转速观测值和角度观测值。

优选的，上述永磁同步电机无位置传感器控制装置，其创建单元还包括：

滤波模块，用于对所述转速观测值进行滤波，得到最终转速观测值；

补偿模块，用于对所述角度观测值进行相位补偿，得到最终角度观测值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的永磁同步电机无位置传感器控制方法及装置，基于扩张状态观测器的观测误差与转速、带宽参数之间的定量关系提出一种表征带宽参数随电机转速变化的参数自适应律，通过该参数自适应律对扩张状态观测器的带宽参数进行实时整定，从而保证扩张状态观测器在不同转速点的观测性能一致，达到其观测性能在宽速度范围内保持最优的目的，从而为无传感器算法的角度和速度估计提供更好的基础。

附图说明

图1是本发明实施例提供的永磁同步电机无传感器控制系统的原理框图；

图2是本发明实施例提供的永磁同步电机无位置传感器控制方法的原理框图；

图3是本发明实施例提供的正交锁相环的原理框图；

图4是本发明实施例提供的永磁同步电机无位置传感器控制装置的逻辑框图；

图5是本发明实施例提供的电机在1500r/min、100％额定负载运行时采集的反电势观测值、角度观测值和角度观测误差的实验波形；

图6是本发明实施例提供的电机在300r/min、100％额定负载运行时采集的反电势观测值、角度观测值和角度观测误差的实验波形；

图7是本发明实施例提供的电机在300～1500r/min加减速过程中传统扩张状态观测器与本方案的自适应扩张状态观测器的动态试验波形的对比示意图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是永磁同步电机无传感器控制系统的原理框图，图2是本发明实施例提供的永磁同步电机无位置传感器控制方法的原理框图；图1中，PI表示比例积分调节器，SVPWM表示空间矢量脉宽调制，PMSM表示永磁同步电机，ESO表示自适应扩张状态观测器，PLL表示正交锁相环；下面结合图1、2进行说明，本实施例提供的永磁同步电机无位置传感器控制方法包括以下步骤：

步骤1、根据永磁同步电机两相静止坐标系下的数学模型，以定子电流为状态变量，电机反电动势为集中扰动量建立扩张状态观测器，输出反电势观测值；具体的：

(1)首先建立表贴式永磁同步电机两相静止坐标系下的数学模型，该数学模型如下：

其中：i_αβ＝[i_αi_β]^T，i_α、i_β分别为α、β两相静止坐标系下的定子电流；

u_αβ＝[u_αu_β]^T，u_α、u_β分别为α、β两相静止坐标系下的定子电压；

e_αβ＝[e_αe_β]^T，e_α、e_β分别为α、β两相静止坐标系下的反电势；

R_s、L_s、ψ_f分别表示定子相电阻、定子相电感和永磁体磁链；ω_e为转子速度；θ_e为转子角度；其中i_α、i_β由采集的三相电流i_a，i_b，i_c经过Clark变换得到，如下式所示：

u_α、u_β取自于定子电压给定值，如图1所示。

(2)定义扩张状态观测器的输入为bu₀＝(u_αβ-R_si_αβ)/L_s，集中扰动为d_αβ＝-e_αβ/L_s；由此，以定子电流为状态变量建立扩张状态观测器如下：

其中：z₁＝[z_1αz_1β]^T，表示定子电流的观测值；

表示α相定子电流的观测值；

表示β相定子电流的观测值；

z₂＝[z_2αz_2β]^T，表示集中扰动的观测值；

表示α相集中扰动的观测值；

表示β相集中扰动的观测值；

ε₁＝[ε_1αε_1β]^T，表示定子电流观测误差，即ε_1α＝z_1α-i_α，ε_1β＝z_1β-i_β；

[β₁β₂]^T为扩张状态观测器的反馈增益，参照带宽法进行选取：

其中：ω₀被定义为扩张观测器的带宽。

(3)扩张状态观测器正常运行并收敛，此时，根据集中扰动和反电势的关系，得到反电势的观测值如下：

步骤2、利用正交锁相环处理步骤1中得到的反电势观测值，输出电机转速和角度信息的预估计；图3是正交锁相环的原理框图，具体的：

(1)将步骤1得到的反电势观测值作为锁相环的输入，根据如下关系计算角度误差：

(2)对角度误差ε_θ标幺化，保证其幅值不会随反电势幅值(即转速)变化：

(3)如图3所示，设计如下开环传递函数以控制误差收敛至零，获得转子速度和角度的估计：

其中，

为电角速度(转子转速)的观测值；

为电角度(转子角度)的观测值；k_p、k_i分别表示锁相环的比例和积分参数；s表示拉普拉斯算子。

步骤3、对步骤2中输出的转速观测值进行滤波，得到转速最终估计值；对角度观测值进行相位补偿，获得角度最终估计值；

(1)对转速观测值进行滤波，以获取最终转速观测值：

其中：ω_LPF为滤波器截止频率，

为最终输出的转速观测值。

(2)考虑扩张状态观测器的时延特性，观测角度将滞后于实际角度，故对步骤2得到的角度观测值进行如下补偿，以获取最终角度观测值：

其中，

表示最终输出的角度观测值。

步骤4、设计参数自适应律自动计算当前转速下扩张状态观测器的带宽参数并更新，具体包含以下步骤：

(1)构造如下李亚普诺夫函数对扩张状态观测器进行稳定性分析：

根据李亚普诺夫第二法，扩张状态观测器稳定的收敛条件为：当V>0时，

此时系统渐进稳定，误差将会收敛；对V求导，得到

如下：

(2)由步骤1中构建的扩张状态观测器和电机数学模型，推导定子电流观测误差方程如下：

(3)将上述定子电流观测误差方程代入(1)中的李雅普诺夫函数的导数

得到：

令

可得

其中h₀表示集中扰动微分的上界，即

需注意，对于实际系统，集中扰动虽然未知，但其变化速率有限，故其微分一定是有界的。

由此可见，一旦观测器收敛，其状态轨迹将进入该范围：

系统进入稳态后，有

将其带入S42中的定子电流观测误差方程，得到定子电流最大观测误差如下：

(4)根据步骤1中集中扰动的定义，有：

其微分可表示为：

故

的上界，即h₀，可表示为：

从而，扩张状态观测器的定子电流最大观测误差可表示为：

(5)由于误差|ε₁|随转速ω_e发生变化，导致扩张状态观测器的性能与转速有关，为保证观测器性能不随运行点变化，设计如下自适应律：

其中：ψ_f为永磁体磁链，ε_max为扩张状态观测器定子电流观测误差的最大可接受值，ω_0max和ω_0min为扩张状态观测器带宽的上下限幅值；需注意，ω_e由其观测值

代替。定子电流观测误差的最大可接受值ε_max的取值不作限定，根据实际需求选择即可。

本实施例所提及的转速指代电速度，角度指代电角速度。

(6)按照一定的时间周期定时采集扩张状态观测器的转速观测值，然后根据当前转速和参数自适应律实时计算并更新扩张状态观测器的带宽参数。

本方案基于李亚普诺夫稳定性分析，推导出一种自适应算法对扩张状态观测器的带宽参数进行实时整定，确保其反电势观测性能在宽速度范围内保持一致，从而为无传感器算法的角度和速度估计提供更好的基础。

本实施例还提供了一种永磁同步电机无位置传感器控制装置，该装置可以采用软件和/或硬件的方式实现，并可集成在电子设备上；参见图4所示，该装置包括创建单元、转换单元和更新单元；其中，

创建单元用于建立永磁同步电机的扩张状态观测器并获取所述扩张状态观测器输出的转速观测值和角度观测值；本实施例中，创建单元包括建模模块、解调模块、滤波模块和补偿模块；

建模模块用于根据永磁同步电机两相静止坐标系下的数学模型，以定子电流为状态变量、以反电动势为集中扰动量建立扩张状态观测器，并获取所述扩张状态观测器输出的反电势观测值；

解调模块用于采用正交锁相环对所述反电势观测值进行处理，得到永磁同步电机的转速观测值和角度观测值；

滤波模块通过低通滤波器对解调模块输出的转速观测值进行滤波，得到最终转速观测值；补偿模块对解调模块输出的角度观测值进行相位补偿，得到最终角度观测值。

转换单元用于获取扩张状态观测器的定子电流最大观测误差与转速、带宽参数之间的定量关系，并根据转速观测值以及预设的观测误差最大可接受值、带宽参数的上下限幅值将所述定量关系转换为表征带宽参数随电机转速变化的参数自适应律。

更新单元用于采集永磁同步电机的当前转速观测值并基于所述参数自适应律实时计算和更新扩张状态观测器在当前转速下对应的带宽参数。

上述永磁同步电机无位置传感器控制装置中各功能单元/模块的实现细节具体参见上述控制方法，此处不再赘述。

本发明提供的永磁同步电机无位置传感器控制方法适用于中高速运行，电机启动时，可通过V/f或者I/f开环启动，然后切换至本控制方法从而进入转速闭环运行。图5为电机在1500r/min、100％额定负载运行时，采集的反电势观测值、角度观测值和角度观测误差的实验波形；图6为电机在300r/min、100％额定负载运行时，采集的反电势观测值、角度观测值和角度观测误差的实验波形。

如图5和图6，电机分别运行在300r/min和1500r/min，从上至下，波形依次为反电势观测值与实际值的对比、角度观测值与实际值的对比、角度观测误差。可见，反电势可以很好地被观测、无高频毛刺，且角度观测值和实际值相吻合，验证了本专利所提方法的有效性。

图7为电机在300～1500r/min加减速过程中传统扩张状态观测器与本方案的自适应扩张状态观测器的动态试验波形的对比示意图；如图7所示，初始时刻，电机运行速度为300r/min，在1s时刻开始加速直至1500r/min，之后保持1500r/min，在4s时刻开始减速直至300r/min。从上至下，波形依次为实际转速、转速观测误差、电角度观测误差、d轴电流和q轴电流。其中，虚线为基于传统扩张状态观测器方法对应的各物理量波形，实线为基于自适应扩张状态观测器方法所对应的各物理量波形。可见，本专利所提方法在转速观测误差和电角度观测误差均小于传统方法，由此体现了本专利方法的优越性。

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位置传感器控制方法，其特征在于，包括：

建立永磁同步电机的扩张状态观测器并获取所述扩张状态观测器输出的转速观测值和角度观测值；

获取扩张状态观测器的定子电流最大观测误差与转速、带宽参数之间的定量关系，并根据所述转速观测值以及预设的观测误差最大可接受值、所述带宽参数的上下限幅值将所述定量关系转换为表征带宽参数随电机转速变化的参数自适应律；所述扩张状态观测器的定子电流最大观测误差与转速、带宽参数之间的定量关系为：

其中：ε₁＝[ε_1α ε_1β]^T，表示定子电流最大观测误差，ε_1α＝z_1α-i_α，ε_1β＝z_1β-i_β；i_α、i_β分别为α、β相定子电流；

表示α相定子电流的观测值；

表示β相定子电流的观测值；ψ_f表示永磁体磁链；ω_e表示转子速度；ω₀表示扩张观测器的带宽参数；L_s表示定子相电感；

采集永磁同步电机的当前转速观测值并基于所述参数自适应律实时计算和更新扩张状态观测器在当前转速下对应的带宽参数。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述建立永磁同步电机的扩张状态观测器并获取所述扩张状态观测器输出的转速观测值和角度观测值具体包括：

根据永磁同步电机两相静止坐标系下的数学模型，以定子电流为状态变量、以反电动势为集中扰动量建立扩张状态观测器，并获取所述扩张状态观测器输出的反电势观测值；

采用正交锁相环对所述反电势观测值进行处理，得到永磁同步电机的转速观测值和角度观测值。

3.如权利要求2所述的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述得到永磁同步电机的转速观测值和角度观测值之后还包括：

对所述转速观测值进行滤波，得到最终转速观测值；

对所述角度观测值进行相位补偿，得到最终角度观测值。

4.如权利要求2所述的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述建立扩张状态观测器并获取所述扩张状态观测器输出的反电势观测值具体包括：

(1)获取永磁同步电机两相静止坐标系下的数学模型，所述数学模型如下：

其中：i_αβ＝[i_α i_β]^T，表示α、β两相静止坐标系下的定子电流；i_α、i_β分别为α、β相定子电流；

u_αβ＝[u_α u_β]^T，表示α、β两相静止坐标系下的定子电压；u_α、u_β分别为α、β相定子电压；

e_αβ＝[e_α e_β]^T，表示α、β两相静止坐标系下的反电势；e_α、e_β分别为α、β相反电势；

R_s、L_s、ψ_f分别表示定子相电阻、定子相电感和永磁体磁链；ω_e为转子速度；θ_e为转子角度；

(2)定义扩张状态观测器的输入为bu₀＝(u_αβ-R_si_αβ)/L_s，集中扰动为d_αβ＝-e_αβ/L_s，以定子电流为状态变量建立如下扩张状态观测器：

其中：z₁＝[z_1α z_1β]^T，表示定子电流的观测值，即

表示α相定子电流的观测值；

表示β相定子电流的观测值；

z₂＝[z_2α z_2β]^T，表示集中扰动的观测值，即

表示α相集中扰动的观测值；

表示β相集中扰动的观测值；

ε₁＝[ε_1α ε_1β]^T，表示定子电流观测误差，即ε₁＝z₁-i_αβ，ε_1α＝z_1α-i_α，ε_1β＝z_1β-i_β；

[β₁ β₂]^T为扩张状态观测器的反馈增益，参照带宽法进行选取：

其中：ω₀被定义为扩张观测器的带宽；

(3)观测器收敛，则根据集中扰动和反电势的关系，得到反电势观测值：

5.如权利要求2或4所述的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述采用正交锁相环对反电势观测值进行处理具体包括：

(1)将扩张状态观测器输出的反电势观测值输入正交锁相环，根据如下关系计算角度误差：

(2)对所述角度误差ε_θ进行标幺化，以保证其幅值不随反电势幅值变化：

(3)通过开环传递函数控制角度误差收敛至零，获得转子速度和角度的估计值：

其中，

分别表示α、β相反电势观测值；

表示转速观测值，

表示角度观测值，k_p、k_i分别表示锁相环的比例参数和积分参数；s表示拉普拉斯算子。

6.如权利要求5所述的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，对所述转速观测值进行滤波具体为：

其中：ω_LPF为滤波器截止频率，

表示最终转速观测值；

对所述角度观测值进行相位补偿具体为：

其中：

表示最终角度观测值。

7.如权利要求6所述的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，

所述参数自适应律为：

其中，ε_max为观测误差最大可接受值；ω_0max、ω_0min为扩张状态观测器带宽参数的上下限幅值；

表示最终转速观测值。

8.一种永磁同步电机无位置传感器控制装置，其特征在于，包括：

创建单元，用于建立永磁同步电机的扩张状态观测器并获取所述扩张状态观测器输出的转速观测值和角度观测值；

转换单元，用于获取扩张状态观测器的定子电流最大观测误差与转速、带宽参数之间的定量关系，并根据所述转速观测值以及预置的观测误差最大可接受值、所述带宽参数的上下限幅值将所述定量关系转换为表征带宽参数随电机转速变化的参数自适应律；所述扩张状态观测器的定子电流最大观测误差与转速、带宽参数之间的定量关系为：

其中：ε₁＝[ε_1α ε_1β]^T，表示定子电流最大观测误差，ε_1α＝z_1α-i_α，ε_1β＝z_1β-i_β；i_α、i_β分别为α、β相定子电流；

表示α相定子电流的观测值；

表示β相定子电流的观测值；ψ_f表示永磁体磁链；ω_e表示转子速度；ω₀表示扩张观测器的带宽参数；L_s表示定子相电感；

更新单元，用于采集永磁同步电机的当前转速观测值并基于所述参数自适应律实时计算和更新扩张状态观测器在当前转速下对应的带宽参数。

9.如权利要求8所述的永磁同步电机无位置传感器控制装置，其特征在于，所述创建单元包括：

建模模块，用于根据永磁同步电机两相静止坐标系下的数学模型，以定子电流为状态变量、以反电动势为集中扰动量建立扩张状态观测器，并获取所述扩张状态观测器输出的反电势观测值；

解调模块，用于采用正交锁相环对所述反电势观测值进行处理，得到永磁同步电机的转速观测值和角度观测值。

10.如权利要求9所述的永磁同步电机无位置传感器控制装置，其特征在于，所述创建单元还包括：

滤波模块，用于对所述转速观测值进行滤波，得到最终转速观测值；

补偿模块，用于对所述角度观测值进行相位补偿，得到最终角度观测值。

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