CN111987959A - 永磁同步电机无传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机无传感器控制方法。永磁同步电机的无传感器情况下想要获得转子信息主要有两大类方法，一类是构建状态观测器的方法，从反电动势信号中获得转子位置信息。由于电机低速运行时反电动势信号微弱，该类方法在低速估算转子位置性能较差，零速度时永磁同步电机不产生反电动势无法估计转子位置，但在中高速范围内有着优异的性能。本发明包括如下步骤：建立永磁同步电机模型，构建转子磁链观测器对转子位置信息进行观测，对转子磁链观测器进行初值估计并补偿，构建转速观测器，将转子位置信息转换为转速信息，构建id控制器完成误差补偿。本发明用于永磁同步电机无传感器控制方法。

Description

永磁同步电机无传感器控制方法

技术领域：

本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种永磁同步电机无传感器控制方法。

背景技术：

永磁同步电机是一种由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机，与异步电机相比较，永磁同步电机功率密度大、转动惯量小、能量转换效率高、维护费用低，广泛应用于新能源汽车、航空航天、数控机床等领域。传统的PMSM控制系统通常采用加装机械位置传感器来获取转子位置信息和瞬时转速。如光电编码器、旋转变压器和霍尔传感器等，然而在复杂环境下，机械传感器可能存在对环境要求较高、响应较慢、抗电磁干扰能力弱、以及老化等问题。因此无位置传感器驱动控制的研究对提高系统的可靠性具有非常重要的意义和价值。

永磁同步电机的无传感器情况下想要获得转子信息主要有两大类方法，一类是构建状态观测器的方法，从反电动势信号中获得转子位置信息。由于电机低速运行时反电动势信号微弱，该类方法在低速估算转子位置性能较差，零速度时永磁同步电机不产生反电动势无法估计转子位置，但在中高速范围内有着优异的性能。其中最为常见的为构建滑模观测器，滑模观测器估算转子位置和速度性能优良，系统鲁棒性好，算法易于数字化编程，但滑模运动的本质特点会引起系统产生抖振。第二类方法是基于凸极追踪的思想，将高频信号注入到电机的定子，从响应电流中获取转子位置信息。该方法可以解决低速或零速时的电机参数辨识问题，由于该方法要求电机有一定的凸极效应，在内嵌式和插入式同步电机上可以直接实现，而针对表贴式同步电机这类凸极效应不明显的电机则比较难实现，需要通过改造电机内部结构或是通过饱和效应等方式来实现，并且该方法会引起较大的噪音和额外的损失。

发明内容：

本发明的目的是提供一种永磁同步电机无传感器控制方法，通过该方法解决表贴式永磁同步电机在低速及零速情况下的运行问题。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种永磁同步电机无传感器控制方法，该算法包括如下步骤：

步骤1、建立表贴式永磁同步电机数学模型，即永磁同步电机基于静止坐标系(α-β坐标系)的电机模型；

(1)

(2)

其中，ψ=[ψ_α, ψ_β]^T为静止坐标系下的定子磁链，ψ_m为永磁体磁链常数，L_S为定子绕组电感,i_ab=[i_α, i_β]T和为静止坐标系下的定子电流，u_ab=[u_α,u_β]^T为静止坐标系下的定子电压，R为定子线圈绕组电阻，θ为转子位置；

步骤2、为了获得转子位置信息，推导出转子磁链的数学模型；

综合上面两个公式可以得出转子磁链的公式为

(3)

其中Φ=[Φ_α,Φ_β]^T，由于ψ=[ψ_α, ψ_β]^T较难测量，而对其进行微分变可以将其转变为公式(2)右端容易获得的基于静止坐标系下的电压和电流；于是对等式两边微分可得

(4)

为了从上述公式中估计出转子位置信息θ，只要得到了转子磁链Φ=[Φ_α,Φ_β]^T，便可从下述公式中获取转子位置信息θ

(5)

步骤3、在步骤2的基础之上引入零初始量，转子磁链构建观测器；

建立一个带有零初始量的参考模型

(6)

其中φ=[φ_α,φ_β]^T,注意Φ和φ具有相同的结构，但是初始条件不同；为了方便标记，在这里引入了ξ≡ψ(0)-Li(0),可以得出

(7)

步骤4、构建初始参数估计观测器；

根据公式(7)可以得出代数关系||φ+ξ||²=||Φ||²，根据公式(3)可以得出代数关系||Φ||²=ψ_m ²，根据这两个公式可以推得

(8)

将滤波器as/(s+a)加载公式两端，得到

(9)

(10)

(11)

||φ||²-ψ_m ²是一个常数，公式(9)中的误差部分作出如下推导

(12)

公式(9)中的Y(φ)与A(φ)都可以通过计算φ来获得，于是公式(9)可以视为具有未知参数ξ的线性方程；

将误差(Y(φ)-A(φ)^Tξ)²最小化，可得

(13)

其中K为增益矩阵；根据公式(13)的关系，可以构建初始参数观测器，根据公式(7)将转子磁链观测器和初始参数估计观测器组合起来，便可以获取转子位置信息；

步骤5、构建带有锁相环的转速观测器；

基于反正切的函数估计的转子位置在 -π到π之间有一个跳变，为了消除此跳变所带来的误差，在转速估计部分引入锁相环，构建转速观测器，使用使用三角函数差来替代角度差，如公式(14)所示:

(14)

对转子位置进行微分便可得到转速，如公式(15)

(15)

其中ω为电机转速,转速观测器，闭环传递函数可以表示为

(16)

其中ω_n为自然振荡频率，ζ为阻尼系数，锁相环的PI系数可由以下公式获得；

(17)

其中kp，ki为锁相环的PI系数；

步骤6、构建id控制器，消除转子位置误差；

当前转子位置与估计转子位置之间的误差用∆θ来表示；

(18)

为了消除转子位置误差，在定义id控制器时，采用了id注入的方式，定义I_dr和I_qr为d轴和q轴实际转速同步参考电流，

(19)

(20)

将上述步骤中的结构加入系统之中，将电机中测得的电压电流信号传入转子磁链观测器，通过对初值的补偿得到转子位置信息的观测值，将所得的观测值送入转速观测器，得到的转子速度信息给入id控制器中，构成速度闭环，内环采用了pi电流闭环，再将内环处理过的信号以SVPWM的方式送入逆变桥。

有益效果：

1.本发明是一种永磁同步电机无传感器控制方法，在控制系统中加入转子磁链观测器，解决了传统机械式传感器所带来的环境要求较高、响应较慢、抗电磁干扰能力弱、以及老化等缺点。

2.本发明通过定义d轴和q轴电流，解决了利用反电动势法来测量转子位置信息的观测器中所出现的中低转速无法测量，以及零速无法启动的问题。

3.本发明解决了高频注入法测量转子位置信息所带来的噪音问题，以及无法对表贴式永磁同步电机进行转子位置检测的问题，控制方法实现简单，不需要注入高频信号，从而避免了高频噪音，不需要观测反电动势，从而提高来了电机在零低转速的性能。

附图说明：

图1是永磁同步电机无传感器控制的系统图；

图2是磁链观测器的框架图；

图3是带有锁相环的转速观测器图；

图4是转速观测器的简化图。

具体实施方式：

实施例1：

一种永磁同步电机无传感器控制方法，该算法包括如下步骤：

步骤1、建立表贴式永磁同步电机数学模型，即永磁同步电机基于静止坐标系(α-β坐标系)的电机模型；

(1)

(2)

其中，ψ=[ψ_α, ψ_β]^T为静止坐标系下的定子磁链，ψ_m为永磁体磁链常数，L_S为定子绕组电感,i_ab=[i_α, i_β]T和为静止坐标系下的定子电流，u_ab=[u_α,u_β]^T为静止坐标系下的定子电压，R为定子线圈绕组电阻，θ为转子位置；

步骤2、为了获得转子位置信息，推导出转子磁链的数学模型；

综合上面两个公式可以得出转子磁链的公式为

(3)

其中Φ=[Φ_α,Φ_β]^T，由于ψ=[ψ_α, ψ_β]^T较难测量，而对其进行微分变可以将其转变为公式(2)右端容易获得的基于静止坐标系下的电压和电流；于是对等式两边微分可得

(4)

为了从上述公式中估计出转子位置信息θ，只要得到了转子磁链Φ=[Φ_α,Φ_β]^T，便可从下述公式中获取转子位置信息θ

(5)

步骤3、在步骤2的基础之上引入零初始量，转子磁链构建观测器；

建立一个带有零初始量的参考模型

(6)

其中φ=[φ_α,φ_β]^T,注意Φ和φ具有相同的结构，但是初始条件不同；为了方便标记，在这里引入了ξ≡ψ(0)-Li(0),可以得出

(7)

步骤4、构建初始参数估计观测器；

根据公式(7)可以得出代数关系||φ+ξ||²=||Φ||²，根据公式(3)可以得出代数关系||Φ||²=ψ_m ²，根据这两个公式可以推得

(8)

将滤波器as/(s+a)加载公式两端，得到

(9)

(10)

(11)

||φ||²-ψ_m ²是一个常数，公式(9)中的误差部分作出如下推导

(12)

公式(9)中的Y(φ)与A(φ)都可以通过计算φ来获得，于是公式(9)可以视为具有未知参数ξ的线性方程；

将误差(Y(φ)-A(φ)^Tξ)²最小化，可得

(13)

其中K为增益矩阵；根据公式(13)的关系，可以构建初始参数观测器，根据公式(7)将转子磁链观测器和初始参数估计观测器组合起来，便可以获取转子位置信息；

步骤5、构建带有锁相环的转速观测器；

基于反正切的函数估计的转子位置在 -π到π之间有一个跳变，为了消除此跳变所带来的误差，在转速估计部分引入锁相环，构建转速观测器，使用使用三角函数差来替代角度差，如公式(14)所示:

(14)

对转子位置进行微分便可得到转速，如公式(15)

(15)

其中ω为电机转速,转速观测器，闭环传递函数可以表示为

(16)

其中ω_n为自然振荡频率，ζ为阻尼系数，锁相环的PI系数可由以下公式获得；

(17)

其中kp，ki为锁相环的PI系数；

步骤6、构建id控制器，消除转子位置误差；

当前转子位置与估计转子位置之间的误差用∆θ来表示；

(18)

为了消除转子位置误差，在定义id控制器时，采用了id注入的方式，定义I_dr和I_qr为d轴和q轴实际转速同步参考电流，

(19)

(20)

将上述步骤中的结构加入系统之中，将电机中测得的电压电流信号传入转子磁链观测器，通过对初值的补偿得到转子位置信息的观测值，将所得的观测值送入转速观测器，得到的转子速度信息给入id控制器中，构成速度闭环，内环采用了pi电流闭环，再将内环处理过的信号以SVPWM的方式送入逆变桥。

Claims (1)

1.一种永磁同步电机无传感器控制方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

步骤1、建立表贴式永磁同步电机数学模型，即永磁同步电机基于静止坐标系(α-β坐标系)的电机模型；

(1)

(2)

其中，ψ=[ψ_α, ψ_β]^T为静止坐标系下的定子磁链，ψ_m为永磁体磁链常数，L_S为定子绕组电感,i_ab=[i_α, i_β]T和为静止坐标系下的定子电流，u_ab=[u_α,u_β]^T为静止坐标系下的定子电压，R为定子线圈绕组电阻，θ为转子位置；

步骤2、为了获得转子位置信息，推导出转子磁链的数学模型；

综合上面两个公式可以得出转子磁链的公式为

(3)

其中Φ=[Φ_α,Φ_β]^T，由于ψ=[ψ_α, ψ_β]^T较难测量，而对其进行微分变可以将其转变为公式(2)右端容易获得的基于静止坐标系下的电压和电流；于是对等式两边微分可得

(4)

为了从上述公式中估计出转子位置信息θ，只要得到了转子磁链Φ=[Φ_α,Φ_β]^T，便可从下述公式中获取转子位置信息θ

(5)

步骤3、在步骤2的基础之上引入零初始量，转子磁链构建观测器；

建立一个带有零初始量的参考模型

(6)

其中φ=[φ_α,φ_β]^T,注意Φ和φ具有相同的结构，但是初始条件不同；为了方便标记，在这里引入了ξ≡ψ(0)-Li(0),可以得出

(7)

步骤4、构建初始参数估计观测器；

根据公式(7)可以得出代数关系||φ+ξ||²=||Φ||²，根据公式(3)可以得出代数关系||Φ||²=ψ_m ²，根据这两个公式可以推得

(8)

将滤波器as/(s+a)加载公式两端，得到

(9)

(10)

(11)

||φ||²-ψ_m ²是一个常数，公式(9)中的误差部分作出如下推导

(12)

公式(9)中的Y(φ)与A(φ)都可以通过计算φ来获得，于是公式(9)可以视为具有未知参数ξ的线性方程；

将误差(Y(φ)-A(φ)^Tξ)²最小化，可得

(13)

其中K为增益矩阵；根据公式(13)的关系，可以构建初始参数观测器，根据公式(7)将转子磁链观测器和初始参数估计观测器组合起来，便可以获取转子位置信息；

步骤5、构建带有锁相环的转速观测器；

基于反正切的函数估计的转子位置在 -π到π之间有一个跳变，为了消除此跳变所带来的误差，在转速估计部分引入锁相环，构建转速观测器，使用使用三角函数差来替代角度差，如公式(14)所示:

(14)

对转子位置进行微分便可得到转速，如公式(15)

(15)

其中ω为电机转速,转速观测器，闭环传递函数可以表示为

(16)

其中ω_n为自然振荡频率，ζ为阻尼系数，锁相环的PI系数可由以下公式获得；

(17)

其中kp，ki为锁相环的PI系数；

步骤6、构建id控制器，消除转子位置误差；

当前转子位置与估计转子位置之间的误差用∆θ来表示；

(18)

为了消除转子位置误差，在定义id控制器时，采用了id注入的方式，定义I_dr和I_qr为d轴和q轴实际转速同步参考电流，

(19)

(20)

将上述步骤中的结构加入系统之中，将电机中测得的电压电流信号传入转子磁链观测器，通过对初值的补偿得到转子位置信息的观测值，将所得的观测值送入转速观测器，得到的转子速度信息给入id控制器中，构成速度闭环，内环采用了pi电流闭环，再将内环处理过的信号以SVPWM的方式送入逆变桥。

Images