CN112468029B - 一种五相永磁同步电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

一种五相永磁同步电机无位置传感器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三次谐波反电势的五相永磁同步电机无位置传感器控制方法。步骤1：在线实时采集五相永磁同步电机的相电流，并建立五相永磁同步电机动态模型；步骤2：建立双空间平面转速电流双闭环控制系统，以步骤1中采集到的相电流变换到三次谐波空间估计同步旋转坐标系γ3δ3下，通过闭环控制iγ3＝0，iδ3＝0，获得包含转子位置信息的三次谐波反电势；步骤3：设计一个锁相环用来获取步骤2中三次谐波反电势中的转子位置信息；并将获得的转子位置用于系统的坐标变换和转速反馈。本发明为了消除参数变化引起的误差，提高系统的稳定性和可靠性。

Description

一种五相永磁同步电机无位置传感器控制方法
技术领域
本发明属于电力传动领域；具体涉及一种基于三次谐波反电势的五相永磁同步电机无位置传感器控制方法。
背景技术
在需要大功率、高可靠性和容错能力的系统中，比如电动汽车、船舶飞机电力推进系统，五相永磁同步电机应用广泛。无位置传感器运行为系统在传感器故障的情况下工作提供了保障。
针对电机中高速无位置传感器运行，通常有两种基于电机模型的方法。一种是基于整个电机模型的方法，另一种是基于反电势估计的方法。
基于整个电机模型的常用算法有扩展卡尔曼滤波器和模型参考自适应系统。为了得到准确的计算结果，需要根据不同的电机参数对算法的参数进行精确的修正。由于电机参数在电机运行过程中不断变化，这些算法的稳定性和可靠性受到削弱。为了解决这一问题，需要在线估计电机参数。然而，由于这些方法的应用，系统变得更加复杂，这是对处理器计算能力也是一个考验。
基于反电势的估计方法比基于整个电机模型的方法有优势，因为前者需要较少的参数。例如，不需要永磁体磁链。由参数变化引起的系统误差可以加到观测到的反电动势中。因此，参数鲁棒性明显提高。基于反电动势的方法主要包括直接计算、降阶扩展卡尔曼滤波和滑模观测器。虽然这些方法可以独立于永磁体磁链，但仍然需要精确的电感参数。
对于五相永磁同步电机来说，目前所有的中高速无位置传感器控制算法都不能摆脱对电机参数的依赖。
发明内容
本发明提供了一种基于三次谐波反电势的五相永磁同步电机无位置传感器控制方法，为了消除参数变化引起的误差，提高系统的稳定性和可靠性。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于三次谐波反电势的五相永磁同步电机无位置传感器控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1：在线实时采集五相永磁同步电机的相电流，并建立五相永磁同步电机动态模型；
步骤2：建立双空间平面转速电流双闭环控制系统，以步骤1中采集到的相电流变换到三次谐波空间估计同步旋转坐标系γ3δ3下，通过闭环控制iγ3＝0，iδ3＝0，获得包含转子位置信息的三次谐波反电势；
步骤3：设计一个锁相环用来获取步骤2中三次谐波反电势中的转子位置信息；并将获得的转子位置用于系统的坐标变换和转速反馈。
进一步的，所述步骤1建立五相永磁同步电机动态模型具体为，
Figure GDA0003086211470000021
其中ud1、uq1为基波空间电压，id1、iq1为基波空间电流；ud3、uq3为三次谐波空间电压，id3、iq3为三次谐波空间电流；Rs为定子电阻；Ld1、Lq1为基波电感；Ld3、Lq3为三次谐波电感；L13为基波和三次谐波空间的互感；p为微分算子，ω为转子的电速度，ψm1为基波永磁体磁链，ψm3为三次谐波永磁体磁链；
上述方程就可以简化为：
Figure GDA0003086211470000022
Eex1＝(Ld1-Lq1)(ωid1-piq1)+ωψm1.
Eex3＝(Ld3-Lq3)(3ωid3-piq3)+3ωψm3.
Eex1为基波空间下扩展反电势；Eex3为三次谐波空间下扩展反电势。
进一步的，所述步骤2具体为，引入基波和三次谐波估计旋转坐标系γ1δ1和γ3δ3代替实际旋转坐标系d1q1和d3q3；
Figure GDA0003086211470000023
Figure GDA0003086211470000024
Figure GDA0003086211470000025
其中，ω为实际电角速度，
Figure GDA0003086211470000031
为估计电角速度，θ为转子实际电角度，
Figure GDA0003086211470000032
为转子估计电角度；
实际运行时，能认为
Figure GDA0003086211470000033
同时令
Figure GDA0003086211470000034
所以有
Figure GDA0003086211470000035
当Δθ很小时，
Figure GDA0003086211470000036
进一步的，所述步骤3设计一个锁相环用来获得包含在反电势中的转子位置信息具体为，所述锁相环的传递函数为，
Figure GDA0003086211470000037
本发明的有益效果是：
1.本发明利用三次谐波空间方程估计转子位置，使系统的稳定性和可靠性不依赖电机参数。该方法适用于五相表贴式永磁同步电机(SPMSM)和五相内置式永磁同步电机(IPMSM)。
2.本发明与现有的中高速无位置传感器算法相比，整个转子位置信息获取的过程不需要电机参数，系统的稳定性和可靠性摆脱电机参数的影响，并且在实验中表现优异的静态和动态特性。
3.本发明与传统方法相比，该方法无需知道电机的任何具体参数，节省了参数测量与系统调试时间。
4.本发明电机参数会随系统运行状态不同发生变化，传统算法的稳定性和可靠性，受到电机参数变化的影响，其精度也会随电机参数变化。
5.本发明结构简单，无需观测器等需要额外计算的计算模块，节省了系统的计算资源。
附图说明
附图1双空间平面转速电流双闭环控制系统框图。
附图2估计坐标系γ1δ1和实际坐标系d1q1示意图。
附图3估计坐标系γ3δ3和实际坐标系d3q3示意图。
附图4转子位置估计框图。
附图5稳定转速下实际位置和估计位置的对比图。
附图6突加负载下转速和位置误差变化图。
附图7加减速实验下转速和位置误差变化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-7所示一种基于三次谐波反电势的五相永磁同步电机无位置传感器控制方法，所述控制方法包括以下步骤
步骤1：在线实时采集五相永磁同步电机的相电流，并建立五相永磁同步电机动态模型；
步骤2：建立双空间平面转速电流双闭环控制系统，以步骤1中采集到的相电流变换到三次谐波空间估计同步旋转坐标系γ3δ3下，通过闭环控制iγ3＝0，iδ3＝0，获得包含转子位置信息的三次谐波反电势；
步骤3：设计一个锁相环用来获取步骤2中三次谐波反电势中的转子位置信息；并将获得的转子位置用于系统的坐标变换和转速反馈。
进一步的，所述步骤1建立五相永磁同步电机动态模型具体为，
Figure GDA0003086211470000041
其中ud1、uq1为基波空间电压，id1、iq1为基波空间电流；ud3、uq3为三次谐波空间电压，id3、iq3为三次谐波空间电流；Rs为定子电阻；Ld1、Lq1为基波电感；Ld3、Lq3为三次谐波电感；L13为基波和三次谐波空间的互感；p为微分算子，ω为转子的电速度，ψm1为基波永磁体磁链，ψm3为三次谐波永磁体磁链；
由于L13很小，所以可以被忽略；上述方程就可以简化为：
Figure GDA0003086211470000042
Eex1＝(Ld1-Lq1)(ωid1-piq1)+ωψm1.
Eex3＝(Ld3-Lq3)(3ωid3-piq3)+3ωψm3.
Eex1为基波空间下扩展反电势；Eex3为三次谐波空间下扩展反电势。
进一步的，所述步骤2具体为，引入基波和三次谐波估计旋转坐标系γ1δ1和γ3δ3代替实际旋转坐标系d1q1和d3q3；
Figure GDA0003086211470000051
Figure GDA0003086211470000052
Figure GDA0003086211470000053
其中，ω为实际电角速度，
Figure GDA0003086211470000054
为估计电角速度，θ为转子实际电角度，
Figure GDA0003086211470000055
为转子估计电角度；
实际运行时，能认为
Figure GDA0003086211470000056
同时令
Figure GDA0003086211470000057
所以有
Figure GDA0003086211470000058
当Δθ很小时，
Figure GDA0003086211470000059
进一步的，所述步骤3设计一个锁相环用来获得包含在反电势中的转子位置信息具体为，所述锁相环的传递函数为，
Figure GDA00030862114700000510

Claims (2)

1.一种基于三次谐波反电势的五相永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
步骤1：在线实时采集五相永磁同步电机的相电流，并建立五相永磁同步电机动态模型；
步骤2：建立双空间平面转速电流双闭环控制系统，以步骤1中采集到的相电流变换到三次谐波空间估计同步旋转坐标系γ3δ3下，通过闭环控制iγ3＝0，iδ3＝0，获得包含转子位置信息的三次谐波反电势；
步骤3：设计一个锁相环用来获取步骤2中三次谐波反电势中的转子位置信息；并将获得的转子位置用于系统的坐标变换和转速反馈；
所述步骤1建立五相永磁同步电机动态模型具体为，
Figure FDA0003203684430000011
其中ud1、uq1为基波空间电压，id1、iq1为基波空间电流；ud3、uq3为三次谐波空间电压，id3、iq3为三次谐波空间电流；Rs为定子电阻；Ld1、Lq1为基波电感；Ld3、Lq3为三次谐波电感；L13为基波和三次谐波空间的互感；p为微分算子，ω为实际电角速度，ψm1为基波永磁体磁链，ψm3为三次谐波永磁体磁链；
由于L13很小，所以可以被忽略；上述方程就可以简化为：
Figure FDA0003203684430000012
Eex1＝(Ld1-Lq1)(ωid1-piq1)+ωψm1.
Eex3＝(Ld3-Lq3)(3ωid3-piq3)+3ωψm3.
Eex1为基波空间下扩展反电势；Eex3为三次谐波空间下扩展反电势；
所述步骤2具体为，引入基波和三次谐波估计旋转坐标系γ1δ1和γ3δ3代替实际旋转坐标系d1q1和d3q3；
Figure FDA0003203684430000021
Figure FDA0003203684430000022
Figure FDA0003203684430000023
其中，ω为实际电角速度，
Figure FDA0003203684430000024
为估计电角速度，θ为转子实际电角度，
Figure FDA0003203684430000025
为转子估计电角度；ud1、uq1为基波空间电压，id1、iq1为基波空间电流；ud3、uq3为三次谐波空间电压，id3、iq3为三次谐波空间电流；Rs为定子电阻；Ld1、Lq1为基波电感；Ld3、Lq3为三次谐波电感；L13为基波和三次谐波空间的互感；p为微分算子，ψm1为基波永磁体磁链，ψm3为三次谐波永磁体磁链；
实际运行时，能认为
Figure FDA0003203684430000026
同时令
Figure FDA0003203684430000027
所以有
Figure FDA0003203684430000028
当Δθ很小时，
Figure FDA0003203684430000029
2.根据权利要求1所述一种基于三次谐波反电势的五相永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤3设计一个锁相环用来获得包含在反电势中的转子位置信息具体为，所述锁相环的传递函数为，
Figure FDA00032036844300000210
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