CN112671298A - 改进的用于永磁同步电机控制的pll无感控制系统及算法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统及算法，包括：步骤1，通过信号采集模块对永磁同步电机的相电流进行采集，得到A相的相电流和B相的相电流；步骤2，将A相的相电流和B相的相电流输入Clarke变换单元中进行Clarke变换，得到α轴电流和β轴电流，将α轴电流和β轴电流输入改进PLL估算器和Park变换单元；步骤3，角度生成单元自动生成第一转子角度并将第一转子角度输入角度切换单元。本发明实现了永磁同步电机稳定的无感控制，降低了永磁同步电机的控制成本，拓宽了永磁同步电机的应用领域，能够在额定负载范围内，在5％～100％的额定转速下准确估算转子的转速和位置，消除了系统的非线性影响，提高了系统的抗负载扰动能力。

Description

改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统及算法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，特别涉及一种改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统及算法。

背景技术

随着科学技术的发展以及人们对生活水平需求的不断提高，目前对节能环保、低碳、低噪音生活要求越来越高。在号称工业控制的心脏的永磁同步电机控制领域对永磁同步电机的高效稳定控制要求也越来越高。永磁同步电机以其结构简单、噪音小、寿命长、功率密度大、效率高等有点，广受人们的欢迎和行业的重视。在一些低端应用场合，如白色家电、电动工具、交通工具等，以及一些特殊场合无法安装传感器，如油泵、水泵等，为了降低成本、提高控制的稳定性，永磁同步电机的无感FOC(磁场定向)控制也越来越受到重视，无感FOC算法在业内一直是一项核心技术和难点。

现有的无感FOC控制主流算法有：滑模观测器、PLL(锁相环)估算器、高频注入法。高频注入法在永磁同步电机的离线参数辨识和低速运行时应用角度，对于永磁同步电机的高速运行不太实用；传统的滑模观测器在做转子位置观测时角度观测精度不佳、受参数影响大、非线性强、抗负载扰动能力差，只适合做实验样机调试用，难以在产品上应用；PLL估算器的性能，相比滑模观测器的有一定的改善，如：角度估算精度有所提高、且线性度稍好等，但还是有较大改善的空间。

发明内容

本发明提供了一种改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统及算法，其目的是为了解决传统的永磁同步电机控制技术角度观测精度不佳，受参数影响大，非线性强，抗负载扰动能力差的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统，包括：

数字信号处理器，所述数字信号处理器用于控制永磁同步电机运转，所述数字信号处理器包括改进的PLL无感控制算法模块；

调速按钮模块，所述调速按钮模块与所述数字信号处理器的模数转换端口电连接，所述调速按钮模块用于控制永磁同步电机的转速；

三相半桥驱动模块，所述三相半桥驱动模块的第一端与所述数字信号处理器的第一端电连接，所述三相半桥驱动模块用于驱动永磁同步电机运转；

永磁同步电机，所述永磁同步电机的第一端与所述三相半桥驱动模块的第二端电连接；

信号采集模块，所述信号采集模块的第一端与永磁同步电机的第二端电连接，所述信号采集模块的第二端与所述数字信号处理器的第二端电连接，所述信号采集模块用于采集永磁同步电机的反电势电压和相电流。

其中，所述改进的PLL无感控制算法模块包括：

速度环单元，所述速度环单元的第一端与所述调速按钮模块电连接；

第一电流环单元，所述第一电流环单元的第一端输入零；

第二电流环单元，所述第二电流环单元的第一端与所述速度环单元的第二端电连接；

Park逆变换单元，所述Park逆变换单元的第一端与所述第一电流环单元的第二端电连接，所述Park逆变换单元的第二端与所述第二电流环单元的第二端电连接；

Park变换单元，所述Park变换单元的第一端与所述第一电流环单元的第一端电连接，所述Park变换单元的第二端与所述第二电流环单元的第一端电连接；

角度切换单元，所述角度切换单元的第一端分别与所述Park变换单元的第三端和所述Park逆变换单元的第三端电连接；

角度生成单元，所述角度生成单元的第一端与所述角度切换单元的第二端电连接；

SVPWM变换单元，所述SVPWM变换单元的第一端与所述Park逆变换单元的第四端电连接，所述SVPWM变换单元的第二端与所述Park逆变换单元的第五端电连接，所述SVPWM变换单元的第三端、第四端和第五端与所述三相半桥驱动模块电连接；

Clarke变换单元，所述Clarke变换单元的第一端与所述Park变换单元的第四端电连接，所述Clarke变换单元的第二端与所述Park变换单元的第五端电连接，所述Clarke变换单元的第三端和第四端与所述永磁同步电机电连接；

改进PLL估算器，所述改进PLL估算器的第一端与所述角度切换单元的第三端电连接，所述改进PLL估算器的第二端与所述速度环单元的第一端电连接，所述改进PLL估算器的第三端与所述Park变换单元的第四端电连接，所述改进PLL估算器的第四端与所述Park变换单元的第五端电连接。

本发明的实施例还提供了一种改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制算法，包括：

步骤1，通过信号采集模块对永磁同步电机的相电流进行采集，得到A相的相电流和B相的相电流；

步骤2，将A相的相电流和B相的相电流输入Clarke变换单元中进行Clarke变换，得到α轴电流和β轴电流，将α轴电流和β轴电流输入改进PLL估算器和Park变换单元；

步骤3，角度生成单元自动生成第一转子角度并将第一转子角度输入角度切换单元；

步骤4，将α轴电压和β轴电压输入改进PLL估算器，改进PLL估算器根据α轴电流和β轴电流和α轴电压和β轴电压进行角度计算，改进PLL估算器输出估算的第二转子角度和速度值，且将估算的第二转子角度输入角度切换单元；

步骤5，角度切换单元根据永磁同步电机的运行状态进行角度切换，且在角度切换过程中加入平顺启动算法用于角度切换辅助，得到切换后的角度，将切换后的角度分别输入Park变换单元和Park逆变换单元，Park变换单元根据α轴电流和β轴电流和切换后的角度值进行Park变换，得到d轴电流和q轴电流；

步骤6，将d轴电流给定值设为零输入第一电流环单元，将d轴电流输入第一电流环单元，第一电流环单元根据输入的d轴电流和d轴电流给定值采用PI控制进行计算，得到d轴电压；

步骤7，将改进PLL估算器输出的速度值和调速按钮模块输出的指令转速输入速度环单元中进行PI控制，得到q轴电流给定值，将q轴电流给定值输入第二电流环单元，将q轴电流输入第二电流环单元，第二电流环单元根据输入的q轴电流和q轴电流给定值采用PI控制进行计算，得到q轴电压；

步骤8，将d轴电压和q轴电压输入Park逆变换单元进行Park逆变换，得到α轴电压和β轴电压，将α轴电压和β轴电压输入SVPWM变换单元和改进PLL估算器，在SVPWM变换单元中对永磁同步电机转子当前所处的扇区进行判断，并计算三个电压矢量，根据判断出的永磁同步电机转子当前所处的扇区和计算出的电压矢量，计算三相PWM的占空比，并将三相PWM输出至三相半桥驱动模块，通过三相半桥驱动模块控制永磁同步电机运转。

其中，所述步骤1和所述步骤2具体包括：

通过信号采集模块采集永磁同步电机的相电流I_a和I_b，将采集的相电流I_a和I_b输入Clarke变换单元进行Clarke变换，如下所示：

其中，I_α表示α轴电流，I_β表示β轴电流，I_a表示A相的相电流，I_b表示B相的相电流；

将α轴电流I_α和β轴电流I_β输入Park变换单元，进行Park变换，得到d轴电流I_d和q轴电流I_q，如下所示：

其中，I_d表示d轴电流，I_q表示q轴电流，θ表示角度切换单元输出的角度。

其中，所述步骤3具体包括：

角度生成单元采用恒流升频法对永磁同步电机的转速进行加速，在角度生成单元设定加速度的终点转速V，根据加速时间确定加速度a，根据加速度a确定实时转速V_t，判断实时转速V_t是否小于加速度的终点转速V，当实时转速V_t小于加速度的终点转速V时，角度生成单元中的实时转速V_t等于实时转速V_t与加速度a之和，新的第一转子角度θ₁等于当前第一转子角度θ₁与实时转速V_t之和，得到第一转子角度。

其中，所述步骤4具体包括：

在改进PLL估算器中输入α轴电流I_α、β轴电流I_β、α轴电压V_α和β轴电压V_β，永磁同步电机的数学模型公式，如下所示：

其中，V_α表示α轴电压，V_β表示β轴电压，R_s表示永磁同步电机电阻，L_s表示永磁同步电机电感，i_α表示α轴电流，i_β表示β轴电流，E_α表示α轴反电势电压，E_β表示β轴反电势电压；

根据永磁同步电机的数学模型公式，得到：

将得到的α轴反电势电压E_α和β轴反电势电压E_β进行Park变换，得到d轴反电势电压E_d和q轴反电势电压E_q，分别对d轴反电势电压E_d和q轴反电势电压E_q进行滤波，滤波系数的选择为能使滤波截止频率在PWM载波频率点，滤除三相半桥驱动模块中MOS管的开关信号的影响，得到估算的q轴反电势电压E_{d_f}和估算的q轴反电势电压E_{q_f}；

将估算的d轴反电势电压E_{d_f}输入PID控制环路，给定PID控制环路的参考为0，得到PID控制环路的输出，将PID控制环路的输出作为反电动势系数K_e，将反电动势系数K_e代入以下公式进行计算：

其中，ω_est表示估算的永磁同步电机转速，K_e表示永磁同步电机反电动势系数，E_{q_f}表示估算的q轴反电势电压，E_{d_f}表示估算的d轴反电势电压，sgn表示正反号判断函数；

将估算的永磁同步电机转速ω_est进行积分，得到估算的第二转子角度。

其中，所述步骤5具体包括：

将第一转子角度θ₁和估算的第二转子角度θ₂输入角度切换单元，当永磁同步电机处于加速阶段时，角度切换单元选择角度生成单元输出的第一转子角度θ₁分别输入Park变换单元和Park逆变换单元，当永磁同步电机处于正常运行阶段，实时转速V_t不小于加速度的终点转速V时，角度切换单元读取改进PLL估算器中估算的第二转子角度θ₂，将新的第一转子角度θ₁减去估算的第二转子角度θ₂，得到第一转子角度θ₁和估算的第二转子角度θ₂之间的角度偏差，判断角度偏差的绝对值是否大于0.05°，当角度偏差的绝对值不大于0.05°时，永磁同步电机进入正常运行阶段，角度切换单元将估算的第二转子角度θ₂作为第二转子角度θ₃输出；当角度偏差的绝对值大于0.05°时，判断角度偏差是否大于0，当角度偏差大于0时，新的角度偏差等于当前角度偏差加0.05°，第二转子角度θ₃等于估算的第二转子角度θ₂加新的角度偏差；当角度偏差小于0时，新的角度偏差等于当前角度偏差减去0.05°，第二转子角度θ₃等于估算的第二转子角度θ₂加新的角度偏差，得到第二转子角度θ₃，角度切换单元将第二转子角度θ₃分别输入Park变换单元和Park逆变换单元；Park变换单元根据Clarke变换后的第一相电流、第二相电流和角度切换单元输出的角度进行Park变换，得到Park变换后的d轴电流I_d和q轴电流I_q。

其中，所述步骤6具体包括：

将第一电流环单元的输入d轴电流给定值I_dref设为零，将d轴电流I_d作为第一电流环单元的反馈，在第一电流环单元中采用PI控制，得到d轴电压V_d。

其中，所述步骤7具体包括：

在永磁同步电机正常运行阶段执行速度环单元，速度环单元的输入为调速按钮模块输出的指令转速，速度环单元的反馈为改进PLL估算器的速度输出，速度环单元输出q轴电流给定值I_qref，将速度环单元输出的q轴电流给定值I_qref作为第二电流环单元的输入，将q轴电流I_q作为第二电流环单元的反馈，在第二电流环单元中采用PI控制，得到q轴电压V_q。

其中，所述步骤8具体包括：

将V_d和V_q输入Park逆变换单元进行Park逆变换，得到α轴电压V_α和β轴电压V_β，如下所示：

其中，V_α表示α轴电压，V_β表示β轴电压，V_d表示d轴电压，V_q表示q轴电压；

将α轴电压V_α和β轴电压V_β输入三相半桥驱动模块中进行扇区判断，并计算基本的电压矢量V_a、V_b和V_c，根据永磁同步电机转子当前所处的扇区和三个基本电压矢量，计算三相PWM的占空比，输出PWM至三相半桥驱动模块，通过三相半桥驱动模块驱动永磁同步电机运转。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明的上述实施例所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统及算法，实现了永磁同步电机稳定的无感控制，能够在额定负载范围内，在5％～100％的额定转速下准确估算转子的转速和位置，消除了系统的非线性影响，提高了系统的抗负载扰动能力，提升了转子位置观测精度，扩大了永磁同步电机的转速运行范围，改善了动静态控制性能，提高了永磁同步电机无感控制的稳定性，降低了永磁同步电机控制成本，拓宽了永磁同步电机的应用领域。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的系统框图；

图3为本发明的具体结构示意图；

图4为本发明的角度切换单元的操作流程示意图；

图5为本发明的改进PLL估算器控制框图；

图6为本发明的速度环单元控制框图；

图7为本发明的第一电流环单元控制框图；

图8为本发明的第二电流环单元控制框图；

图9为本发明的SVPWM变换单元流程图；

图10(a)为传统PLL估算器空载时转子角度波形示意图；

图10(b)为本发明的改进PLL估算器空载时转子角度波形示意图；

图11(a)为传统PLL估算器70％负载时转子角度波形示意图；

图11(b)为本发明的改进PLL估算器70％负载时转子角度波形示意图；

图12为本发明的改进PLL估算器带负载时的电流波形示意图。

【附图标记说明】

1-数字信号处理器；2-改进PLL无感控制算法模块；3-调速按钮模块；4-三相半桥驱动模块；5-永磁同步电机；6-信号采集模块；7-速度环单元；8-第一电流环单元；9-第二电流环单元；10-Park逆变换单元；11-Park变换单元；12-角度切换单元；13-角度生成单元；14-SVPWM变换单元；15-Clarke变换单元；16-改进PLL估算器。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的永磁同步电机控制技术角度观测精度不佳，受参数影响大，非线性强，抗负载扰动能力差的问题，提供了一种改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统及算法。

如图1至图2所示，本发明的实施例提供了一种改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统，包括：数字信号处理器1，所述数字信号处理器1用于控制永磁同步电机5运转，所述数字信号处理器1包括改进的PLL无感控制算法模块；调速按钮模块3，所述调速按钮模块3与所述数字信号处理器1的模数转换端口电连接，所述调速按钮模块3用于控制永磁同步电机5的转速；三相半桥驱动模块4，所述三相半桥驱动模块4的第一端与所述数字信号处理器1的第一端电连接，所述三相半桥驱动模块4用于驱动永磁同步电机5运转；永磁同步电机5，所述永磁同步电机5的第一端与所述三相半桥驱动模块4的第二端电连接；信号采集模块6，所述信号采集模块6的第一端与永磁同步电机5的第二端电连接，所述信号采集模块6的第二端与所述数字信号处理器1的第二端电连接，所述信号采集模块6用于采集永磁同步电机5的反电势电压和相电流。

本发明的上述实施例所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统及算法，通过所述调速按钮模块3控制电机的转速，将所述调速按钮模块3与所述数字信号处理器1的模数转换端口连接，以采集准确的转速指令，所述三相半桥驱动模块4主要由6个MOS管及其驱动电路组成，所述永磁同步电机5为系统的控制对象；所述信号采样模块采集永磁同步电机5运行过程中的一些实时信号，如反电势电压、相电流等，所述改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统及算法只需要采集两相电流，采集到的信号经放大、滤波等处理，传送至所述数字信号处理器1，所述数字信号处理器1相当于整个系统的大脑，一方面接收用户的速度指令；另一方面，采集电机的实时运行状态和信号，通过所述改进PLL无感控制算法模块2计算处理，输出相应的PWM波至所述三相半桥驱动模块4，并最终控制所述永磁同步电机5的正确运转。

其中，所述改进的PLL无感控制算法模块包括：速度环单元7，所述速度环单元7的第一端与所述调速按钮模块3电连接；第一电流环单元8，所述第一电流环单元8的第一端输入零；第二电流环单元9，所述第二电流环单元9的第一端与所述速度环单元7的第二端电连接；Park逆变换单元10，所述Park逆变换单元10的第一端与所述第一电流环单元8的第二端电连接，所述Park逆变换单元10的第二端与所述第二电流环单元9的第二端电连接；Park变换单元11，所述Park变换单元11的第一端与所述第一电流环单元8的第一端电连接，所述Park变换单元11的第二端与所述第二电流环单元9的第一端电连接；角度切换单元12，所述角度切换单元12的第一端分别与所述Park变换单元11的第三端和所述Park逆变换单元10的第三端电连接；角度生成单元13，所述角度生成单元13的第一端与所述角度切换单元12的第二端电连接；SVPWM变换单元14，所述SVPWM变换单元14的第一端与所述Park逆变换单元10的第四端电连接，所述SVPWM变换单元14的第二端与所述Park逆变换单元10的第五端电连接，所述SVPWM变换单元14的第三端、第四端和第五端与所述三相半桥驱动模块4电连接；Clarke变换单元15，所述Clarke变换单元15的第一端与所述Park变换单元11的第四端电连接，所述Clarke变换单元15的第二端与所述Park变换单元11的第五端电连接，所述Clarke变换单元15的第三端和第四端与所述永磁同步电机5电连接；改进PLL估算器16，所述改进PLL估算器16的第一端与所述角度切换单元12的第三端电连接，所述改进PLL估算器16的第二端与所述速度环单元7的第一端电连接，所述改进PLL估算器16的第三端与所述Park变换单元11的第四端电连接，所述改进PLL估算器16的第四端与所述Park变换单元11的第五端电连接。

如图3至图12所示，本发明的实施例还提供了一种改进的用于永磁同步电机5控制的PLL无感控制算法，包括：步骤1，通过信号采集模块对永磁同步电机的相电流进行采集，得到A相的相电流和B相的相电流；步骤2，将A相的相电流和B相的相电流输入Clarke变换单元中进行Clarke变换，得到α轴电流和β轴电流，将α轴电流和β轴电流输入改进PLL估算器和Park变换单元；步骤3，角度生成单元自动生成第一转子角度并将第一转子角度输入角度切换单元；步骤4，将α轴电压和β轴电压输入改进PLL估算器，改进PLL估算器根据α轴电流和β轴电流和α轴电压和β轴电压进行角度计算，改进PLL估算器输出估算的第二转子角度和速度值，且将估算的第二转子角度输入角度切换单元；步骤5，角度切换单元根据永磁同步电机的运行状态进行角度切换，且在角度切换过程中加入平顺启动算法用于角度切换辅助，得到切换后的角度，将切换后的角度分别输入Park变换单元和Park逆变换单元，Park变换单元根据α轴电流和β轴电流和切换后的角度值进行Park变换，得到d轴电流和q轴电流；步骤6，将d轴电流给定值设为零输入第一电流环单元，将d轴电流输入第一电流环单元，第一电流环单元根据输入的d轴电流和d轴电流给定值采用PI控制进行计算，得到d轴电压；步骤7，将改进PLL估算器输出的速度值和调速按钮模块输出的指令转速输入速度环单元中进行PI控制，得到q轴电流给定值，将q轴电流给定值输入第二电流环单元，将q轴电流输入第二电流环单元，第二电流环单元根据输入的q轴电流和q轴电流给定值采用PI控制进行计算，得到q轴电压；步骤8，将d轴电压和q轴电压输入Park逆变换单元进行Park逆变换，得到α轴电压和β轴电压，将α轴电压和β轴电压输入SVPWM变换单元和改进PLL估算器，在SVPWM变换单元中对永磁同步电机转子当前所处的扇区进行判断，并计算三个电压矢量，根据判断出的永磁同步电机转子当前所处的扇区和计算出的电压矢量，计算三相PWM的占空比，并将三相PWM输出至三相半桥驱动模块，通过三相半桥驱动模块控制永磁同步电机运转。

本发明的上述实施例所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统及算法，控制对象为所述永磁同步电机5，通过所述信号采集模块6采集所述永磁同步电机5A相和B相的相电流，将采集A相和B相的相电流输入所述数字信号处理器1的所述改进的PLL无感控制算法模块中，通过所述Clarke变换单元15对采集的A相和B相的相电流进行Clarke变换，得到α轴电流和β轴电流，将α轴电流和β轴电流输入所述Park变换单元11和所述改进PLL估算器16，所述Park变换单元11输出d轴电流和q轴电流，将d轴电流输入所述第一电流环单元8，将q轴电流输入所述第二电流环单元9，所述角度生成单元13采用恒流升频法将所述永磁同步电机5的转速进行加速，生成第一转子角度并输入所述角度切换单元12，所述改进PLL估算器16输出估算的第二转子角度到所述角度切换单元12，在所述永磁同步电机5正常运行状态下所述角度切换单元12采用平顺启动算法计算第二转子角度，所述改进PLL估算器16输出速度值到所述速度环单元7，所述速度环单元7另一输入为所述调速按钮模块3输出的指令转速，所述第一电流环单元8另一路输入的d轴电流给定值设为零，所述速度环单元7输出q轴电流给定值到所述第二电流环单元9，所述角度切换单元12根据所述永磁同步电机5的运行状态在第一转子角度和第二转子角度间切换，所述角度切换单元12将输出的角度分别输入所述Park变换单元11和所述Park逆变换单元10，所述第一电流环单元8输出d轴电压到所述Park逆变换单元10，所述第二电流环单元9输出q轴电压到所述Park逆变换单元10，所述Park逆变换单元10输出α轴电压和β轴电压到所述SVPWM单元14和所述改进PLL估算器16，所述SVPWM单元14输出三路PWM到所述三相半桥驱动模块4用于驱动所述永磁同步电机5运转，实现对所述永磁同步电机5的无感控制。

其中，所述步骤1和所述步骤2具体包括：通过信号采集模块采集永磁同步电机的相电流I_a和I_b，将采集的相电流I_a和I_b输入Clarke变换单元进行Clarke变换，如下所示：

其中，I_α表示α轴电流，I_β表示β轴电流，I_a表示A相的相电流，I_b表示B相的相电流；

将α轴电流I_α和β轴电流I_β输入Park变换单元，进行Park变换，得到d轴电流I_d和q轴电流I_q，如下所示：

其中，I_d表示d轴电流，I_q表示q轴电流，θ表示角度切换单元输出的角度。

其中，所述步骤3具体包括：角度生成单元采用恒流升频法对永磁同步电机的转速进行加速，在角度生成单元设定加速度的终点转速V，根据加速时间确定加速度a，根据加速度a确定实时转速V_t，判断实时转速V_t是否小于加速度的终点转速V，当实时转速V_t小于加速度的终点转速V时，角度生成单元中的实时转速V_t等于实时转速V_t与加速度a之和，新的第一转子角度θ₁等于当前第一转子角度θ₁与实时转速V_t之和，得到第一转子角度。

本发明的上述实施例所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统及算法，所述角度生成单元13采用恒流升频法进行加速，通过实验确认在最大负载的情况下，以一定加速度达到一定转速所需的最小电流，然后以该电流运转将电机加速到足以准确估算转子转速和位置的转速。如图4，首先根据确定加速阶段的终点转速，如额定转速的5％；然后，根据加速时间，确定加速度；得到加速度后，就可以知道实时的转速；最后转速的累加即可得到实时的第一转子角度。

其中，所述步骤4具体包括：在改进PLL估算器中输入α轴电流I_α、β轴电流I_β、α轴电压V_α和β轴电压V_β，永磁同步电机的数学模型公式，如下所示：

其中，V_α表示α轴电压，V_β表示β轴电压，R_s表示永磁同步电机电阻，L_s表示永磁同步电机电感，i_α表示α轴电流，i_β表示β轴电流，E_α表示α轴反电势电压，E_β表示β轴反电势电压；

根据永磁同步电机的数学模型公式，得到：

将得到的α轴反电势电压E_α和β轴反电势电压E_β进行Park变换，得到d轴反电势电压E_d和q轴反电势电压E_q，分别对d轴反电势电压E_d和q轴反电势电压E_q进行滤波，滤波系数的选择为能使滤波截止频率在PWM载波频率点，滤除三相半桥驱动模块4中MOS管的开关信号的影响，得到估算的q轴反电势电压E_{d_f}和估算的q轴反电势电压E_{q_f}；

将估算的d轴反电势电压E_{d_f}输入PID控制环路，给定PID控制环路的参考为0，得到PID控制环路的输出，将PID控制环路的输出作为反电动势系数K_e，将反电动势系数K_e代入以下公式进行计算：

其中，ω_est表示估算的永磁同步电机转速，K_e表示永磁同步电机反电动势系数，E_{q_f}表示估算的q轴反电势电压，E_{d_f}表示估算的d轴反电势电压，sgn表示正反号判断函数；

将估算的永磁同步电机转速ω_est进行积分，得到估算的第二转子角度。

本发明的上述实施例所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统及算法，如图5，所述改进PLL估算器16的总体思路：将α轴电流I_α、β轴电流I_β、α轴电压V_α和β轴电压V_β输入所述改进PLL估算器16中进行计算，得到α轴反电势电压E_α和β轴反电势电压E_β，将α轴反电势电压E_α和β轴反电势电压E_β进行Park变换得到d轴反电势电压E_d和q轴反电势电压E_q，分别对d轴反电势电压E_d和q轴反电势电压E_q进行滤波，得到E_{d_f}和E_{q_f}，对滤波后的E_{d_f}进行PID(比例、积分、微分控制器)闭环控制，输出反电动势系数K_e，根据得到的反电动势E_{d_f}、E_{q_f}和反电动势系数K_e，估算电机的转子转速ω_est，对转速ω_est进行积分，得到估算的第二转子角度。

本发明的上述实施例所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统及算法，采用所述永磁同步电机5，2对极，额定转速为3000转，额定电流为5.9A，如图10(a)为空载时通过传统PLL估算器控制所述永磁同步电机5运行，如图10(b)空载时通过改进PLL估算器16来控制所述永磁同步电机5运行，如图11(a)为70％负载时通过传统PLL估算器控制所述永磁同步电机5运行，如图11(b)70％负载时通过改进PLL估算器16来控制所述永磁同步电机5运行，x波形为通过角度传感器检测的转子角度波形(可认为是实际的转子角度波形)，y波形为通过估算器估算的第二转子角度波形。通过对比发现：无论是空载还是带负载，传统的PLL估算器估算出来的角度都有一定的偏差，而且这种偏差会随着负载变换而变换，在70％负载时，已经有较严重的非线性了，难以实现稳定的电机控制，本发明的改进的PLL估算器，无论是空载还是带负载时，改进的PLL估算器估算出来的转子角度都与实际的转子角度有高度的吻合。图12为带负载时测得的相电流波形，从图12中可以看出，相电流成标准的正弦波形，而且估算角度与实际角度高度重合，验证了所述改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统的正确性。

其中，所述步骤5具体包括：将第一转子角度θ₁和估算的第二转子角度θ₂输入角度切换单元，当永磁同步电机处于加速阶段时，角度切换单元选择角度生成单元输出的第一转子角度θ₁分别输入Park变换单元和Park逆变换单元，当永磁同步电机处于正常运行阶段，实时转速V_t不小于加速度的终点转速V时，角度切换单元读取改进PLL估算器中估算的第二转子角度θ₂，将新的第一转子角度θ₁减去估算的第二转子角度θ₂，得到第一转子角度θ₁和估算的第二转子角度θ₂之间的角度偏差，判断角度偏差的绝对值是否大于0.05°，当角度偏差的绝对值不大于0.05°时，永磁同步电机进入正常运行阶段，角度切换单元将估算的第二转子角度θ₂作为第二转子角度θ₃输出；当角度偏差的绝对值大于0.05°时，判断角度偏差是否大于0，当角度偏差大于0时，新的角度偏差等于当前角度偏差加0.05°，第二转子角度θ₃等于估算的第二转子角度θ₂加新的角度偏差；当角度偏差小于0时，新的角度偏差等于当前角度偏差减去0.05°，第二转子角度θ₃等于估算的第二转子角度θ₂加新的角度偏差，得到第二转子角度θ₃，角度切换单元将第二转子角度θ₃分别输入Park变换单元和Park逆变换单元；Park变换单元根据Clarke变换后的第一相电流、第二相电流和角度切换单元输出的角度进行Park变换，得到Park变换后的d轴电流I_d和q轴电流I_q。

本发明的上述实施例所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统及算法，所述角度生成单元13为了产生足够的反电动势以估算转子转速和位置，需要先将电机转速加速到一定速度，在加速阶段和正常运行阶段之间有一个短暂的过度过程，在加速阶段中运算所用到的角度是根据目标转速和加速度计算得到的角度，并非是转子的实际角度；而所述永磁同步电机5正常运行阶段所用的角度则是第二转子角度，故存在一个切换过程，为了防止角度直接切换造成的转矩冲击，需要做一个平滑的过度。所述角度切换单元12采用平顺启动算法在角度切换瞬间，根据电机运行效果设定偏差角度，然后设定偏差角度为0.05°，计算第一转子角度和估算的第二转子角度两者之差；当第一转子角度和估算的第二转子角度之间的偏差角度的绝对值小于0.05°时，所述角度切换单元12输出估算的第二转子角度，当第一转子角度和估算的第二转子角度之间的偏差角度的绝对值大于0.05°时，以设定偏差角度为0.05°的步距由第一转子角度向估算的第二转子角度进行靠近，直至角度偏差小于设定角度0.05°，得到第二转子角度，所述角度切换单元12输出第二转子角度，平顺启动算法具体流程如图4，所述角度切换单元12根据电机运行的阶段的不同进行相应的角度切换策略，选择第一转子角度或第二转子角度，当所述永磁同步电机5运转加速阶段时，选择所述角度切换单元12输出的第一转子角度输入到Park变换单元11和Park逆变换单元10中进行计算；当所述永磁同步电机5处于正常运行阶段时，加速阶段过后为正常运行阶段，所述角度切换单元12输出的第二转子角度输入到所述Park变换单元11和所述Park逆变换单元10中进行计算。

其中，所述步骤6具体包括：将第一电流环单元的输入d轴电流给定值I_dref设为零，将d轴电流I_d作为第一电流环单元的反馈，在第一电流环单元中采用PI控制，得到d轴电压V_d。

其中，所述步骤7具体包括：在永磁同步电机正常运行阶段执行速度环单元，速度环单元的输入为调速按钮模块输出的指令转速，速度环单元的反馈为改进PLL估算器的速度输出，速度环单元输出q轴电流给定值I_qref，将速度环单元输出的q轴电流给定值I_qref作为第二电流环单元的输入，将q轴电流I_q作为第二电流环单元的反馈，在第二电流环单元中采用PI控制，得到q轴电压V_q。

其中，所述步骤8具体包括：将V_d和V_q输入Park逆变换单元进行Park逆变换，得到α轴电压V_α和β轴电压V_β，如下所示：

其中，V_α表示α轴电压，V_β表示β轴电压，V_d表示d轴电压，V_q表示q轴电压；

将α轴电压V_α和β轴电压V_β输入三相半桥驱动模块中进行扇区判断，并计算基本的电压矢量V_a、V_b和V_c，根据永磁同步电机转子当前所处的扇区和三个基本电压矢量，计算三相PWM的占空比，输出PWM至三相半桥驱动模块，通过三相半桥驱动模块驱动永磁同步电机运转。

本发明的上述实施例所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统及算法，实现了所述永磁同步电机5稳定的无感控制，能够在额定负载范围内，在5％～100％的额定转速下准确估算转子的转速和位置，消除了系统的非线性影响，提高了系统的抗负载扰动能力，提升了转子位置观测精度，扩大了所述永磁同步电机5的转速运行范围，改善了动静态控制性能，提高了所述永磁同步电机5无感控制的稳定性，降低了永磁同步电机5控制成本，拓宽了所述永磁同步电机5的应用领域。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统，其特征在于，包括：

数字信号处理器，所述数字信号处理器用于控制永磁同步电机运转，所述数字信号处理器包括改进的PLL无感控制算法模块；

调速按钮模块，所述调速按钮模块与所述数字信号处理器的模数转换端口电连接，所述调速按钮模块用于控制永磁同步电机的转速；

三相半桥驱动模块，所述三相半桥驱动模块的第一端与所述数字信号处理器的第一端电连接，所述三相半桥驱动模块用于驱动永磁同步电机运转；

永磁同步电机，所述永磁同步电机的第一端与所述三相半桥驱动模块的第二端电连接；

信号采集模块，所述信号采集模块的第一端与永磁同步电机的第二端电连接，所述信号采集模块的第二端与所述数字信号处理器的第二端电连接，所述信号采集模块用于采集永磁同步电机的反电势电压和相电流。

2.根据权利要求1所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统，其特征在于，所述改进的PLL无感控制算法模块包括：

速度环单元，所述速度环单元的第一端与所述调速按钮模块电连接；

第一电流环单元，所述第一电流环单元的第一端输入零；

第二电流环单元，所述第二电流环单元的第一端与所述速度环单元的第二端电连接；

Park逆变换单元，所述Park逆变换单元的第一端与所述第一电流环单元的第二端电连接，所述Park逆变换单元的第二端与所述第二电流环单元的第二端电连接；

Park变换单元，所述Park变换单元的第一端与所述第一电流环单元的第一端电连接，所述Park变换单元的第二端与所述第二电流环单元的第一端电连接；

角度切换单元，所述角度切换单元的第一端分别与所述Park变换单元的第三端和所述Park逆变换单元的第三端电连接；

角度生成单元，所述角度生成单元的第一端与所述角度切换单元的第二端电连接；

SVPWM变换单元，所述SVPWM变换单元的第一端与所述Park逆变换单元的第四端电连接，所述SVPWM变换单元的第二端与所述Park逆变换单元的第五端电连接，所述SVPWM变换单元的第三端、第四端和第五端与所述三相半桥驱动模块电连接；

Clarke变换单元，所述Clarke变换单元的第一端与所述Park变换单元的第四端电连接，所述Clarke变换单元的第二端与所述Park变换单元的第五端电连接，所述Clarke变换单元的第三端和第四端与所述永磁同步电机电连接；

改进PLL估算器，所述改进PLL估算器的第一端与所述角度切换单元的第三端电连接，所述改进PLL估算器的第二端与所述速度环单元的第一端电连接，所述改进PLL估算器的第三端与所述Park变换单元的第四端电连接，所述改进PLL估算器的第四端与所述Park变换单元的第五端电连接。

3.一种改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制算法，应用于权利要求1-2所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制系统，其特征在于，包括：

步骤1，通过信号采集模块对永磁同步电机的相电流进行采集，得到A相的相电流和B相的相电流；

步骤2，将A相的相电流和B相的相电流输入Clarke变换单元中进行Clarke变换，得到α轴电流和β轴电流，将α轴电流和β轴电流输入改进PLL估算器和Park变换单元；

步骤3，角度生成单元自动生成第一转子角度并将第一转子角度输入角度切换单元；

步骤4，将α轴电压和β轴电压输入改进PLL估算器，改进PLL估算器根据α轴电流和β轴电流和α轴电压和β轴电压进行角度计算，改进PLL估算器输出估算的第二转子角度和速度值，且将估算的第二转子角度输入角度切换单元；

步骤5，角度切换单元根据永磁同步电机的运行状态进行角度切换，且在角度切换过程中加入平顺启动算法用于角度切换辅助，得到切换后的角度，将切换后的角度分别输入Park变换单元和Park逆变换单元，Park变换单元根据α轴电流和β轴电流和切换后的角度值进行Park变换，得到d轴电流和q轴电流；

步骤6，将d轴电流给定值设为零输入第一电流环单元，将d轴电流输入第一电流环单元，第一电流环单元根据输入的d轴电流和d轴电流给定值采用PI控制进行计算，得到d轴电压；

步骤7，将改进PLL估算器输出的速度值和调速按钮模块输出的指令转速输入速度环单元中进行PI控制，得到q轴电流给定值，将q轴电流给定值输入第二电流环单元，将q轴电流输入第二电流环单元，第二电流环单元根据输入的q轴电流和q轴电流给定值采用PI控制进行计算，得到q轴电压；

步骤8，将d轴电压和q轴电压输入Park逆变换单元进行Park逆变换，得到α轴电压和β轴电压，将α轴电压和β轴电压输入SVPWM变换单元和改进PLL估算器，在SVPWM变换单元中对永磁同步电机转子当前所处的扇区进行判断，并计算三个电压矢量，根据判断出的永磁同步电机转子当前所处的扇区和计算出的电压矢量，计算三相PWM的占空比，并将三相PWM输出至三相半桥驱动模块，通过三相半桥驱动模块控制永磁同步电机运转。

4.根据权利要求3所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制算法，其特征在于，所述步骤1和所述步骤2具体包括：

通过信号采集模块采集永磁同步电机的相电流I_a和I_b，将采集的相电流I_a和I_b输入Clarke变换单元进行Clarke变换，如下所示：

其中，I_α表示α轴电流，I_β表示β轴电流，I_a表示A相的相电流，I_b表示B相的相电流；

将α轴电流I_α和β轴电流I_β输入Park变换单元，进行Park变换，得到d轴电流I_d和q轴电流I_q，如下所示：

其中，I_d表示d轴电流，I_q表示q轴电流，θ表示角度切换单元输出的角度。

5.根据权利要求4所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制算法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

角度生成单元采用恒流升频法对永磁同步电机的转速进行加速，在角度生成单元设定加速度的终点转速V，根据加速时间确定加速度a，根据加速度a确定实时转速V_t，判断实时转速V_t是否小于加速度的终点转速V，当实时转速V_t小于加速度的终点转速V时，角度生成单元中的实时转速V_t等于实时转速V_t与加速度a之和，新的第一转子角度θ₁等于当前第一转子角度θ₁与实时转速V_t之和，得到第一转子角度。

6.根据权利要求5所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制算法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

在改进PLL估算器中输入α轴电流I_α、β轴电流I_β、α轴电压V_α和β轴电压V_β，永磁同步电机的数学模型公式，如下所示：

其中，V_α表示α轴电压，V_β表示β轴电压，R_s表示永磁同步电机电阻，L_s表示永磁同步电机电感，i_α表示α轴电流，i_β表示β轴电流，E_α表示α轴反电势电压，E_β表示β轴反电势电压；

根据永磁同步电机的数学模型公式，得到：

将得到的α轴反电势电压E_α和β轴反电势电压E_β进行Park变换，得到d轴反电势电压E_d和q轴反电势电压E_q，分别对d轴反电势电压E_d和q轴反电势电压E_q进行滤波，滤波系数的选择为能使滤波截止频率在PWM载波频率点，滤除三相半桥驱动模块中MOS管的开关信号的影响，得到估算的q轴反电势电压E_{d_f}和估算的q轴反电势电压E_{q_f}；

将估算的d轴反电势电压E_{d_f}输入PID控制环路，给定PID控制环路的参考为0，得到PID控制环路的输出，将PID控制环路的输出作为反电动势系数K_e，将反电动势系数K_e代入以下公式进行计算：

其中，ω_est表示估算的永磁同步电机转速，K_e表示永磁同步电机反电动势系数，E_{q_f}表示估算的q轴反电势电压，E_{d_f}表示估算的d轴反电势电压，sgn表示正反号判断函数；

将估算的永磁同步电机转速ω_est进行积分，得到估算的第二转子角度。

7.根据权利要求6所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制算法，其特征在于，所述步骤5具体包括：

将第一转子角度θ₁和估算的第二转子角度θ₂输入角度切换单元，当永磁同步电机处于加速阶段时，角度切换单元选择角度生成单元输出的第一转子角度θ₁分别输入Park变换单元和Park逆变换单元，当永磁同步电机处于正常运行阶段，实时转速V_t不小于加速度的终点转速V时，角度切换单元读取改进PLL估算器中估算的第二转子角度θ₂，将新的第一转子角度θ₁减去估算的第二转子角度θ₂，得到第一转子角度θ₁和估算的第二转子角度θ₂之间的角度偏差，判断角度偏差的绝对值是否大于0.05°，当角度偏差的绝对值不大于0.05°时，永磁同步电机进入正常运行阶段，角度切换单元将估算的第二转子角度θ₂作为第二转子角度θ₃输出；当角度偏差的绝对值大于0.05°时，判断角度偏差是否大于0，当角度偏差大于0时，新的角度偏差等于当前角度偏差加0.05°，第二转子角度θ₃等于估算的第二转子角度θ₂加新的角度偏差；当角度偏差小于0时，新的角度偏差等于当前角度偏差减去0.05°，第二转子角度θ₃等于估算的第二转子角度θ₂加新的角度偏差，得到第二转子角度θ₃，角度切换单元将第二转子角度θ₃分别输入Park变换单元和Park逆变换单元；Park变换单元根据Clarke变换后的第一相电流、第二相电流和角度切换单元输出的角度进行Park变换，得到Park变换后的d轴电流I_d和q轴电流I_q。

8.根据权利要求7所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制算法，其特征在于，所述步骤6具体包括：

将第一电流环单元的输入d轴电流给定值I_dref设为零，将d轴电流I_d作为第一电流环单元的反馈，在第一电流环单元中采用PI控制，得到d轴电压V_d。

9.根据权利要求8所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制算法，其特征在于，所述步骤7具体包括：

在永磁同步电机正常运行阶段执行速度环单元，速度环单元的输入为调速按钮模块输出的指令转速，速度环单元的反馈为改进PLL估算器的速度输出，速度环单元输出q轴电流给定值I_qref，将速度环单元输出的q轴电流给定值I_qref作为第二电流环单元的输入，将q轴电流I_q作为第二电流环单元的反馈，在第二电流环单元中采用PI控制，得到q轴电压V_q。

10.根据权利要求9所述的改进的用于永磁同步电机控制的PLL无感控制算法，其特征在于，所述步骤8具体包括：

将V_d和V_q输入Park逆变换单元进行Park逆变换，得到α轴电压V_α和β轴电压V_β，如下所示：

其中，V_α表示α轴电压，V_β表示β轴电压，V_d表示d轴电压，V_q表示q轴电压；

将α轴电压V_α和β轴电压V_β输入三相半桥驱动模块中进行扇区判断，并计算基本的电压矢量V_a、V_b和V_c，根据永磁同步电机转子当前所处的扇区和三个基本电压矢量，计算三相PWM的占空比，输出PWM至三相半桥驱动模块，通过三相半桥驱动模块驱动永磁同步电机运转。

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