CN112713834A - 一种永磁同步电机无位置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位置传感器控制方法及系统，该方法包括：建立永磁同步电机的扩张状态观测器，将所述扩张状态观测器中的积分器替换为复系数滤波器；获取基于所述复系数滤波器的扩张状态观测器输出的转速观测值；采用积分式预测模型对所述转速观测值进行处理，得到预测转速估计值；根据交流电机的所述预测转速估计值与频率之间的关系计算复系数滤波器的中心频率；将所述中心频率反馈给扩张状态观测器进行闭环控制；本发明通过频率的自适应调节保证中心频率与实际反电动势频率一致，实现了转子位置估计的低相位延迟，从而获取精确的转子位置信息，为无传感器算法的角度和速度估计提供更好的基础。

Description

一种永磁同步电机无位置传感器控制方法及系统

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，更具体地，涉及一种基于复系数滤波器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系统。

背景技术

在永磁同步电机矢量控制技术中，精确的转子位置信息不可或缺，是实现励磁电流和转矩电流解耦控制的关键。只有获得精确的转子位置信息，才可以对定子电流的转矩分量和励磁分量进行完全的解耦，实现类似于直流的电机的控制效果。在传统方法中，通常采用位置传感器获得转子位置信息。然而安装位置传感器会带来一系列其他问题，如系统成本的增加；在一些场合中应用受限；系统的鲁棒性降低。因此，为了进一步应用永磁同步电机矢量控制，永磁同步电机无位置传感器控制技术被大量研究和应用。

目前，在中高速永磁同步电机控制技术领域中，通常采用基于电机模型的方法，如滑模观测器法、扰动观测器法、模型参考自适应法、以及卡尔曼滤波器法。近年来，扩张状态观测器法因其良好的鲁棒性和对于集中扰动的精确估计，逐步被应用于永磁同步电机无位置传感器控制领域中。

传统的扩张状态观测器为了观测出精确的转子位置信息，往往需要较高的带宽，然而高带宽会使得扩张状态观测器输出的反电势观测值中引入大量谐波，从而造成转子位置估计出现误差和相位延迟。

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系统。

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，将所述扩张状态观测器中的积分器替换为复系数滤波器；获取基于所述复系数滤波器的扩张状态观测器输出的转速观测值和角度观测值；

采用积分式预测模型对所述转速观测值进行处理，得到预测转速估计值；

根据交流电机的所述预测转速估计值与频率之间的关系计算复系数滤波器的中心频率；

将所述中心频率反馈给基于复系数滤波器的扩张状态观测器进行闭环控制。

优选的，上述永磁同步电机无位置传感器控制方法，所述获取基于所述复系数滤波器的扩张状态观测器输出的转速观测值和角度观测值，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建立扩张状态观测器；

将所述扩张状态观测器中对应所述集中扰动的积分器替换为复系数滤波器，采集基于所述复系数滤波器的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，并对所述转速观测值进行低通滤波得到最终转速观测值。

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系统，该系统包括：

创建单元，用于建立永磁同步电机的扩张状态观测器，将所述扩张状态观测器中的积分器替换为复系数滤波器；获取基于所述复系数滤波器的扩张状态观测器输出的转速观测值和角度观测值；

预测单元，用于采用积分式预测模型对所述转速观测值进行处理，得到预测转速估计值；

频率自适应调节单元，根据交流电机的所述预测转速估计值与频率之间的关系计算复系数滤波器的中心频率；

以及，将所述中心频率反馈给基于复系数滤波器的扩张状态观测器进行闭环控制。

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系统，通过对传统扩张状态观测器的改进，提出了一种基于复系数滤波器的扩张状态观测器，并考虑实际离散系统的存在的一步延时以及计算延时，利用预测控制的思想实现频率的自适应，保证中心频率与实际反电动势频率一致，实现了转子位置估计的低相位延迟；能够实现频率自适应的扩张状态观测器因在反电势频率处呈现高增益和零相位延迟，因此不需要较高的带宽和相位补偿便可观测出精确的转子位置信息，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位置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基于复系数滤波器的扩张状态观测器结构框图；

图4是本发明实施例提供的正交锁相环的原理框图；

图5是本发明实施例提供的永磁同步电机无位置传感器控制系统的逻辑框图；

图6是电机采用传统扩张状态观测器加相位补偿、采用基于复系数滤波器的扩张状态观测器在1500r/min运行时转速的完整实验波形；

图7是电机采用传统扩张状态观测器加相位补偿、采用基于复系数滤波器的扩张状态观测器阶跃给定1500r/min时转速的动态过程实验波形；

图8是电机采用传统扩张状态观测器加相位补偿、采用基于复系数滤波器的扩张状态观测器在1500r/min运行时，角度观测误差的实验波形。

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，CCF-ESO表示频率自适应复系数滤波器扩张状态观测器，PLL表示正交锁相环，Predictive Model表示预测模型，Frequency calculate表示计算中心频率。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：

步骤一、建立永磁同步电机的扩张状态观测器，将扩张状态观测器中的积分器替换为复系数滤波器；获取基于复系数滤波器的扩张状态观测器输出的转速观测值；具体包括：

(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，反电动势为集中扰动建立扩张状态观测器；

a)首先建立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_α,i_β]^T，u_αβ＝[u_α,u_β]^T，e_αβ＝[e_α e_β]^T分别为两相静止坐标系下的定子电流、定子电压和反电势；

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。

b)定义扩张状态观测器的输入为

集中扰动为

以定子电流为状态变量建立如下传统扩张状态观测器：

其中：

ε₁＝[ε_1α,ε_1β]^T表示定子电流的观测误差，即ε₁＝z₁-i_αβ；

z₁＝[z_1α,z_1β]^T表示两相静止坐标系下的定子电流的观测值，即

z₂＝[z_2α,z_2β]^T表示集中扰动的观测值，

s表示拉普拉斯算子；

β₁、β₂为扩张状态观测器的反馈增益，参照带宽法进行选取：

[β₁ β₂]^T＝[2ω₀ ω₀ ²]^T

其中：ω₀被定义为扩张状态观测器的带宽。

(2)将扩张状态观测器中的针对集中扰动的积分器替换为复系数滤波器，采集基于复系数滤波器的扩张状态观测器输出的反电势观测值；

图3是基于复系数滤波器的扩张状态观测器结构框图，基于复系数滤波器的扩张状态观测器在控制过程中不需要额外的相位补偿，将传统扩张状态观测器中的积分器换成复系数滤波器，得到：

其中：

ω_ri，ω_c分别为复系数滤波器的中心频率和截止频率；j表示复数单位。

扩张状态观测器收敛，则根据集中扰动和反电动势的关系，得到反电势观测值：

(3)利用正交锁相环处理基于复系数滤波器的扩张状态观测器输出的反电势观测值，得到电机转速和角度信息的预估计；

图4是正交锁相环的原理框图，具体的：

a)将步骤S200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：

b)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：

c)如图4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，

表示转速观测值，

表示角度观测值，k_p和k_i分别表示锁相环的比例参数和积分参数。

d)对步骤c中输出的转速观测值进行滤波，得到转速最终估计值；

对转速观测值进行低通滤波，以获取最终转速观测值：

其中：ω_LPF为滤波器截止频率，

表示最终转速观测值；

步骤二、采用积分式预测模型对所述转速观测值进行处理，得到预测转速估计值；

具体而言，将步骤一中获得转速最终观测值代入积分式预测模型，采用积分式预测模型对转速观测值进行一步预测，来补偿离散系统固有的一拍延时，得到当前时刻的预测转速估计值；积分式预测模型的表达式为：

其中：

表示当前时刻k的预测转速估计值；

表示上一时刻k-1的预测转速估计值；

i^p _d(k+1)，i^p _q(k+1)分别为定子d轴电流、q轴电流在下一时刻k+1的预测值；

i_d(k)，i_q(k)分别为定子d轴电流、q轴电流在当前时刻k的采样值；

u_d(k)，u_q(k)分别为定子d轴电压、q轴电压在当前时刻k的采样值；

R_s，L_s分别表示定子相电阻、定子相电感；ω_e表示转速的采样值；T_s表示采样周期；

B表示阻尼系数；J表示转动惯量；P表示电机的极对数；

K_I为补偿系数；

为当前时刻k的平均电磁转矩，其表达式为：

T^P _e(k)表示当前时刻k的电磁转矩的预测值；T_e(k)表示当前时刻k的电磁转矩的采样值；ψ_f表示永磁体磁链；i^p _q(k+1)表示下一时刻k+1的定子q轴电流的预测值；

v_I(k)和v_ω(k)的表达式为：

v_I(k)＝v_I(k-1)+T_s(i_q(k)-i^p _q(k-1))

其中：

表示k时刻的转速采样值；

i^p _q(k-1)表示k-1时刻的定子q轴电流的预测值。

在一个优选的示例中，为进一步补偿计算延时，对转速观测值进行两步或多步预测，以两步预测为例进行说明；

采用积分式预测模型对转速观测值进行两步预测，得到下一时刻的预测转速估计值；根据所述下一时刻的预测转速估计值对当前时刻的预测转速估计值进行补偿；所需的预测模型为：

其中，

表示下一时刻k+1的预测转速估计值；

表示当前时刻k的预测转速估计值。

步骤三、获得预测的转速估计值后，根据该转速估计值与频率之间的关系，计算得到复系数滤波器的中心频率；将该中心频率反馈给基于复系数滤波器的扩张状态观测器进行闭环控制，实现频率的自适应调节；

中心频率的计算公式为：

其中，p为电机的极对数。

本实施例所提及的转速指代电角速度，角度指代电角度。

本方案基于传统扩张状态观测器无位置传感器控制的思想，提出一种基于复系数滤波器的扩张状态观测器无位置传感器控制方法，同时考虑了离散系统中的一拍延时，采用预测控制的思想消除延时带来的影响，实现中心频率的自适应调节，从而保证中心频率与反电势频率的实时性与一致性，为无位置传感器算法的角度估计提供了高精度和低相位延时的基础。

本实施例还提供了一种永磁同步电机无位置传感器控制系统，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5所示，该系统包括：

创建单元，用于建立永磁同步电机的扩张状态观测器，将扩张状态观测器中的积分器替换为复系数滤波器；获取基于复系数滤波器的扩张状态观测器输出的转速观测值和角度观测值；

在一个具体示例中，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建立扩张状态观测器；以及，将扩张状态观测器中对应所述集中扰动的积分器替换为复系数滤波器，采集基于复系数滤波器的扩张状态观测器输出的反电势观测值；

解调模块，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，对转速观测值进行低通滤波得到最终转速观测值。

预测单元，用于采用积分式预测模型对所述转速观测值进行处理，得到预测转速估计值；

频率自适应调节单元，根据交流电机的预测转速估计值与频率之间的关系计算复系数滤波器的中心频率；以及，将中心频率反馈给基于复系数滤波器的扩张状态观测器进行闭环控制。

上述永磁同步电机无位置传感器控制系统中各功能模块的实现细节具体参见上述控制方法中的详细介绍，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6为电机采用传统扩张状态观测器加相位补偿和基于复系数滤波器的扩张状态观测器在1500r/min运行时，转速的完整实验波形；图7为电机采用传统扩张状态观测器加相位补偿和基于复系数滤波器的扩张状态观测器阶跃给定1500r/min时，转速的动态过程实验波形；图8为电机采用传统扩张状态观测器加相位补偿和基于复系数滤波器的扩张状态观测器在1500r/min运行时，角度观测误差的实验波形；从图6-8中可以看出，本方案在不需要相位补偿的前提下角度观测误差和收敛速度均远小于传统方法，从而增强了转速环的动态性能，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，所述扩张状态观测器中包括复系数滤波器；获取基于所述复系数滤波器的扩张状态观测器输出的转速观测值；

采用积分式预测模型对所述转速观测值进行处理，得到预测转速估计值；

根据电机的所述预测转速估计值与频率之间的关系计算复系数滤波器的中心频率；

将所述中心频率反馈给扩张状态观测器进行闭环控制。

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，所述获取基于所述复系数滤波器的扩张状态观测器输出的转速观测值，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建立扩张状态观测器；

将所述扩张状态观测器中对应所述集中扰动的积分器替换为复系数滤波器，采集基于所述复系数滤波器的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，并对所述转速观测值进行低通滤波得到最终转速观测值。

3.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，所述采用积分式预测模型对所述转速观测值进行处理，得到预测转速估计值，包括：

采用积分式预测模型对转速观测值进行一步预测，得到当前时刻的预测转速估计值；所述积分式预测模型为：

其中：

表示当前时刻k的预测转速估计值；

表示上一时刻k-1的预测转速估计值；

i^p _d(k+1)，i^p _q(k+1)分别为定子d轴电流、q轴电流在下一时刻k+1的预测值；

i_d(k)，i_q(k)分别为定子d轴电流、q轴电流在当前时刻k的采样值；

u_d(k)，u_q(k)分别为定子d轴电压、q轴电压在当前时刻k的采样值；

R_s，L_s分别表示定子相电阻、定子相电感；ω_e表示转速的采样值；T_s表示采样周期；

B表示阻尼系数；J表示转动惯量；P表示电机的极对数；

K_I为补偿系数；

为当前时刻k的平均电磁转矩，其表达式为：

T^P _e(k)表示当前时刻k的电磁转矩的预测值；T_e(k)表示当前时刻k的电磁转矩的采样值；ψ_f表示永磁体磁链；i^p _q(k+1)表示下一时刻k+1的定子q轴电流的预测值；

v_I(k)和v_ω(k)的表达式为：

v_I(k)＝v_I(k-1)+T_s(i_q(k)-i^p _q(k-1))

其中：

表示k时刻的转速采样值；

i^p _q(k-1)表示k-1时刻的定子q轴电流的预测值。

4.如权利要求3所述的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，还包括：

采用积分式预测模型对转速观测值进行两步预测，得到下一时刻的预测转速估计值；根据所述下一时刻的预测转速估计值对当前时刻的预测转速估计值进行补偿；

所需积分预测模型为：

其中，

表示下一时刻k+1的预测转速估计值；

表示当前时刻k的预测转速估计值。

5.如权利要求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，所述根据交流电机的转速和频率之间的关系计算复系数滤波器的中心频率，包括：

其中，ω_ri表示复系数滤波器的中心频率，p表示电机的极对数。

6.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，所述采集基于所述复系数滤波器的扩张状态观测器输出的反电势观测值，包括：

(1)建立基于所述复系数滤波器的扩张状态观测器，为：

其中：

ε₁＝[ε_1α,ε_1β]^T表示定子电流的观测误差，即ε₁＝z₁-i_αβ；

i_αβ＝[i_α,i_β]^T，表示两相静止坐标系下的定子电流；

z₁＝[z_1α,z_1β]^T表示两相静止坐标系下的定子电流的观测值，即

z₂＝[z_2α,z_2β]^T表示集中扰动的观测值，

L_s表示定子相电感；

s表示拉普拉斯算子；j表示复数单位；

ω_ri，ω_c分别为复系数滤波器的中心频率和截止频率；

β₁、β₂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被定义为扩张状态观测器的带宽；

(2)基于复系数滤波器的扩张状态观测器收敛，根据集中扰动和反电动势的关系得到反电势观测值：

7.如权利要求2或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，所述采用正交锁相环对反电势观测值进行处理具体包括：

(1)将基于复系数滤波器的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，

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。

8.如权利要求7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低通滤波具体为：

其中：ω_LPF为滤波器截止频率，

表示最终转速观测值。

9.一种永磁同步电机无位置传感器控制系统，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，所述扩张状态观测器中包括复系数滤波器；获取基于所述复系数滤波器的扩张状态观测器输出的转速观测值；

预测单元，用于采用积分式预测模型对所述转速观测值进行处理，得到预测转速估计值；

频率自适应调节单元，用于根据电机的所述预测转速估计值与频率之间的关系计算复系数滤波器的中心频率；

以及，将所述中心频率反馈给扩张状态观测器进行闭环控制。

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建立扩张状态观测器；以及，将所述扩张状态观测器中对应所述集中扰动的积分器替换为复系数滤波器，采集基于所述复系数滤波器的扩张状态观测器输出的反电势观测值；

解调模块，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；

滤波模块，对所述转速观测值进行低通滤波得到最终转速观测值。

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