CN113067519B - 基于残差的无位置传感器注入自适应永磁电机控制方法 - Google Patents

基于残差的无位置传感器注入自适应永磁电机控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于残差的无位置传感器注入自适应永磁电机控制方法，在无位置传感器的情况下通过电压、电流以及电机电流环模型及其参数估计永磁电机转子位置和转速；低速下的转子位置估计需要向三相绕组注入高频电压信号，以激励高频电流分量，电流高频分量幅值越高，则估计越稳定，然而噪声就越大。电流环的估计残差反映了转速和位置估计的状态是否稳定可靠，当残差较小时，说明估计状态稳定可靠，因而只需要较小的注入信号幅值就维持低速转子位置估计；反之则应该增大注入信号幅值以保证系统稳定运行。本发明的核心创新点在于建立了通过电流环估计残差自适应调节注入信号幅值的机制，在实现低速无位置传感器控制的同时提高了系统稳定性。

Description

基于残差的无位置传感器注入自适应永磁电机控制方法
技术领域
本发明属于传感器控制技术，具体为一种基于残差的无位置传感器注入自适应永磁电机控制方法。
背景技术
无传感器电机控制算法是电机驱动领域一个很重要的研究课题。虽然电机位置传感器在大多数工业电机驱动中仍然被使用，但成本问题仍然是推动行业放弃位置传感器的一个原因。此外，在机器上安装位置传感器通常也有一些问题，特别是应用在一些特殊环境中。同时，无传感器驱动在伺服系统中具有广泛的应用前景，其中工业伺服系统和机器人伺服系统就是上述无传感器控制方案的典型应用。在这些伺服系统中，电机需要频繁地启动和停止到一些精确的位置，具有较大的负载。这一要求实际上挑战了电机转子在零/低速条件下的位置跟踪能力。
目前已经有很多种无位置传感器控制算法被提出，其中低速条件下一般采用基于高频信号注入与滤波器相结合的转子位置提取方法，高速条件下一般采用基于反电势的转子位置估计方法。虽然上述无位置传感器控制方法种类很多，但是普遍有一个问题就是：全系统无位置传感器的情况下，位置估计如果出现偏差甚至发散，控制器自身难以修正该估计故障，因为没有传感器作为修正参考。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于残差的无位置传感器注入自适应永磁电机控制方法。
实现本发明目的的技术方案为：
一种基于残差的无位置传感器注入自适应永磁电机控制方法，具体步骤为：
步骤1：在速度环中根据转速指令与实际电机转速的误差，通过PI调节器计算电流指令参考值；
步骤2：根据电流传感器采样得到三相电机相电流，通过Clark变换获得α-β轴系下电流，再通过Park变换获得d-q轴实际电流；在d-q轴系下根据d-q轴实际电流和电流指令参考值的比较，并通过PI调节器以及d-q轴解耦计算，获得d-q轴电压指令；
步骤3：在电流环的d-q轴电压指令叠加高频电压信号形成高频注入，获得注入信号后的d-q轴电压指令；
步骤4：对注入信号后的d-q轴电压指令进行反Park变换获得α-β轴系下电压指令；基于空间矢量脉宽调制方法并通过矢量控制模块通过得α-β轴系下电压指令调制6路脉宽可调的矩形波通过驱动器硬件部分驱动6路开关管，驱动电机旋转；
步骤5：根据α-β轴系下电流、α-β轴系下电压指令，以及上一时刻估计转速ωre输入位置估计模块，根据损失函数，通过牛顿迭代法，计算出当前转子位置和残差值；转子位置通过锁相环，一方面对噪声造成的估计波动进行滤波，另一方面计算出当前时刻的转子电气角速度；
步骤6：对当前时刻的转子电气角速度进行角度转换得到当前时刻的转子实际角速度，将实际角速度与参考转速ωref *作为速度环的输入，调整输出电流指令参考值，返回步骤2。
优选地，步骤2中的d-q轴解耦计算，具体为：
Figure BDA0002958549500000021
其中ud PI*和uq PI*是PI调节器计算出的电压参考指令，Ld和Lq是d-q轴电感，
Figure BDA0002958549500000022
是永磁磁链，ωre是当前时刻的转子电气角速度。
优选地，根据损失函数，通过牛顿迭代法，计算出当前转子位置和残差值的具体方法为：
基于α-β轴电压方程建立损失函数；
基于损失函数，在第k次电流采样周期，采用牛顿迭代法计算当前转子位置，具体为：
Figure BDA0002958549500000023
其中
Figure BDA0002958549500000024
为迭代n次时转子位置的估计值，
Figure BDA0002958549500000025
为迭代n-1次时转子位置的估计值，
Figure BDA0002958549500000026
为牛顿迭代法定义公式，在有限迭代n次时，获得使h(θre)最小的估计位置，此时的θre就是估计转子位置，将θre代入损失函数计算得出的h(θre)值，就是所述残差，即Cost值。
优选地，α-β轴电压方程具体为：
Figure BDA0002958549500000031
其中vα是α轴电压，vβ是β轴电压，R是定子的电阻，p是微分算子，Lα(θre)、Lβ(θre)、Lαβ(θre)是电感值在α-β坐标系下的中间变量，随θre值发生θre变化，θre是转子位置，iα和iβ是α-β轴电流。
优选地，建立的损失函数为：
Figure BDA0002958549500000032
其中，
Figure BDA0002958549500000033
和
Figure BDA0002958549500000034
ra是向电阻；Tpk(Δθre)是在α-β轴系下的旋转运算，Ts是采样时间，iα(k)和iβ(k)是第k次α-β轴电流，iα(k-1)和iβ(k-1)是第k-1次α-β轴电流，ωre(k-1)是第k-1次转子电气角速度，La(θre(k))、Lβ(θre(k))是Lα(θre)、Lβ(θre)的离散形式。
优选地，步骤3中在电流环的d-q轴电压指令叠加的高频电压信号根据残差值进行调节，具体为：当残差值低于设定阈值且稳定时，则降低注入的叠加高频电压信号的幅值；反之，若残差值高于设定阈值且振荡高于设定阈值时，则提高注入的叠加高频信号的幅值。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明提高了零/低速条件下无位置传感器可靠性；(2)本发明降低了高频电压注入信号引起的噪声。
附图说明
图1是本发明控制系统框图。
图2是本发明利用残差调节高频注入信号幅值机制的示意图。
图3是本发明在转速控制应用中的效果图。
图4是本发明在低转速控制应用中优化残差对高频注入信号幅值的调节效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种基于残差的无位置传感器注入自适应永磁电机控制方法，具体步骤为：
步骤1：在速度环中根据转速指令
Figure BDA0002958549500000041
与实际电机转速ωm的误差，通过PI调节器计算出需要的电流指令参考值id *和iq *。
步骤2：根据电流传感器采样得到三相电机相电流ia ib ic，通过Clark变换(abc坐标系变换为α-β坐标系)获得α-β轴系下电流iα和iβ，再通过Park变换(α-β坐标系变换为d-q坐标系)获得d-q轴实际电流id和iq；在d-q轴系下根据实际d-q轴电流id和iq和电流指令参考值id *和iq *的比较，即用实际电流与指令参考值做差，即id*-id,因为控制理论中是基于参考指令与实际值的误差来调整控制器输出，并通过PI调节器以及d-q轴解耦计算，获得d-q轴电压指令ud *和uq *；
进一步的实施例中，步骤2中的d-q轴解耦计算，具体定义为：
Figure BDA0002958549500000042
其中ud PI*和uq PI*是PI调节器计算出的电压参考指令，Ld和Lq是d-q轴电感，
Figure BDA0002958549500000043
是永磁磁链，ωre是当前时刻的转子电气角速度。
具体地，PI调节器计算出的电压参考指令为：
ud PI*＝(Kp+Ki/s)(id *-id),uq PI*＝(Kp+Ki/s)(iq *-iq)
步骤3：在电流环的d-q轴电压指令ud *或者uq *叠加高频电压信号形成高频注入，获得注入信号后的d-q轴电压指令udh *或者uqh *；
步骤4：对udh *或者uqh *通过反Park变换(d-q坐标系变换为α-β坐标系)获得α-β轴系下电压指令uα *和uβ *；基于空间矢量脉宽调制方法并通过矢量控制模块通过电压指令uα *和uβ *调制6路脉宽可调的矩形波通过驱动器硬件部分驱动6路开关管，从而驱动电机旋转；
步骤5：将α-β轴系下电流iα和iβ，电压指令uα *和uβ *，以及上一时刻估计转速ωre输入位置估计模块，根据损失函数，通过牛顿迭代法，计算出当前转子位置和残差值，即cost值；转子位置通过锁相环，一方面对噪声造成的估计波动进行滤波，另一方面计算出当前时刻的转子电气角速度ωre。
进一步的实施例中，所述步骤5中的基于凸优化方法的永磁电机转子位置估计方法，基于α-β轴电压方程：
Figure BDA0002958549500000051
其中vα是α轴电压，vβ是β轴电压，R是定子的电阻，p是微分算子，Lα(θre)、Lβ(θre)、Lαβ(θre)是电感值在α-β坐标系下的中间变量，随θre值发生θre变化，θre是转子位置，iα和iβ是α-β轴电流。
建立损失函数：
Figure BDA0002958549500000052
其中，
Figure BDA0002958549500000053
和
Figure BDA0002958549500000054
ra是向电阻；Tpk(Δθre)是在α-β轴系下的旋转运算，Ts是采样时间，iα(k)和iβ(k)是第k次α-β轴电流，iα(k-1)和iβ(k-1)是第k-1次α-β轴电流，ωre(k-1)是第k-1次转子电气角速度，La(θre(k))、Lβ(θre(k))是上述Lα(θre)、Lβ(θre)的离散形式。
基于上述损失函数，在第k次电流采样周期，采用牛顿迭代法定义公式：
Figure BDA0002958549500000055
其中
Figure BDA0002958549500000056
为迭代n次时转子位置的估计值，
Figure BDA0002958549500000057
为迭代n-1次时转子位置的估计值，
Figure BDA0002958549500000058
为牛顿迭代法定义公式，在有限迭代n次时，获得使h(θre)最小的估计位置，此时的θre就是估计转子位置，将该θre代入损失函数计算得出的h(θre)值，就是所述残差，即Cost值。
步骤6：利用当前时刻的转子电气角速度ωre，通过角度转换(将电角度转换成机械角度)，得到当前时刻的转子实际角速度ωm，将ωm与参考转速ωref *作为速度环的输入，从而调整输出的电流指令参考值id *和iq *；这个调整关系取决于用户设计的算法，不应该局限于某一种算法，在某些实施例中，id *＝0，iq *＝(Kp+Ki/s)(wref *-wm)
进一步的实施例中，利用位置估计模块中输出的cost值来评估估计位置的好坏，调整注入的叠加高频电压信号的幅值，进而调整输出的udh *或者uqh *，例如，当cost值低且稳定时，则认定为估计位置良好，就可以降低注入的叠加高频电压信号的幅值；反之，若是cost值高且振荡比较大，则应当相应的提高注入的叠加高频信号的幅值，以得到较低且较稳定的cost值。这样就形成闭环控制了，实现注入信号自适应，从而更好的控制电机。
本发明针对低速无位置传感器控制，基于电流环中的位置估计状态修正高频注入信号幅值以提高无位置控制可靠性，同时尽可能降低高频注入信号造成的噪声。
本发明针对零/低速情况，提出了一种全新的思路，由于优化估计残差反映位置估计算法的运行状态，那么利用优化估计残差作为反馈，动态调节低速条件下高频注入信号的幅值，从而在实现可靠位置估计的同时，尽可能抑制高频注入信号造成的噪声。
本发明会在每一步迭代中计算损失函数的数值，即为本发明中定义的优化残差，该残差在位置估计效果好的时候处于较小值，在位置估计效果差的时候处于较大值。
本发明中的优化残差被用于调节步骤3中的高频注入电压信号幅值，具体方法是：当优化残差值较小时，采用较低高频注入电压信号幅值，以抑制高频信号噪声；采用较高注入电压信号幅值，保证系统稳定性。图2描述了该调节机制。
图3是本发明在转速控制应用中的效果图。其中上图虚线是转速指令，实线是实际转速，完成0到100r/m阶跃加速过程，下图展示整个过程中位置估计情况，可见估计转速始终能够良好跟随实际转速。
图4是本发明在转速控制应用中优化残差对高频注入信号幅值的调节效果图。图4描述了图3所示加速过程中误差情况，以及残差cost值变化情况，当cost值大于50时，注入信号幅值调整为50V以提高位置估计稳定性，从而保证系统稳定运行；当cost值小于50时，注入信号幅值调整为20V以降低噪声，从而实现系统稳定运行的同时，噪声得到有效抑制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于残差的无位置传感器注入自适应永磁电机控制方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1：在速度环中根据转速指令与实际电机转速的误差，通过PI调节器计算电流指令参考值；
步骤2：根据电流传感器采样得到三相电机相电流，通过Clark变换获得α-β轴系下电流，再通过Park变换获得d-q轴实际电流；在d-q轴系下根据d-q轴实际电流和电流指令参考值的比较，并通过PI调节器以及d-q轴解耦计算，获得d-q轴电压指令；
步骤3：在电流环的d-q轴电压指令叠加高频电压信号形成高频注入，获得注入信号后的d-q轴电压指令，在电流环的d-q轴电压指令叠加的高频电压信号根据残差值进行调节，具体为：当残差值低于阈值且稳定时，则降低注入的叠加高频电压信号的幅值；反之，若残差值高于设定阈值且振荡高于阈值时，则提高注入的叠加高频信号的幅值；
步骤4：对注入信号后的d-q轴电压指令进行反Park变换获得α-β轴系下电压指令；α-β轴系下电压指令基于空间矢量脉宽调制方法并通过矢量控制模块，调制得到6路脉宽可调的矩形波，通过驱动器硬件驱动6路开关管，驱动电机旋转；
步骤5：根据α-β轴系下电流、α-β轴系下电压指令，以及上一时刻估计转速ωre输入位置估计模块，根据损失函数，通过牛顿迭代法，计算出当前转子位置和残差值；转子位置通过锁相环，一方面对噪声造成的估计波动进行滤波，另一方面计算出当前时刻的转子电气角速度；
步骤6：对当前时刻的转子电气角速度进行角度转换得到当前时刻的转子实际角速度，将实际角速度与参考转速ωref *作为速度环的输入，调整输出电流指令参考值，返回步骤2。
2.根据权利要求1所述的基于残差的无位置传感器注入自适应永磁电机控制方法，其特征在于，步骤2中的d-q轴解耦计算，具体为：
Figure FDA0003410049700000011
其中u* d和uq *是d-q轴电压指令，ud PI*和uq PI*是PI调节器计算出的电压参考指令，Ld和Lq是d-q轴电感，
Figure FDA0003410049700000021
是永磁磁链，ωre是电机转速，id、iq分别为d-q轴实际电流。
3.根据权利要求2所述的基于残差的无位置传感器注入自适应永磁电机控制方法，其特征在于，根据损失函数，通过牛顿迭代法，计算出当前转子位置和残差值的具体方法为：
基于α-β轴电压方程建立损失函数；
基于损失函数，在第k次电流采样周期，采用牛顿迭代法计算当前转子位置，具体为：
Figure FDA0003410049700000022
其中
Figure FDA0003410049700000023
为迭代n次时转子位置的估计值，
Figure FDA0003410049700000024
为迭代n-1次时转子位置的估计值，
Figure FDA0003410049700000025
为牛顿迭代法定义公式，在有限迭代n次时，获得使h(θre)最小的估计位置，此时的θre就是估计转子位置，将θre代入损失函数计算得出的h(θre)值，就是所述残差，即Cost值。
4.根据权利要求3所述的基于残差的无位置传感器注入自适应永磁电机控制方法，其特征在于，α-β轴电压方程具体为：
Figure FDA0003410049700000026
其中vα是α轴电压，vβ是β轴电压，R是定子的电阻，p是微分算子，Lα(θre)、Lβ(θre)、Lαβ(θre)是电感值在α-β坐标系下的中间变量，随θre值发生变化，θre是转子位置，iα和iβ是α-β轴电流。
5.根据权利要求4所述的基于残差的无位置传感器注入自适应永磁电机控制方法，其特征在于，建立的损失函数为：
Figure FDA0003410049700000027
其中，
Figure FDA0003410049700000028
和
Figure FDA0003410049700000029
ra是电阻；Tpk(Δθre)是在α-β轴系下的旋转运算，Δθre是转子位置改变量，Ts是采样时间，iα(k)和iβ(k)是第k个电流采样周期α-β轴电流，iα(k-1)和iβ(k-1)是第k-1个电流采样周期α-β轴电流，ωre(k-1)是第k-1个电流采样周期的电机转速，Lα(θre(k))、Lβ(θre(k))是Lα(θre)、Lβ(θre)的离散形式。
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