CN113078851B - 一种基于永磁磁链观测器的有限位置集无位置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于永磁磁链观测器的有限位置集无位置控制方法，基于用电流模型的磁链计算方法改进了电压模型法的磁链观测器，以获得更精确的磁链用于有限位置集无位置估算。将某一时刻的转子位置离散出多个位置信息，结合永磁磁链观测器和设计的磁链代价函数计算评估磁链准确提取实际转子位置。改进的永磁磁链观测器具有较高的抗干扰能力，在存在干扰情况下，也能较为精确的估计出两相永磁磁链，通过合理设计的磁链代价函数能估计出高精度、稳定性好的位置信息，且免去了PI控制器。采用基于永磁磁链观测器的有限位置集无位置控制方法，能够提高无位置系统的精度和鲁棒性，确保了永磁电机无位置传感器的稳定运行。

Description

一种基于永磁磁链观测器的有限位置集无位置控制方法

技术领域

本发明涉及永磁电机领域，具体的是一种基于永磁磁链观测器的有限位置集无位置控制方法。

背景技术

永磁电机结构简单，效率高，应用范围广泛。永磁电机需要位置反馈来进行有效的控制，然而，位置传感器的安装、维护与维修都会增加成本。在一些特殊的情况下，甚至不允许安装位置传感器。因此无位置传感器控制具有十分重要的意义。无位置传感器通常通过从包含位置信息的反电动势或磁链求取，反电势或者磁链计算的精度会直接影响无位置的精度。传统的无位置通常将两相反电势或磁链通过锁相环提取出位置和转速，其中包含了需要手动调节的PI参数，而有限位置集无位置算法无需设置参数且精度更高。因此，通过磁链观测器和有限位置集无位置算法获取位置信息具有重要的意义。

如今比较成熟的磁链计算方法主要有电压模型法和电流模型法。电压模型法由于直流偏置容易导致积分饱和问题，电流模型法依赖电机参数容易受到干扰，而采用永磁磁链观测器获取永磁磁链提高了永磁磁链估计的精度和鲁棒性，避免了传统方法存在的问题。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种基于永磁磁链观测器的有限位置集无位置控制方法，本发明通过永磁磁链观测器准确、迅速地估计出永磁磁链，并对影响磁链估计精度的干扰有较强的抵抗能力，从而给有限位置集无位置算法提供更精确的磁链以获取位置信息。有限位置集无位置算法精度高、无需参数，能够实现永磁电机无位置可靠运行，避免了使用位置传感器带来的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于永磁磁链观测器的有限位置集无位置控制方法，包括如下步骤：

步骤1，电流和电压的检测与计算：

检测永磁电机的三相电流i_a，i_b，i_c，并经过3s/2s Clarke变换得到两相静止坐标系下电流i_α和i_β，检测直流电源电压与三相占空比，经3s/2s Clarke变换得两相静止坐标系下电压u_α和u_β；

步骤2，永磁磁链的观测：

取步骤1中得到的两相静止坐标系下电压电流u_α、u_β、i_α、i_β与上一周期步骤3位置预测计算得到的估计位置

其中第一个周期为电机初始位置θ₀，由永磁磁链观测器估计出静止坐标系下的永磁磁链

步骤3，估计位置与转速的计算：

将两相永磁磁链

通过有限位置集无位置预测计算出估计位置

并微分得到估计转速

步骤4，反馈电流的计算：

取步骤3位置预测计算得到的估计位置

用于坐标变换，得到两相旋转坐标系下的电流i_d、i_q；

步骤5，电机无位置传感器控制下调速运行：

给定转速n^*与反馈转速n做差，经PI控制器得到给定q轴电流i_q ^*，给定d轴电流i_d ^*为0，dq轴电流给定值与步骤4中获得的反馈值做差，经过PI控制器输出并经过2r/2s IPark变换计算出两相静止坐标系下的参考电压u_α ^*，u_β ^*，最终输出SVPWM波驱动电机转子运动，调速运行通过改变给定转速进行电机调速。

进一步地，所述步骤1中，两相静止坐标系下电流i_α和i_β和两相静止坐标系下电压u_α和u_β分别为：

其中S_a，S_b，S_c为控制器输出的占空比，U_dc为直流母线电压值。

进一步地，所述步骤2中的永磁磁链观测器，PI为比例加积分结构，ψ_f为永磁磁链，L、R为电机的相电感与相电阻参数，根据基于电压模型和电流模型的磁链计算公式，磁链分别被表示为

电压模型法：

电流模型法：

根据电流模型法，由已知的磁链估算出电流的估计值，表达式为：

将估计的电流和真实的电流做差，并通过线性补偿器G反馈到电压模型法，引入反馈后的电压模型法的表达式变为：

代入电流模型法估算的电流值后永磁磁链的表达式为：

定义的G传递函数为：

当k_p与k_i的增益设置为k_p＝ωL，k_i＝ω²L时，估计永磁磁链的传递函数写为：

其中ω是观测器的截止频率，估计永磁磁链的传递函数化简为：

进一步地，所述永磁磁链观测器中ω参数取ω＝80。

进一步地，所述步骤3中有限位置集无位置预测算法的代价函数为：

本发明的有益效果：

1、本发明用永磁磁链观测器模块代替传统的磁链计算方法，提高了永磁磁链估计的精度与鲁棒性，一定程度上避免了传统磁链计算方法由于干扰导致的永磁磁链计算不精确的问题；与有限位置集无位置算法结合，在节约位置传感器安装、维护和维修等带来的成本的同时，提高了控制系统的稳定性；

2、本发明采用的永磁磁链观测器可以做到无差估计；

3、本发明通过有限位置集无位置算法得到估计位置，具有高精度和和无需参数的特点，估计位置精度可以达到0.025rad，且避免了参数不理想对无位置运行造成的影响，使得永磁电机无位置运行更为稳定可靠；

4、本发明同样适用于其他旋转或直线结构的永磁型同步电机的矢量控制和直接转矩控制。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为基于永磁磁链观测器的有限位置集无位置控制方法的原理图；

图2为永磁磁链观测器结构图；

图3为有限位置集无位置算法的流程图；

图4为电机运行时两相永磁磁链的波形图；

图5为电机运行时实际转速与估计转速对比图；

图6为电机运行时实际位置与估计位置对比图；

图7为电机运行时转速估计误差图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于永磁磁链观测器的有限位置集无位置控制方法，如图1-3所示，包括一下步骤：

步骤1：电流和电压的检测和计算

检测永磁电机的三相电流i_a，i_b，i_c，并经过3s/2s Clarke变换得到两相静止坐标系下电流i_α和i_β，检测直流电源电压与三相占空比，经3s/2s Clarke变换得两相静止坐标系下电压u_α和u_β。计算方法如下，

其中S_a，S_b，S_c为控制器输出的占空比，U_dc为直流母线电压值。

步骤2，永磁磁链的观测：

取步骤1中得到的两相静止坐标系下电压电流u_α、u_β、i_α、i_β与上一周期步骤3位置预测计算得到的估计位置

(第一个周期为电机初始位置θ₀)，由永磁磁链观测器估计出静止坐标系下的永磁磁链

永磁磁链观测器输出与输入之间的传递函数为：

其中，PI为比例加积分结构，L、R为电机的相电感与相电阻参数，

为有限位置集无位置算法上一周期估计的位置，“^”表示估计值。当G满足

取k_p＝ωL,k_i＝ω²L，永磁磁链观测器输出与输入之间的传递函数为可写作

将基于电压模型和电流模型的磁链计算公式代入可以得到永磁磁链观测器的估计传递函数为

本发明实例中永磁磁链观测器的ω参数取ω＝80。

步骤3，估计位置与转速的计算：

将两相永磁磁链

通过有限位置集无位置预测计算出估计位置

并微分得到估计转速

步骤4，反馈电流的计算：

取步骤3位置预测计算得到的估计位置

用于坐标变换，得到两相旋转坐标系下的电流i_d、i_q。

步骤5，电机无位置传感器控制下调速运行：

电机起动后，由位置估计模块提供位置和转速，给定转速n^*与反馈转速n做差，经PI控制器得到给定q轴电流i_q ^*，给定d轴电流i_d ^*为0，dq轴电流给定值与步骤4中获得的反馈值做差，经过PI控制器输出并经过2r/2s IPark变换计算出两相静止坐标系下的参考电压u_α ^*，u_β ^*。参考电压u_α ^*，u_β ^*通过空间矢量调制模块得到控制逆变器的开关信号，电机绕组通过逆变器与电源相连。电机绕组与电源相连，产生的电流感应出磁场，与永磁体感应的磁场互相作用，产生了转矩。绕组产生磁场的转矩大小与转速的偏差有关，当反馈转速大于给定转速，减小转矩；反之，当反馈转速小于给定转速，增大转矩。通过此方法使电机运行在给定转速下，也可通过改变给定转速使电机调速。

基于永磁磁链观测器的有限位置集无位置矢量控制运行，t∈[0,0.06)为启动阶段，之后为恒运行阶段，给定转速设置为800r/min。其中，实测位置和转速不参与电机控制，只是用来与估计值做比较，检验估计精度。

图4为电机运行时两相永磁磁链的波形图，静止坐标系下两相永磁磁链正弦度较高，幅值相同，相位互差π/2。

图5为电机运行时实际转速与估计转速对比图。真实转速能在有限时间内达到给定转速，且估计转速与真实转速接近。此图验证了基于永磁磁链观测器的有限位置集无位置矢量控制运行的可行性。

图6为电机运行时实际位置与估计位置对比图，二者波形基本一致。

图7为电机运行时位置估计误差图，稳定运行时估计误差在0.02rad范围内，与理论误差相符。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种基于永磁磁链观测器的有限位置集无位置控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，电流和电压的检测与计算：

检测永磁电机的三相电流i_a，i_b，i_c，并经过3s/2s Clarke变换得到两相静止坐标系下电流i_α和i_β，检测直流电源电压与三相占空比，经3s/2s Clarke变换得两相静止坐标系下电压u_α和u_β；

步骤2，永磁磁链的观测：

取步骤1中得到的两相静止坐标系下电压电流u_α、u_β、i_α、i_β与上一周期步骤3位置预测计算得到的估计位置

其中第一个周期为电机初始位置θ₀，由永磁磁链观测器估计出静止坐标系下的永磁磁链

步骤3，估计位置与转速的计算：

将两相永磁磁链

通过有限位置集无位置预测计算出估计位置

并微分得到估计转速

所述步骤3中有限位置集无位置预测算法的代价函数为：

步骤4，反馈电流的计算：

取步骤3位置预测计算得到的估计位置用于坐标变换，得到两相旋转坐标系下的电流i_d，i_q；

步骤5，电机无位置传感器控制下调速运行：

给定转速n^*与反馈转速n做差，经PI控制器得到给定q轴电流i_q ^*，给定d轴电流i_d ^*为0，dq轴电流给定值与步骤4中获得的反馈值做差，经过PI控制器输出并经过2r/2s IPark变换计算出两相静止坐标系下的参考电压u_α ^*、u_β ^*，最终输出SVPWM波驱动电机转子运动，调速运行通过改变给定转速进行电机调速。

2.根据权利要求1所述的一种基于永磁磁链观测器的有限位置集无位置控制方法，其特征在于，所述步骤1中，两相静止坐标系下电流i_α和i_β和两相静止坐标系下电压u_α和u_β分别为：

其中S_a，S_b，S_c为控制器输出的占空比，U_dc为直流母线电压值。

3.根据权利要求1所述的一种基于永磁磁链观测器的有限位置集无位置控制方法，其特征在于，所述步骤2中的永磁磁链观测器，PI为比例加积分结构，ψ_f为永磁磁链，L、R为电机的相电感与相电阻参数，根据基于电压模型和电流模型的磁链计算公式，磁链分别被表示为

电压模型法：

电流模型法：

根据电流模型法，由已知的磁链估算出电流的估计值，表达式为：

将估计的电流和真实的电流做差，并通过线性补偿器G反馈到电压模型法，引入反馈后的电压模型法的表达式变为:

代入电流模型法估算的电流值后永磁磁链的表达式为:

定义的G传递函数为:

当k_p与k_i的增益设置为k_p＝ωL,k_i＝ω²L时，估计永磁磁链的传递函数写为:

其中ω是观测器的截止频率，估计永磁磁链的传递函数化简为:

4.根据权利要求3所述的一种基于永磁磁链观测器的有限位置集无位置控制方法，其特征在于，所述永磁磁链观测器中ω参数取ω＝80。

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