CN113346798A - 一种永磁同步电机无传感器速度控制方法 - Google Patents

一种永磁同步电机无传感器速度控制方法 Download PDF

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Abstract

一种永磁同步电机无传感器速度控制方法，解决了现有技术永磁同步电机电流环控制技术中电流波动大，响应慢，系统抗干扰能力差的问题，属于永磁同步电机控制领域。本发明包括：采集永磁同步电机的三相交变电流，获得两相旋转坐标系下α和β轴的电流iα、iβ；利用永磁同步电机转子的电角度θe对iα、iβ进行变换，获得两相静止坐标系下d轴和q轴的电流id、iq；利用id、iq构造电流复矢量is，利用is采用PI控制器及转子的电角速度ωe构造电压复矢量us；根据us获取两相静止坐标系下d轴和q轴的电压ud、uq；利用θe对ud、uq进行变换，获得两相旋转坐标系下α和β轴的电压uα和uβ；根据uα和uβ调制得到三相方波占空比，控制永磁同步电机的电流，进而控制其力矩。

Description

一种永磁同步电机无传感器速度控制方法
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机无传感器速度控制方法，属于永磁同步电机控制领域。
背景技术
永磁电机结构简单、体积小和效率高等优势，目前在机器人、家用电器及电动汽车等领域得到广泛应用，随着科技发展和应用强化，随着智能技术和移动作业动态操作精度提升，对电机速度控制的精度和可靠性要求也越来越高。相比其他类型电机，永磁同步电机拥有使用寿命长，调速效果好，使用安全性高等特点。现有的永磁同步电机的电流控制大多采用PI控制器与前馈解耦来控制，虽然控制方法简单，但过于依赖电机参数，在参数辨识不精确的情况下容易产生较大的电流波动，影响调速的精确性。
发明内容
针对现有技术永磁同步电机电流环控制技术中电流波动大，响应慢，系统抗干扰能力差的问题，本发明提供一种永磁同步电机无传感器速度控制方法。
本发明的一种永磁同步电机无传感器速度控制方法，
一种永磁同步电机无传感器高精度速度控制方法，所述方法包括：
S1、采集永磁同步电机的三相交变电流，经过Clark变换后获得永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下α和β轴的电流iα、iβ；
S2、利用永磁同步电机转子的电角度θe对电流iα、iβ进行Park变换后，获得永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电流id、iq；
S3、利用电流id、iq构造电流复矢量is，利用电流复矢量is采用PI控制器及永磁同步电机转子的电角速度ωe构造电压复矢量us；
S4、根据电压复矢量us获取永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电压ud、uq；
S5、利用电角度θe对电压ud、uq进行反Park变换，获得永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下α和β轴的电压uα和uβ；
S6、根据电压uα和uβ调制得到三相方波占空比，控制永磁同步电机的电流，进而控制其力矩。
作为优选，所述S3中构造的电压复矢量us：
us＝kPes+(ki+jωekP)∫esdt
其中，eS＝isD-iS，isD表示电流给定值，kP表示PI控制器的比例增益，ki表示PI控制器的积分增益，j表示虚部。
作为优选，所述S3中构造的电压复矢量us：
us＝kPes+(ki+jωekP)∫eSdt+jωeΨf
其中，eS＝isD-iS，isD表示电流给定值，kP表示PI控制器的比例增益，ki表示PI控制器的积分增益，Ψf表示永磁体磁链，j表示虚部。
作为优选，kP＝αL、ki＝αR；
L表示d轴电感分量及q轴电感分量的电感值，R表示定子电阻，α表示带宽的控制参数。
作为优选，所述电角度θe及电角速度ωe的获取方法包括：
S11、构建观测器，将观测器的输入为电流iα、iβ及电压uα和uβ，输出为永磁同步电机的反电动势的α轴分量和β轴分量Eα、Eβ；
S12、通过控制恒定的A相电流产生的磁场使得永磁同步电机转子转动到固定的启动位置；
S13、通过控制电流复矢量is在空间矢量场的旋转带动转子进行旋转，电流复矢量is在空间矢量场的旋转速度逐渐增大；
S14、当永磁同步电机的速度达到想要控制的速度时，停止增加电流复矢量is的转速，降低电流复矢量is的大小，使得转子角度为设定的电流矢量的角度；
S15、开启观测器，利用S1至S5的方法获得电流iα、iβ及电压uα和uβ，待观测器收敛，利用矢量控制FOC算法观测到据Eα、Eβ，根据Eα、Eβ，利用反三角函数计算出电角度θe；
S16、根据电角度θe获得电角速度ωe。
作为优选，所述S11中，构建龙伯格观测器，龙伯格观测器为：
Figure BDA0003131749320000021
Figure BDA0003131749320000031
其中，
Figure BDA0003131749320000032
Figure BDA0003131749320000033
K为观测器增益，
Figure BDA0003131749320000034
L表示电感值，R表示定子电阻；k1表示观测器对电流分量的增益系数，k2表示观测器对电压分量的增益系数；
利用龙伯格观测器得到反电动势的α轴分量和β轴分量Eα、Eβ。
作为优选，所述S11中，构建龙伯格观测器，龙伯格观测器为：
Figure BDA0003131749320000035
Figure BDA0003131749320000036
其中，
Figure BDA0003131749320000037
Figure BDA0003131749320000038
K为观测器增益，
Figure BDA0003131749320000039
L表示电感值，R表示定子电阻；k1表示观测器对电流分量的增益系数，k2表示观测器对电压分量的增益系数；
利用龙伯格观测器得到反电动势的α轴分量和β轴分量Eα、Eβ。
作为优选，S3中电流复矢量is＝id+jiq。
作为优选，S4中根据uS＝ud+juq，获取电压ud、uq。
作为优选，所述S6中，采用空间矢量脉宽调制SVPWM根据电压uα和uβ调制得到三相方波占空比。本发明的有益效果：本发明采取复矢量解耦方法，融合前馈解耦，电流环波动明显下降，响应时间降低，速度控制得到改善；电流环控制效果对参数敏感性低，降低了参数辨识对控制效果的影响；观测器可适应的调速范围更广，在中速以及高速都有很好的观测效果。
附图说明
图1为本发明的控制原理示意图；
图2为PI控制器原理示意图。
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的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式的永磁同步电机无传感器高精度速度控制方法，包括：
步骤一、采集永磁同步电机的三相交变电流，经过Clark变换后获得永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下α和β轴的电流iα、iβ；
步骤二、利用永磁同步电机转子的电角度θe对电流iα、iβ进行Park变换后，获得永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电流id、iq；
步骤三、利用电流id、iq构造电流复矢量is，利用电流复矢量is采用PI控制器及永磁同步电机转子的电角速度ωe构造电压复矢量us；
步骤四、根据电压复矢量us获取永磁同步电机定子两相静止坐标系下d轴和q轴的电压ud、uq；
步骤二至步骤四是通过复矢量解耦与PI控制器的方法计算出；
步骤五、利用电角度θe对电压ud、uq进行反Park变换，获得永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下α和β轴的电压uα和uβ；
步骤六、根据电压uα和uβ调制得到三相方波占空比，控制永磁同步电机的电流，进而控制其力矩。
本实施方式中复矢量解耦与PI控制器的方法原理为：
首先明确永磁同步电机同步旋转坐标系下数学模型:
Figure BDA0003131749320000051
Figure BDA0003131749320000052
对于隐极电机，有Ld＝Lq＝L
Ld表示d轴电感分量；
Lq表示q轴电感分量；
L表示电感值；
ωe表示转子电角速度；
Ψf表示永磁体磁链；
R表示定子电阻；
可以看到q、d轴电压方程之间互相包含对方的电流，明显是一个耦合的系统。传统控制方法通过前馈的方法进行解耦，即在最终输入电机系统之前在输出电压值上补偿数学模型中-ωeLqiq与ωe(Ldid+Ψf)这一项，系统就可以得到解耦。然而，前馈解耦的方法过渡依赖于电机参数，即必须得到准确的Ld、Lq以及Ψf才能够较好地消除耦合影响。由此导致采用前馈解耦控制方法的电机存在电流波动，相应慢的缺陷。
而本实施方式采用的复矢量解耦的方法进行电流环控制：
首先构造控制量，构造电流复矢量iS，其实部由id构成，虚部由iq构成，则有:
is＝id+jiq
同理，构造电压复矢量uS，其实部ud由构成，虚部由uq构成，则有:
uS＝ud+juq
将上述方程与电机数学模型联立，可得到由电流、电压复矢量构成的新的电压方程如下：
Figure BDA0003131749320000053
由此可见，将两个互相耦合的系统变为一个整体，此时只需输出电压uS，即可控制电流iS，在控制iS的同时，id与iq也就得到了控制。
优选实施例中，本实施方式采取PI控制器控制:
eS＝isD-iS
us＝kPes+(ki+jωekP)∫esdt
其中isD表示电流给定值，PI参数可选取kP＝αL、ki＝αR，α表示带宽的控制参数，α控制系统带宽，有α越大，带宽越大，电流响应速度越快。但α不可无限制地增加，应考虑控制器输出电压的范围合理设计α的值。
优选实施例中，最后在最终输出的uq部分可以前馈补偿上ωeΨf，使模型更加拟合真实模型，如图2所示：
us＝kPes+(ki+jωekP)∫esdt+jωeΨf
本实施方式中的永磁同步电机转子的电角度θe可利用传感器测量，也可采用无传感器设计；传统无传感器算法通常采用六步换向法，即通过检测三相线上的反电动势来估计转子位置，通过控制逆变器的六种状态来实现电机的无传感器运行。但这种方法无法精确控制电流，且最终电流波形为方波而非正弦波，就可能导致电机运行不平稳，调速不灵活等问题。本实施方式取无传感器FOC控制算法，可以精确控制电流，实现电机平稳运行。使用龙伯格观测器观测电机的位置与速度，为FOC算法提供位置参考。
无传感器算法运行原理如下：
构建观测器；
启动前，首先通过控制恒定的A相电流，电流产生的磁场使得电机转子转动到固定的启动位置，随后开启开环启动流程。
开环启动时，通过控制电流复矢量is在空间矢量场的旋转带动转子进行旋转，电流复矢量is在空间矢量场的旋转速度逐渐增大；
当电机达到想要控制的速度时，停止增大电流复矢量is的转速，此时电机会保持恒定的转速，此时产生的转矩与阻力相等，电流矢量一部分是q轴电流，一部分是d轴电流。降低电流复矢量is大小使得转子角度等于设定的电流复矢量is的角度。
最后开启观测器，待观测器收敛，矢量控制FOC(Field-oriented Control)算法使用观测到的角度，再由速度开环切换到速度闭环即可完成一次无传感器启动。
本实施方式的观测器采用龙伯格观测器，龙伯格观测器为：
Figure BDA0003131749320000061
Figure BDA0003131749320000062
其中，
Figure BDA0003131749320000063
此处假设了Eα、Eβ的导数均为0，即Eα、Eβ变化率为零。
Figure BDA0003131749320000064
Figure BDA0003131749320000071
K为观测器增益，
Figure BDA0003131749320000072
L表示电感值，R表示定子电阻；k1表示观测器对电流分量的增益系数，k21表示观测器对电压分量的增益系数；利用龙伯格观测器得到反电动势的α轴分量和β轴分量Eα、Eβ。在满足能观性的前提下，通过调节K的值，可以设定观测器的带宽。
利用龙伯格观测器得到反电动势的α轴分量和β轴分量Eα、Eβ；
根据电机数学模型，有:Eα＝-ωeΨfsinθe、Eβ＝ωeΨfcosθe，可由反三角函数计算出电角度的值:
Figure BDA0003131749320000073
微分可计算出电角速度:
Figure BDA0003131749320000074
此前假设了Eα、Eβ变化率为零，但由上式得知，Eα、Eβ存在明显的微积分关系，优选实施例中改进龙伯格观测器的A′：
Figure BDA0003131749320000075
可以进一步提升观测器跟随效果。
Figure BDA0003131749320000076
本实施方式的电流环阶跃响应达到63％的时间小于电机电气时间常数的20％，超调量小于5％，扩张状态观测器观测角度误差小于10°。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机无传感器高精度速度控制方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、采集永磁同步电机的三相交变电流，经过Clark变换后获得永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下α和β轴的电流iα、iβ；
S2、利用永磁同步电机转子的电角度θe对电流iα、iβ进行Park变换后，获得永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电流id、iq；
S3、利用电流id、iq构造电流复矢量is，利用电流复矢量is采用PI控制器及永磁同步电机转子的电角速度ωe构造电压复矢量us；
S4、根据电压复矢量us获取永磁同步电机定子在两相静止坐标系下d轴和q轴的电压ud、uq；
S5、利用电角度θe对电压ud、uq进行反Park变换，获得永磁同步电机定子在两相旋转坐标系下α和β轴的电压uα和uβ；
S6、根据电压uα和uβ调制得到三相方波占空比，控制永磁同步电机的电流，进而控制其力矩。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机无传感器高精度速度控制方法，其特征在于，所述S3中构造的电压复矢量us：
us＝kPes+(ki+jωekP)∫esdt
其中，eS＝isD-iS，isD表示电流给定值，kP表示PI控制器的比例增益，ki表示PI控制器的积分增益，j表示虚部。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机无传感器高精度速度控制方法，其特征在于，
所述S3中构造的电压复矢量us：
us＝kPes+(ki+jωekP)∫esdt+jωeΨf
其中，eS＝isD-iS，isD表示电流给定值，kP表示PI控制器的比例增益，ki表示PI控制器的积分增益，Ψf表示永磁体磁链，j表示虚部。
4.根据权利要求2或3所述的永磁同步电机无传感器高精度速度控制方法，其特征在于，kP＝αL、ki＝αR；
L表示d轴电感分量及q轴电感分量的电感值，R表示定子电阻，α表示带宽的控制参数。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机无传感器高精度速度控制方法，其特征在于，所述电角度θe及电角速度ωe的获取方法包括：
S11、构建观测器，将观测器的输入为电流iα、iβ及电压uα和uβ，输出为永磁同步电机的反电动势的α轴分量和β轴分量Eα、Eβ；
S12、通过控制恒定的A相电流产生的磁场使得永磁同步电机转子转动到固定的启动位置；
S13、通过控制电流复矢量is在空间矢量场的旋转带动转子进行旋转，电流复矢量is在空间矢量场的旋转速度逐渐增大；
S14、当永磁同步电机的速度达到想要控制的速度时，停止增加电流复矢量is的转速，降低电流复矢量is的大小，使得转子角度为设定的电流矢量的角度；
S15、开启观测器，利用S1至S5的方法获得电流iα、iβ及电压uα和uβ，待观测器收敛，
利用矢量控制FOC算法观测到据Eα、Eβ，根据Eα、Eβ，利用反三角函数计算出电角度θe；
S16、根据电角度θe获得电角速度ωe。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机无传感器高精度速度控制方法，其特征在于，所述S11中，构建龙伯格观测器，龙伯格观测器为：
Figure FDA0003131749310000021
Figure FDA0003131749310000022
其中，
Figure FDA0003131749310000023
Figure FDA0003131749310000024
K为观测器增益，
Figure FDA0003131749310000025
L表示电感值，R表示定子电阻；k1表示观测器对电流分量的增益系数，k2表示观测器对电压分量的增益系数；
利用龙伯格观测器得到反电动势的α轴分量和β轴分量Eα、Eβ。
7.根据权利要求5所述的永磁同步电机无传感器高精度速度控制方法，其特征在于，所述S11中，构建龙伯格观测器，龙伯格观测器为：
Figure FDA0003131749310000026
Figure FDA0003131749310000027
其中，
Figure FDA0003131749310000031
Figure FDA0003131749310000032
K为观测器增益，
Figure FDA0003131749310000033
L表示电感值，R表示定子电阻；k1表示观测器对电流分量的增益系数，k2表示观测器对电压分量的增益系数；
利用龙伯格观测器得到反电动势的α轴分量和β轴分量Eα、Eβ。
8.根据权利要求1所述的永磁同步电机无传感器高精度速度控制方法，其特征在于，S3中电流复矢量is＝id+jiq。
9.根据权利要求1所述的永磁同步电机无传感器高精度速度控制方法，其特征在于，S4中根据uS＝ud+juq，获取电压ud、uq。
10.根据权利要求1所述的永磁同步电机无传感器高精度速度控制方法，其特征在于，所述S6中，采用空间矢量脉宽调制SVPWM根据电压uα和uβ调制得到三相方波占空比。
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