CN113676088A - 带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法 - Google Patents

带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法，属于电机控制技术领域。该方法通过模型参考自适应模型估算电机的位置和速度，替换传统的永磁同步电机的机械式位置传感器，降低运行成本，提高了系统的可靠性；同时本发明针对电机运行时出现的电流谐波，设计了抑制谐波的方法：基于滑模观测器估计电磁转矩脉动，计算补偿电流，加入低通滤波器得到平均转矩，进而得到转矩脉动。

Description

带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制领域，特别涉及一种带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法
背景技术
为了实时获得准确的转子位置和转速信息，传统方法是在转子轴上安装机械传感器，包括光电编码器、霍尔传感器等。然而，这将导致许多问题，例如成本、体积和惯性的增加以及可靠性和鲁棒性的降低。基于以上种种缺点，无速度传感器矢量控制的研究逐渐为国内外学术界和工程界高度重视。MRAS是一种高效的转速辨识控制系统，主要取自于自适应理论。系统包含两个模型：参考模型和可调模型，前者不含未知参数，后者含有未知参数，两种模型在共同的输入下有着共同的输出，参考模型与可调模型的输出和状态性能指标通过反馈比较器得到误差方程，构造合适的自适应律，使得可调模型的控制对象能够跟随参考模型的动态响应，使得控制误差趋于零。由于控制系统中逆变器非线性及电机反电势波形非正弦等因素，导致绕组电流中出现低频次谐波，引起电机转矩波动和损耗增加，使系统的控制性能变差，为此，需要一种改进的控制算法以抑制谐波。
发明内容
本发明的目的是解决高速永磁同步电机估计速度时由于转矩脉动过大，导致的速度波动大问题，提供一种带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法。
本发明的技术方案如下：
根据永磁同步电机的给定转速、d轴电流给定值、所述当前转速、d轴电流采样值和q轴电流采样值，对所述永磁同步电机进行转速电流双闭环控制；根据所述α轴参考电压uα、参考电流iα和β轴参考电压uβ、参考电流iβ，滑模观测器估计电磁转矩脉动，计算补偿电流
Figure BDA0003144895690000011
对所述永磁同步电机进行电流谐波抑制。
根据永磁同步电机的给定转速、d轴电流给定值、所述当前转速、d轴电流采样值和q轴电流采样值，对所述永磁同步电机进行转速电流双闭环控制，具体包括：
所述永磁同步电机的给定转速和所述当前转速的差值，经过PI调节器调节得到q轴参考电流，所述的q轴参考电流和所述q轴电流采样值的差值，经过PI调节器调节得到q轴参考电压，所述的d轴电流给定值和所述的d轴电流采样值的差值，经过PI调节器调节得到d轴参考电压，根据所述当前转子位置将所述的q轴参考电压和所述的d轴参考电压变换到两相静止坐标系下，生成α轴参考电压和β轴参考电压；将所述α轴参考电压和所述β轴参考电压进行SVPWM调制，输出PWM信号到逆变电路，输出a、b、c三相电流对永磁同步电机进行控制，所述永磁同步电机三相电流经过坐标变换后，得到d轴电流采样值和q轴电流采样值，进行电流闭环，根据所述d轴电流采样值、q轴电流采样值、q轴参考电压和d轴参考电压，建立模型参考自适应模块估计转速和位置，进行转速闭环；
根据永磁同步电机三相电流，经过坐标变换得到d轴电流采样值和q轴电流采样值，进行电流闭环，坐标变换公式具体包括：
Figure BDA0003144895690000021
Figure BDA0003144895690000022
其中，id为定子绕组的d轴电流，iq为定子绕组的q轴电流，ia、ib、ic为永磁同步电机三相电流，iα为α轴参考电流，iβ为β轴参考电流，θe为dq坐标系与三相静止坐标系a轴的夹角；
所述建立永磁同步电机在同步旋转坐标系下的定子电流方程，具体包括：在永磁同步电机中，d轴电感Ld和q轴电感Lq相等，得到Ld＝Lq＝Ls；根据Ld＝Lq＝Ls建立永磁同步电机在同步旋转坐标系下的所述定子电流方程为：
Figure BDA0003144895690000023
Figure BDA0003144895690000024
其中，ud为定子绕组的d轴电压，uq为定子绕组的q轴电压，id为定子绕组的d轴电流，iq为定子绕组的q轴电流，ψf为定子磁链，Ls为定子绕组电感，Rs为定子绕组电阻，we为转子电角转速；
根据所述定子电流方程建立参考模型和可调模型，具体包括：
Figure BDA0003144895690000031
令
Figure BDA0003144895690000032
iq *＝iq，
Figure BDA0003144895690000033
uq *＝uq
则参考电机模型可写成：
Figure BDA0003144895690000034
则并联可调模型为:
Figure BDA0003144895690000035
其中，
Figure BDA0003144895690000036
是id *的估计值，
Figure BDA0003144895690000037
是iq *的估计值，
Figure BDA0003144895690000038
是ud *的估计值，
Figure BDA0003144895690000039
是uq *的估计值，
Figure BDA00031448956900000310
是we的估计值；
根据所述参考模型和所述可调模型得到速度估算模型和位置估算模型，具体包括：
将MRAS参考模型与可调模型分别简写为如下形式：
参考模型：pi*＝Ai*+Bu*
可调模型：
Figure BDA00031448956900000311
定义广义误差
Figure BDA00031448956900000312
得到误差方程：
Figure BDA00031448956900000313
式中，
Figure BDA00031448956900000314
根据Popov超稳定理论，得到转速辨识公式：
Figure BDA00031448956900000315
其中，ki为PI调节器的积分系数，kp为PI调节器的比例系数；
根据所述速度估算模型得到所述位置估算模型，所述转子的估算位置角
Figure BDA00031448956900000316
为：
Figure BDA0003144895690000041
根据所述α轴参考电压uα、参考电流iα和β轴参考电压uβ、参考电流iβ、滑模观测器估计电磁转矩脉动，计算补偿电流
Figure BDA0003144895690000042
对所述永磁同步电机进行电流谐波抑制。具体包括：
滑模观测器观测反电动势，电机的电流状态方程形式：
Figure BDA0003144895690000043
其中：
Figure BDA0003144895690000044
we为转子电角速度，Eα、Eβ为反电动势；
传统的滑模观测器的设计方程形式：
Figure BDA0003144895690000045
其中，
Figure BDA0003144895690000046
为定子电流的观测值，
Figure BDA0003144895690000047
为观测器的控制输入；
将电机的电流方程与传统的滑模观测器的设计方程做差，定子电流的误差方程为：
Figure BDA0003144895690000048
其中，
Figure BDA0003144895690000049
为电流观测误差；
设计滑模控制律为：
Figure BDA00031448956900000410
其中，
Figure BDA00031448956900000411
根据反电动势vα、vβ，电机转速n，得到估计电磁转矩：
Figure BDA00031448956900000412
电磁转矩Te经过低通滤波器得到期望转矩
Figure BDA00031448956900000413
电磁转矩Te与期望转矩
Figure BDA00031448956900000414
做差得到转矩脉动ΔTe，经公式
Figure BDA00031448956900000415
得到补偿电流
Figure BDA00031448956900000416
根据q轴参考电流与补偿电流，所述q轴参考电流与补偿电流做差，得到谐波降低的q轴参考电流，进行电流闭环控制。
本发明的实质性效果为：提供了一种带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法，从而解决了高速永磁同步电机估计速度时由于转矩脉动过大，导致的速度波动大问题。
附图说明
图1为本发明提供的一种带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法流程示意图；
图2为本发明提供的永磁同步电机转速电流双闭环控制原理图；
图3为本发明提供的永磁同步电机谐波抑制原理图；
图4为本发明提供的一种带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制原理图。
具体实施方式
本发明提供一种带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：对永磁同步电机进行基于MRAS的转速电流双闭环控制，如图2、图4所示，包括以下步骤：
(1)所述永磁同步电机的给定转速和所述当前转速的差值，经过PI调节器调节得到q轴参考电流；所述的q轴参考电流和所述q轴电流采样值的差值，经过PI调节器调节得到q轴参考电压；所述的d轴电流给定值和所述的d轴电流采样值的差值，经过PI调节器调节得到d轴参考电压；根据所述当前转子位置将所述的q轴参考电压和所述的d轴参考电压变换到两相静止坐标系下，生成α轴参考电压和β轴参考电压；将所述α轴参考电压和所述β轴参考电压进行SVPWM调制，输出PWM控制波到逆变电路，输出a、b、c三相电流对永磁同步电机进行控制；
(2)根据永磁同步电机三相电流，经过坐标变换得到d轴电流采样值和q轴电流采样值，进行电流闭环，坐标变换公式：
Figure BDA0003144895690000061
Figure BDA0003144895690000062
其中，id为定子绕组的d轴电流，iq为定子绕组的q轴电流，ia、ib、ic为永磁同步电机三相电流，iα为α轴参考电流，iβ为β轴参考电流，θe为dq坐标系与三相静止坐标系a轴的夹角。
(3)所述建立永磁同步电机在同步旋转坐标系下的定子电流方程，具体包括：在永磁同步电机中，d轴电感Ld和q轴电感Lq相等，得到Ld＝Lq＝Ls；根据Ld＝Lq＝Ls建立永磁同步电机在同步旋转坐标系下的所述定子电流方程为：
Figure BDA0003144895690000063
Figure BDA0003144895690000064
其中，ud为定子绕组的d轴电压，uq为定子绕组的q轴电压，id为定子绕组的d轴电流，iq为定子绕组的q轴电流，ψf为定子磁链，Ls为定子绕组电感，Rs为定子绕组电阻，we为转子电角转速。
(4)根据所述定子电流方程建立参考模型和可调模型，具体包括：
Figure BDA0003144895690000065
令
Figure BDA0003144895690000066
iq *＝iq，
Figure BDA0003144895690000067
uq *＝uq
则参考电机模型可写成：
Figure BDA0003144895690000068
则并联可调模型为:
Figure BDA0003144895690000071
其中，
Figure BDA0003144895690000072
是id *的估计值，
Figure BDA0003144895690000073
是iq *的估计值，
Figure BDA0003144895690000074
是ud *的估计值，
Figure BDA0003144895690000075
是uq *的估计值，
Figure BDA0003144895690000076
是we的估计值。
(5)根据所述参考模型和所述可调模型得到速度估算模型和位置估算模型，具体包括：
将MRAS参考模型与可调模型分别简写为如下形式：
参考模型：pi*＝Ai*+Bu*
可调模型：
Figure BDA0003144895690000077
其中，p为微分算子，定义广义误差
Figure BDA0003144895690000078
得到误差方程：
Figure BDA0003144895690000079
式中，
Figure BDA00031448956900000710
根据Popov超稳定理论，得到转速辨识公式：
Figure BDA00031448956900000711
其中，kp为PI调节器的比例系数，ki为PI调节器的积分系数；
根据所述速度估算模型得到所述位置估算模型，所述转子的估算位置角
Figure BDA00031448956900000712
为：
Figure BDA00031448956900000713
步骤2：建立滑模观测器估计电磁转矩脉动，计算补偿电流，如图3所示，根据所述α轴参考电压uα、参考电流iα和β轴参考电压uβ、参考电流iβ、滑模观测器估计电磁转矩脉动，计算补偿电流
Figure BDA00031448956900000714
对所述永磁同步电机进行电流谐波抑制。
具体包括：
滑模观测器观测反电动势，电机的电流状态方程形式：
Figure BDA00031448956900000715
其中：
Figure BDA00031448956900000716
we为转子电角速度，Eα、Eβ为反电动势；
传统的滑模观测器的设计方程形式：
Figure BDA0003144895690000081
其中，
Figure BDA0003144895690000082
为定子电流的观测值，
Figure BDA0003144895690000083
为观测器的控制输入；
将电机的电流方程与传统的滑模观测器的设计方程做差，定子电流的误差方程为：
Figure BDA0003144895690000084
其中，
Figure BDA0003144895690000085
为电流观测误差；
设计滑模控制律为：
Figure BDA0003144895690000086
其中，
Figure BDA0003144895690000087
根据反电动势vα、vβ，电机转速n，得到估计电磁转矩：
Figure BDA0003144895690000088
电磁转矩Te经过低通滤波器得到期望转矩
Figure BDA0003144895690000089
电磁转矩Te与期望转矩
Figure BDA00031448956900000810
做差得到转矩脉动ΔTe，经公式
Figure BDA00031448956900000811
得到补偿电流
Figure BDA00031448956900000812
步骤3：对所述永磁同步电机进行谐波抑制，所述q轴参考电流与补偿电流做差，得到谐波降低的q轴参考电流，进行电流谐波抑制。

Claims (8)

1.一种带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，包括：
根据永磁同步电机的给定转速、d轴电流给定值、所述当前转速、d轴电流采样值和q轴电流采样值，对所述永磁同步电机进行转速电流双闭环控制；根据所述α轴参考电压uα、参考电流iα和β轴参考电压uβ、参考电流iβ、滑模观测器估计电磁转矩脉动，计算补偿电流
Figure FDA0003144895680000011
对所述永磁同步电机进行电流谐波抑制。
2.根据权利要求1所述的带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，所述根据永磁同步电机的给定转速、d轴电流给定值、所述当前转速、d轴电流采样值和q轴电流采样值，对所述永磁同步电机进行转速电流双闭环控制，具体包括：
所述永磁同步电机的给定转速和所述当前转速的差值，经过PI调节器调节得到q轴参考电流，所述的q轴参考电流和所述q轴电流采样值的差值，经过PI调节器调节得到q轴参考电压，所述的d轴电流给定值和所述的d轴电流采样值的差值，经过PI调节器调节得到d轴参考电压，根据所述当前转子位置将所述的q轴参考电压和所述的d轴参考电压变换到两相静止坐标系下，生成α轴参考电压和β轴参考电压，将所述α轴参考电压和所述β轴参考电压进行SVPWM调制，输出PWM控制波到逆变电路，输出a、b、c三相电流对永磁同步电机进行控制，永磁同步电机三相电流经过坐标变换后，得到d轴电流采样值和q轴电流采样值，进行电流闭环，根据所述d轴电流采样值、q轴电流采样值、q轴参考电压和d轴参考电压，建立模型参考自适应模块估计转速和位置，进行转速闭环控制。
3.根据权利要求2所述的带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，根据永磁同步电机三相电流，经过坐标变换得到d轴电流采样值和q轴电流采样值，具体包括：
获取永磁同步电机三相电流，根据坐标变换，得到dq轴电流，
Figure FDA0003144895680000012
Figure FDA0003144895680000013
其中，id为定子绕组的d轴电流，iq为定子绕组的q轴电流，ia、ib、ic为永磁同步电机三相电流，iα为α轴参考电流，iβ为β轴参考电流，θe为dq坐标系与三相静止坐标系a轴的夹角。
4.根据权利要求2所述的带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，建立永磁同步电机在同步旋转坐标系下的定子电流方程，在永磁同步电机中，d轴电感Ld和q轴电感Lq相等，得到Ld＝Lq＝Ls；根据Ld＝Lq＝Ls建立永磁同步电机在同步旋转坐标系下的所述定子电流方程为，具体包括：
Figure FDA0003144895680000021
Figure FDA0003144895680000022
其中，ud为定子绕组的d轴电压，uq为定子绕组的q轴电压，id为定子绕组的d轴电流，iq为定子绕组的q轴电流，ψf为定子磁链，Ls为定子绕组电感，Rs为定子绕组电阻，we为转子电角转速。
5.根据权利要求2所述的带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，根据所述定子电流方程建立参考模型和可调模型，具体包括：
Figure FDA0003144895680000023
令
Figure FDA0003144895680000024
iq *＝iq，
Figure FDA0003144895680000025
uq *＝uq
则参考电机模型可写成：
Figure FDA0003144895680000026
则并联可调模型为：
Figure FDA0003144895680000027
其中，
Figure FDA0003144895680000028
是id *的估计值，
Figure FDA0003144895680000029
是iq *的估计值，
Figure FDA00031448956800000210
是ud *的估计值，
Figure FDA00031448956800000211
是uq *的估计值，
Figure FDA0003144895680000031
是we的估计值。
6.根据权利要求5所述的带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，根据所述参考模型和所述可调模型得到速度估算模型和位置估算模型，具体包括：
将MRAS参考模型与可调模型分别简写为如下形式：
参考模型：pi*＝Ai*+Bu*
可调模型：
Figure FDA0003144895680000032
其中，p为微分算子，定义广义误差
Figure FDA0003144895680000033
得到误差方程：
Figure FDA0003144895680000034
式中，
Figure FDA0003144895680000035
7.根据权利要求6所述的带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，利用所述速度估算模型估算永磁同步电机的当前转速；利用所述位置估算模型估算永磁同步电机的当前转子位置，具体包括：
根据Popov超稳定理论，转速辨识公式：
Figure FDA0003144895680000036
其中，ki为PI调节器的积分系数，kp为PI调节器的比例系数；
根据所述速度估算模型得到所述位置估算模型，所述转子的估算位置角
Figure FDA0003144895680000037
为：
Figure FDA0003144895680000038
8.根据权利要求1所述的带有谐波抑制的永磁同步电机无速度传感器控制方法，其特征在于，利用所述位置估算模型估算永磁同步电机的当前转子位置；根据所述α轴参考电压uα、参考电流iα和β轴参考电压uβ、参考电流iβ、滑模观测器估计电磁转矩脉动，计算补偿电流
Figure FDA0003144895680000039
对所述永磁同步电机进行电流谐波抑制，具体包括：
滑模观测器观测反电动势，电机的电流状态方程形式：
Figure FDA00031448956800000310
其中：
Figure FDA0003144895680000041
we为转子电角速度，Eα、Eβ为反电动势；
传统的滑模观测器的设计方程形式：
Figure FDA0003144895680000042
其中，
Figure FDA0003144895680000043
为定子电流的观测值，
Figure FDA0003144895680000044
为观测器的控制输入；
将电机的电流方程与传统的滑模观测器的设计方程做差，定子电流的误差方程为：
Figure FDA0003144895680000045
其中，
Figure FDA0003144895680000046
为电流观测误差；
设计滑模控制律为：
Figure FDA0003144895680000047
其中，
Figure FDA0003144895680000048
根据反电动势vα、vβ，电机转速n，得到估计电磁转矩：
Figure FDA0003144895680000049
电磁转矩Te经过低通滤波器得到期望转矩
Figure FDA00031448956800000410
电磁转矩Te与期望转矩
Figure FDA00031448956800000411
做差得到转矩脉动△Te，经公式
Figure FDA00031448956800000412
得到补偿电流
Figure FDA00031448956800000413
根据q轴参考电流与补偿电流，所述q轴参考电流与补偿电流做差，得到谐波降低的q轴参考电流，进行电流谐波抑制。
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