CN114499327A - 永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制方法及控制系统。通过建立磁链闭环反馈补偿回路，构建磁链补偿回路方程；所述补偿回路方程包括磁链补偿系数，输入参考磁链，计算输出计算磁链；计算电机转子转速计算值与给定值之间的误差，基于误差值的大小，调节磁链补偿系数；根据调节后的补偿系数，对磁链补偿回路方程进行求解；计算输出计算磁链；基于计算输出的计算磁链，计算电机转子角度及转速；将计算获得的电机转子角度及电机转速，用于永磁同步电机控制。本方法及系统通过求解微分方程离散磁链微分解析式，得到与动态误差补偿系数唯一相关的变量整定方式，简化了重复调参过程；提高转子角度和转速估算精度，工程适用性强。

Description

永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制方法及控制系统。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单可靠、高效和高功率密度等优点，广泛应用于牵引驱动、高效输出等工业传动领域。永磁同步电机调速控制系统需要位置传感器(光电编码器、旋转变压器)提供准确的转子角度和转速信息。在位置传感器故障状态下，无位置传感器控制技术是保证电机不失控、持续稳定运行的重要容错控制手段。国内外学者针对无位置传感器控制技术做了大量研究。

基于磁链观测器无位置传感器控制方法通过解耦内置式永磁同步电机凸极电感，从而将其数学模型统一等效为隐极模型，对不同类型电机具有很好的适应性。磁链计算方法多以对反电势积分得到，但定子端采样得到的电压和电流信号中包含有直流偏置分量，且积分过程存在积分初始误差，随时间推移，观测器易出现饱和，导致观测器出现较大角度、转速估算误差。部分学者提出利用高阶积分器增加系统阶数提高滤波效果，消除直流偏置并削弱谐波分量，改善磁链计算精度。但当电机动态运行时，高阶滤波器会存在较大的静态跟踪误差和二倍频波动等缺陷，当转速、转矩瞬态变化时会影响转子角度、转速估算精度，不利于电机正常运行。此外，高阶滤波器控制环路复杂，多参数不易整定、数据处理运算量大，同时也对电机控制器硬件资源提出了更高的要求，实际工程应用较为困难。

发明内容

本发明的目的在于至少解决上述技术问题之一，提供一种控制精度高、稳定性好的永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制方法及控制系统。

为解决以上问题，本发明提供如下技术方案：

一种永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制方法，包括以下步骤：

S1：建立磁链闭环反馈补偿回路，构建磁链补偿回路方程；所述补偿回路方程包括磁链补偿系数，输入参考磁链，计算输出计算磁链；

S2：计算电机转子转速计算值与给定值之间的误差，基于误差值的大小，调节磁链补偿系数；

S3：根据调节后的补偿系数，对磁链补偿回路方程进行求解；计算输出计算磁链；

S4：基于计算输出的计算磁链，计算电机转子角度及转速；

S5：将计算获得的电机转子角度及电机转速，用于永磁同步电机控制。

本发明一些实施例中：磁链补偿回路方程为：

其中，ψ_αEst、ψ_βEst为两相静止坐标系下参考磁链分量，ψ_α、ψ_β为两相静止坐标系下磁链补偿回路方程计算输出的磁链分量，U_α、U_β为两相静止坐标系电压分量，I_α、I_β为两相静止坐标系下电流分量，R_s为定子电阻，K_pA为磁链补偿系数。

本发明一些实施例中：参考磁链的计算方法包括：

其中：ψ_dEst、ψ_qEst为两相旋转坐标系下参考磁链分量；L_d、L_q为永磁同步电极的电感；ψ_flux为永磁同步电机永磁体磁链；i_d为定子电流的d轴分量，i_q为定子电流的q轴分量。

将两相旋转坐标系下的参考磁链分量转换为两相静止坐标系下参考磁链分量：

其中，θ为转子角度，ψ_αEst、ψ_βEst为两相静止坐标系下参考磁链分量。

本发明一些实施例中：调节磁链系数的方法包括：

计算转速误差：

Δω_e＝ω_ref(nT_s)-ω_e(nT_s)

其中：ω_ref(nT_S)为电机转速基准值，ω_e(nT_S)为电极转速计算值；

根据转速误差的大小，选择磁链系数：

其中：k_base为补偿基准系数，ω_{err_lev1}、ω_{err_lev2}、ω_{err_lev3}和ω_{err_lev4}为设定的转速误差指标。

本发明一些实施例中：对磁链补偿回路方程进行求解的方法包括：

对补偿回路方程进行变换：

其中：M_α和M_β为定义的与时间无关的常数项；

对变换后的补偿回路方程进行求解，获得两相静止坐标系下计算磁链分量：

其中，C为求解系数设定值，为微分方程通解常数系数，无特定含义，仅为通解常数系数，D_α、D_β为非齐次磁链微分方程通解待定系数项；

将含有待定系数项的计算磁链分量带入补偿回路方程，求解补偿回路方程，获得D_α、D_β：

对两相静止坐标系下计算磁链分量方程进行离散化处理，获得相邻时刻两相静止坐标系下计算磁链分量的离散值：

其中：T_s为载波周期，nT_s和(n-1)T_s为任意相邻时刻离散时间；

对相邻时刻两相静止坐标系下计算磁链分量的离散值进行合并：

带入求解获得的D_α、D_β：

其中，定义调整变量F_{C_Flux}和G_{C_Flux}：

本发明一些实施例中：求解转子角度θ(nT_s)及电机转速ω_e[nT_s]的方法包括：

ω_e[nT_s]＝(1-k_{LPF_ω})·ω_e[(n-1)T_s]+k_{LPF_ω}·{θ[nT_s]-θ[(n-1)T_s]}

其中，k_{LPF_ω}为低通滤波器调节系数。

本发明进一步提供一种永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制系统，包括：

前馈磁链补偿单元：用于根据参考磁链及磁链补偿系数，计算输出计算磁链；

参数调整单元：用于根据电机转子转速调节磁链补偿系数，并将调节后的磁链补偿系数传递至前馈磁链补偿单元；

电机参数计算单元：用于根据计算磁链计算电机转子角度及转速；

电机控制单元：用于根据计算所得电机参数，控制永磁同步电机。

本发明一些实施例中：所述控制系统进一步包括：

电压变换单元：用于根据相电压计算输出两相静止坐标系电压分量；

电流变换单元：用于根据三相电流计算输出两相静止坐标系电流分量；

磁链计算单元：用于根据电流变换单元输出结果计算输出参考磁链；

所述前馈磁链补偿单元获取电压变换单元的变换结果、电流变换单元的变换结果及磁链计算单元的计算结果，计算输出计算磁链。

本发明提供的永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制方法，较现有技术，有益效果在于：

1、本方法通过求解微分方程离散磁链微分解析式，得到与动态误差补偿系数唯一相关的变量整定方式，简化了重复调参过程；提高转子角度和转速估算精度，工程适用性强。

2、本方法通过衡量转速误差大小，设计了动态补偿系数的调节方法，在确保系统稳定性的前提下，提高了永磁同步电机无位置传感器动态调速性能。

3、本方法基于前馈微分磁链补偿的观测器有效避免了直流偏置饱和的影响，削弱了谐波和二倍频分量，实现对误差的动态跟踪补偿，提高了两相静止坐标系中磁链计算精度，保证了转子角度和转速估算准确性。

4、本专利结合相邻时刻转子角度估算值利用低通滤波器计算电机转速，避免了微分产生的无穷不收敛问题，且对应的低通滤波器离散结果形式简洁、易于工程实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为前馈微分磁链补偿的无位置传感器控制流程图；

图2为前馈微分磁链补偿的无位置传感器控制逻辑框图；

图3为基于前馈微分磁链补偿的永磁同步电机无位置传感器矢量控制框图；

图4为现有技术中变频器结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

本发明提供一种永磁同步电机前馈微分磁链补偿无位置传感器控制方法和控制系统，可用于永磁同步电机的调速控制。

永磁同步电极变频器的硬件结构参考图4。变频器硬件电路包括滤波电感41，前级与三相电网连接，后端与三相不控整流电路连接，被配置为滤波电路；电容预充电电路42，后端连接母线支撑电容C、放电电阻R2，被配置为预充电控制电路；母线电压采样电路43，后端连接三相桥臂IGBT功率电路，被配置为采样母线电压值；三相电流采样电路44，处于三相变频器输出端，被配置为对电机相电流采样；SVPWM驱动控制信号45，被配置为驱动三相桥臂IGBT功率电路的脉冲信号；DSP数字信号处理器，与电容预充电电路42、母线电压采样电路43、三相电流采样电路44、三相桥臂IGBT功率电路和上位机建立通信连接，被配置为接收母线电压采样电路43发送的母线电压信号，接收三相电流采样电路44发送的电机相电流，发送预充电控制信号至电容预充电电路42，执行磁链微分补偿环节无位置传感器控制算法并发送SVPWM驱动控制信号44至三相桥臂IGBT功率电路，与上位机进行数据传输。

现有技术中电压型磁链观测无位置传感器控制方法如下。

在α-β两相静止坐标系中，对永磁同步电机电压方程积分得定子磁链解析式：

其中，U_α、U_β为两相静止坐标系电压分量，I_α、I_β为电流分量，ψ_α、ψ_β为定子磁链分量，R_s为定子电阻。

定子电压U_a、U_b通过采样母线电压U_dc结合开关管占空比D_a、D_b、D_c计算得到：

其中，U_dc为母线电压幅值，D_a、D_b、D_c对应逆变器开关管占空比。

定子电压、电流经Clarke变换得到两相静止坐标系中的αβ电压分量及电流。

对定子磁链积分结果式(1)离散得到便于数字控制器处理的解析式

式中，T_s为载波周期，nT_s和(n-1)T_s为任意相邻时刻离散时间。

由两相静止坐标系中的磁链ψ_α(nT_s)、ψ_β(nT_s)计算转子角度θ、电角频率ω_e

本发明提供一种改进型永磁同步电机前馈微分磁链补偿无位置传感器控制方法及控制系统。

本发明第一实施例提供一种永磁同步电机前馈微分磁链补偿无位置传感器控制方法；该控制方法具体包括以下步骤。

S1：建立磁链闭环反馈补偿回路，构建磁链补偿回路方程；所述补偿回路方程包括磁链补偿系数，输入参考磁链，计算输出计算磁链。

其中，ψ_αEst、ψ_βEst为两相静止坐标系下参考磁链分量，ψ_α、ψ_β为两相静止坐标系下磁链补偿回路方程计算输出的磁链分量，U_α、U_β为两相静止坐标系电压分量，I_α、I_β为两相静止坐标系下电流分量，R_s为定子电阻，K_pA为磁链补偿系数。

其中，U_α、U_β、I_α、I_β的计算方法为：采样电极定子侧母线电压U_dc，以及三相电流值I_a、I_b、I_c，经坐标变换获得两相静止坐标系中的电压分量和电流分量。具体如下：

其中，U_a、U_b为定子电压，U_dc为母线电压幅值，D_a、D_b、D_c对应为逆变器开关管占空比。

定子电压、电流经Clarke变换得到两相静止坐标系中的α分量、β分量：

S11：参考磁链的计算方法如下。

基于永磁同步电极的电感、永磁体磁链计算参考磁链。

其中：ψ_dEst、ψ_qEst为两相旋转坐标系下参考磁链分量；L_d、L_q为永磁同步电极的电感；ψ_flux为永磁同步电机永磁体磁链；i_d为定子电流的d轴分量，i_q为定子电流的q轴分量。

将两相旋转坐标系下的参考磁链分量转换为两相静止坐标系下参考磁链分量：

其中，θ为转子角度，ψ_αEst、ψ_βEst为两相静止坐标系下参考磁链分量。

S2：对磁链补偿系数进行动态整定。具体的，计算电机转子转速计算值与给定值之间的误差，基于误差值的大小，调节磁链补偿系数。

对补偿回路方程进行变换：

其中：M_α和M_β为定义的与时间无关的常数项。

对变换后的补偿回路方程进行求解，获得两相静止坐标系下计算磁链分量：

其中，C为求解系数设定值，为微分方程通解常数系数，无特定含义，仅为通解常数系数，D_α、D_β为非齐次磁链微分方程通解待定系数项。

将含有待定系数项的计算磁链分量带入补偿回路方程，求解补偿回路方程，获得D_α、D_β：

对两相静止坐标系下计算磁链分量方程进行离散化处理，获得相邻时刻两相静止坐标系下计算磁链分量的离散值：

其中：T_s为载波周期，nT_s和(n-1)T_s为任意相邻时刻离散时间。

对相邻时刻两相静止坐标系下计算磁链分量的离散值进行合并：

带入求解获得的D_α、D_β：

定义调整变量F_{C_Flux}和G_{C_Flux}：

磁链离散方程中两调整变量F_{C_Flux}和G_{C_Flux}可由动态补偿系数K_pA唯一确定，避免了两变量重复尝试，加快环路参数调节速度。

定义电机转速基准值ω_ref(nT_S)、补偿基准系数k_base，计算电机转速ω_e(nT_S)，根据转速误差Δω_e的大小，调节调整变量F_{C_Flux}和G_{C_Flux}：

Δω_e＝ω_ref(nT_s)-ω_e(nT_s)

其中，补偿基准系数根据系统特点选择设定，ω_{err_lev1}、ω_{err_lev2}、ω_{err_lev3}和ω_{err_lev4}为设定的转速误差指标。

以上动态误差补偿系数整定方法可适应不同工况，实现参数的自我整定，对电机运行过程中的转速、转矩动态变化具有较好的跟踪适应性。在保证稳定性的前提下，具有更好的动态响应特性。

S3：根据调节后的补偿系数，对磁链补偿回路方程进行求解；计算输出计算磁链；

S4：基于步骤S3中计算输出的计算磁链，求解转子角度θ(nT_s)和电机转速ω_e[nT_s]。

其中，k_{LPF_ω}为低通滤波器调节系数，具体的：

f为电机运行频率。

采用低通滤波器累加相邻时刻角度变化量计算电机转速，在保证计算精度的前提下，有效避免对转子角度微分求解带来的不收敛问题。

S5：将计算获得的电机转子角度及转速。用于永磁同步电机控制。

如图3，由观测器估算得到的转子角度和转速信息可用于矢量控制系统，实现永磁同步电机无位置传感器交流调速控制。

由给定转速ω_ref(nT_S)和反馈转速ω_e(nT_s)计算得到转速误差Δω_e，作为二阶速度PI控制环路输入，保证转速跟踪给定值并输出q轴电流参考值I_q ^*。d、q轴参考电流I_d ^*、I_q ^*与反馈电流I_d、I_q差值作为一阶电流PI环路输入(包括d轴PI环路控制和q轴PI环路控制)，确保系统带宽和对负载的响应能力，输出旋转坐标系下的电压矢量U_d ^*、U_q ^*。为便于6个电压矢量的选择和作用，利用坐标变换将旋转坐标系中电压矢量U_d ^*、U_q ^*变换至两相静止坐标系U_α ^*、U_β ^*，便于SVPWM扇区划分、电压矢量选择并计算作用时间，控制开关管导通、关断时间，结合母线电压实现基于前馈微分磁链补偿的永磁同步电机无位置传感器矢量控制。

本发明第二实施例提供一种永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制系统，包括：

前馈磁链补偿单元：用于根据参考磁链及磁链补偿系数，计算输出计算磁链；

参数调整单元：用于根据电机转子转速调节磁链补偿系数，并将调节后的磁链补偿系数传递至前馈磁链补偿单元；

电机参数计算单元：用于根据计算磁链计算电机转子角度及转速；

电机控制单元：用于根据计算所得电机参数，控制永磁同步电机。

本发明一些实施例中：所述控制系统进一步包括：

电压变换单元：用于根据相电压计算输出两相静止坐标系电压分量；

电流变换单元：用于根据三相电流计算输出两相静止坐标系电流分量；

磁链计算单元：用于根据电流变换单元输出结果计算输出参考磁链；

前馈磁链补偿单元获取电压变换单元的变换结果、电流变换单元的变换结果及磁链计算单元的计算结果，计算输出计算磁链。

本发明提供的控制系统各单元的执行流程可对应参考第一实施例，不再赘述。

本发明采用前馈微分磁链补偿环节设计磁链微分环路，削弱直流偏置饱和、谐波和二倍频分量对磁链计算的影响，实现误差动态补偿，提高了转子角度和转速估算精度，有效保证了在该方法下永磁同步电机无位置传感器的交流调速性能。

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 (8)

1.一种永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立磁链闭环反馈补偿回路，构建磁链补偿回路方程；所述补偿回路方程包括磁链补偿系数，输入参考磁链，计算输出计算磁链；

S2：计算电机转子转速计算值与给定值之间的误差，基于误差值的大小，调节磁链补偿系数；

S3：根据调节后的补偿系数，对磁链补偿回路方程进行求解；计算输出计算磁链；

S4：基于计算输出的计算磁链，计算电机转子角度及转速；

S5：将计算获得的电机转子角度及电机转速，用于永磁同步电机控制。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制方法，其特征在于，磁链补偿回路方程为：

其中，ψ_αEst、ψ_βEst为两相静止坐标系下参考磁链分量，ψ_α、ψ_β为两相静止坐标系下磁链补偿回路方程计算输出的磁链分量，U_α、U_β为两相静止坐标系电压分量，I_α、I_β为两相静止坐标系下电流分量，R_s为定子电阻，K_pA为磁链补偿系数。

3.如权利要求2所述的永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制方法，其特征在于，参考磁链的计算方法包括：

其中：ψ_dEst、ψ_qEst为两相旋转坐标系下参考磁链分量；L_d、L_q为永磁同步电极的电感；ψ_flux为永磁同步电机永磁体磁链；i_d为定子电流的d轴分量，i_q为定子电流的q轴分量；

将两相旋转坐标系下的参考磁链分量转换为两相静止坐标系下参考磁链分量：

其中，θ为转子角度，ψ_αEst、ψ_βEst为两相静止坐标系下参考磁链分量。

4.如权利要求2所述的永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制方法，其特征在于，调节磁链系数的方法包括：

计算转速误差：

Δω_e＝ω_ref(nT_s)-ω_e(nT_s)

其中：ω_ref(nT_S)为电机转速基准值，ω_e(nT_S)为电极转速计算值；nT_s为任意离散时刻；

根据转速误差的大小，选择磁链系数：

其中：k_base为补偿基准系数，ω_{err_lev1}、ω_{err_lev2}、ω_{err_lev3}和ω_{err_lev4}为设定的转速误差指标。

5.如权利要求1或4所述的永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制方法，其特征在于，对磁链补偿回路方程进行求解的方法包括：

对补偿回路方程进行变换：

其中：M_α和M_β为定义的与时间无关的常数项；

对变换后的补偿回路方程进行求解，获得两相静止坐标系下计算磁链分量：

其中，C为求解系数设定值，D_α、D_β为非齐次磁链微分方程通解待定系数项；

将含有待定系数项的计算磁链分量带入补偿回路方程，求解补偿回路方程，获得D_α、D_β：

对两相静止坐标系下计算磁链分量方程进行离散化处理，获得相邻时刻两相静止坐标系下计算磁链分量的离散值：

其中：T_s为载波周期，nT_s和(n-1)T_s为任意相邻时刻离散时间；

对相邻时刻两相静止坐标系下计算磁链分量的离散值进行合并：

带入求解获得的D_α、D_β：

其中，定义调整变量F_{C_Flux}和G_{C_Flux}：

6.如权利要求6所述的永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制方法，其特征在于，求解转子角度θ(nT_s)及电机转速ω_e[nT_s]的方法包括：

ω_e[nT_s]＝(1-k_{LPF_ω})·ω_e[(n-1)T_s]+k_{LPF_ω}·{θ[nT_s]-θ[(n-1)T_s]}

其中，k_{LPF_ω}为低通滤波器调节系数。

7.一种永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制系统，其特征在于，包括：

前馈磁链补偿单元：用于根据参考磁链及磁链补偿系数，计算输出计算磁链；

参数调整单元：用于根据电机转子转速调节磁链补偿系数，并将调节后的磁链补偿系数传递至前馈磁链补偿单元；

电机参数计算单元：用于根据计算磁链计算电机转子角度及转速；

电机控制单元：用于根据计算所得电机参数，控制永磁同步电机。

8.如权利要求7所述的永磁同步电机磁链补偿无位置传感器控制系统，其特征在于，进一步包括：

电压变换单元：用于根据相电压计算输出两相静止坐标系电压分量；

电流变换单元：用于根据三相电流计算输出两相静止坐标系电流分量；

磁链计算单元：用于根据电流变换单元输出结果计算输出参考磁链；

所述前馈磁链补偿单元获取电压变换单元的变换结果、电流变换单元的变换结果及磁链计算单元的计算结果，计算输出计算磁链。

Images