CN114598218B - 带lc滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法及装置、系统 - Google Patents

带lc滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法及装置、系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法及装置、系统，该方法包括，根据第k‑1、k‑2采样周期逆变器侧电压的α轴与β轴分量，得出第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴和β轴分量的观测值；根据逆变器侧电流和LC滤波器电容基波电流，得出永磁同步电机定子电流；第k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴和β轴分量的观测值和永磁同步电机定子电流，观测出永磁同步电机扩展反电动势的估算值；根据永磁同步电机扩展反电动势的估算值，得出永磁同步电机的估算电角速度与电角度。本发明通过LC滤波器有效的解决了电力电子高频化带来的长线效应影响，并且能够实现无位置传感器控制，有效的降低了控制系统的成本增加了系统的可靠性。

Description

带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法及装置、 系统
技术领域
本发明涉及一种带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法及装置、系统，属于电力电子技术领域。
背景技术
永磁同步电机具有运行效率高、功率密度大、控制简单等优势，因此被广泛应用于各种电压和功率等级的传动领域，例如矿井设备驱动领域、轨道交通领域、船舶驱动领域以及各类伺服系统。
在大部分场合，永磁同步电机通常采用不带滤波器的逆变器进行直接驱动，但是在矿井、油井等极端工作环境下，逆变器与永磁同步电机通常被安装在两个距离较远的位置，这就需要使用较长的电缆线把逆变器输出的脉冲电压传输到电动机接线端。当逆变器输出的脉冲电压经过距离较长的电缆连接至电动机时，长线电缆固有的漏电感和耦合电容会造成电压反射现象，在永磁同步电机端产生定子过电压与高频阻尼振荡问题，加剧永磁同步电机定子绕组的绝缘压力，当过电压超出一定范围后，甚至导致永磁同步电机定子绕组绝缘击穿，造成一定的经济损失。通过在逆变器输出端加装LC滤波器的方式滤除逆变器输出的脉冲电压中的高次谐波，并使得逆变器输出电压接近正弦波，可有效降低经长线缆连接所引起的永磁同步电机定子过电压问题。
然而，在加装LC滤波器后，逆变器的负载等效为由LC滤波器和永磁同步电机所构成的高阶、非线性、多耦合的复杂系统，在使用传统无位置传感器控制算法过程中需增加额外的电压、电流传感器，从而导致永磁同步电机驱动系统原有硬件设计改变、系统成本增加和可靠性降低。因此在不改变永磁同步电机驱动系统原有硬件设计的前提下，开发针对带有LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制算法是十分必要的。在现有技术中，有通过在静止坐标系下构造状态观测器实现带有LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制，但是此种方法观测器阶数较高，调试参数较多，且调试过程复杂。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种带LC滤波器的永磁同步电机的无位置传感器控制方法，有效的解决了电力电子高频化带来的长线效应影响，并且能够实现无位置传感器控制，有效的降低了控制系统的成本增加了系统的可靠性。
本发明第一方面，提供了带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法，该方法包括，
获取第k-1、第k-2采样周期逆变器侧电压的α轴与β轴分量；
根据第k-1、k-2采样周期逆变器侧电压的α轴与β轴分量，得出第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴和β轴分量的观测值；
通过第k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴和β轴分量的观测值，提取出第k个采样周期LC滤波器基波电容电流；
根据逆变器侧电流和LC滤波器电容基波电流，得出永磁同步电机定子电流；
第k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴和β轴分量的观测值和永磁同步电机定子电流，观测出永磁同步电机扩展反电动势的估算值；
根据永磁同步电机扩展反电动势的估算值，得出永磁同步电机的估算电角速度与电角度。
优选的，所述第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴和β轴分量的观测值为：
Figure GDA0003832694400000021
Figure GDA0003832694400000022
其中Tc表示采样周期，β2表示可调参数，
Figure GDA0003832694400000023
与
Figure GDA0003832694400000024
分别为第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴分量的观测值与β轴分量的观测值，
Figure GDA0003832694400000025
与
Figure GDA0003832694400000026
分别为第k-1采样周期逆变器侧电流α轴分量和β轴分量的观测值。
优选的，所述第k个采样周期LC滤波器基波电容电流为：
Figure GDA0003832694400000027
Figure GDA0003832694400000028
其中，
Figure GDA0003832694400000031
分别为第k-2、k-1与k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴分量和β轴分量的观测值，Icfα(k-1)、Icfβ(k-1)、Icfα(k-2)、Icfβ(k-2)为第k-1与k-2个采样周期LC滤波器基波电容电流。
优选的，所述永磁同步电机定子电流为：
Isα(k)＝Iiα-Icfα(k)
Isβ(k)＝Iiβ-Icfβ(k)
Iiα、Iiβ为逆变器侧电流，Icfα(k)、Icfβ(k)为第k采样周期的LC滤波器电容基波电流。
优选的，所述观测出永磁同步电机扩展反电动势的估算值为：
Figure GDA0003832694400000032
Figure GDA0003832694400000033
式中，
Figure GDA0003832694400000034
为永磁同步电机扩展反电动势的估算值,LPF表示低通滤波器，M为增益系数，sign为符号函数，当其输入量为正数时，其输出值为1，当其输入量为负数时，其输出值为-1，而当其输入量为0时，其输出值为0；
Figure GDA0003832694400000035
与
Figure GDA0003832694400000036
为第K采样周期永磁同步电机定子电流α轴分量和β轴分量的观测值，
Figure GDA0003832694400000037
与
Figure GDA0003832694400000038
为：
Figure GDA0003832694400000039
Figure GDA00038326944000000310
其中R表示永磁同步电机的定子电阻，Ld为永磁同步电机的d轴电感，Lq为永磁同步电机的q轴电感，
Figure GDA0003832694400000041
为永磁同步电机的估算电角速度，
Figure GDA0003832694400000042
与
Figure GDA0003832694400000043
为第k-1个采样周期永磁同步电机定子电流α轴分量和β轴分量的观测值。
优选的，所述永磁同步电机的估算电角速度与电角度为：
Figure GDA0003832694400000044
Figure GDA0003832694400000045
Figure GDA0003832694400000046
为永磁同步电机扩展反电动势。
本发明第二方面，提供了带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制装置，该装置包括：
永磁同步电机定子电压观测器模块，用于根据第k-1、k-2采样周期逆变器侧电压的α轴与β轴分量，得出第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴和β轴分量的观测值；
LC滤波器基波电容电流提取模块，用通过第k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴和β轴分量的观测值，提取出第k个采样周期LC滤波器基波电容电流；
永磁同步电机定子电流计算模块，用于根据逆变器侧电流和LC滤波器电容基波电流，得出永磁同步电机定子电流；
永磁同步电机反电动势观测器模块，用于根据第k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴和β轴分量的观测值和永磁同步电机定子电流，观测出永磁同步电机扩展反电动势的估算值；
电角度和电角速度计算模块，用于根据永磁同步电机扩展反电动势的估算值，得出永磁同步电机的估算电角速度与电角度。
本发明第三方面，提供了一种带LC滤波器的永磁同步电机控制系统，包括：给定定子电流模块、电流控制模块、三相逆变器、LC滤波器模块、逆变器侧电流电压静止坐标变换模块、无位置传感器控制装置及定子电流同步旋转坐标变换模块；其中，
所述给定定子电流模块,用于根据转速给定值与无位置传感器控制器模块输出的电角速度得出定子电流的d、q轴电流给定值；
所述逆变器侧电流电压静止坐标变换模块，用于将逆变器侧三相电流、电压变换为两相静止坐标系下的逆变器侧电流、电压的α轴分量和β轴分量；
所述无位置传感器控制器模块，用于执行上述任一所述的带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法,得出永磁同步电机的定子电流、估算电角速度与电角度；
所述定子电流同步旋转坐标变换模块，用于将无位置传感器控制器模块输出的永磁同步电机的定子电流和估算电角度,变换为两相旋转坐标系d、q轴下的估算值；
所述电流控制模块,用于根据定子电流的d、q轴电流给定值和定子电流在两相旋转坐标系d、q轴下的估算值实施矢量控制算法，获取逆变器功率开关器件的驱动脉冲；
所述三相逆变器，用于根据驱动脉冲输出三相电压，并通过LC滤波器模块与永磁同步电机连接，使永磁同步电机实现控制运行。
优选的，所述定子电流在两相旋转坐标系d、q轴下的估算值为：
Figure GDA0003832694400000051
优选的，所述逆变器侧电流电压静止坐标变换模块包括电流Clark变换与电压Clark变换，将逆变器侧电流、电压变换为逆变器侧电流、电压的α轴分量与β轴分量，所述逆变器侧电流、电压的α轴分量与β轴分量为：
Figure GDA0003832694400000052
Figure GDA0003832694400000053
Figure GDA0003832694400000054
Figure GDA0003832694400000055
与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明通过LC滤波器有效的解决了电力电子高频化带来的长线效应影响，并且能够实现无位置传感器控制，有效的降低了控制系统的成本增加了系统的可靠性；将LC滤波器与永磁同步电机作为两个独立的系统，针对两个独立系统分别设计不同的观测器，从而降低了单个观测器阶数，有效的减小了参数调试的难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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。
图1为本发明一实施例提供的带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法流程图；
图2为本发明一实施例提供的带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制装置结构原理图；
图3为本发明提供的带LC滤波器的永磁同步电机控制系统结构原理图；
图4为永磁同步电机采用本发明的仿真效果图(上图为估算转速与实际转速，下图为估算电角度与实际电角度)；
图5为电机运行在600rpm且负载转矩为50N.m的稳态工况下实验波形；
图6为电机负载转矩为50N.m且给定转速从600rpm上升至1200rpm的升速动态工况实验波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步介绍本发明的技术方案。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本申请。
如图1所示，本发明一实施例提供了带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法，该方法包括:
S1:获取第k-1、第k-2采样周期逆变器侧电压的α轴与β轴分量；
S2:根据第k-1、k-2采样周期逆变器侧电压的α轴与β轴分量，得出第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴和β轴分量的观测值；
具体的，第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴和β轴分量的观测值为：
Figure GDA0003832694400000071
Figure GDA0003832694400000072
其中Tc表示采样周期，β1、β2表示可调参数，
Figure GDA0003832694400000073
与
Figure GDA0003832694400000074
分别为第k-1采样周期逆变器侧电流α轴分量和β轴分量的观测值，其计算公式如下：
Figure GDA0003832694400000075
Figure GDA0003832694400000076
其中Lf为LC滤波器的电感值，
Figure GDA0003832694400000077
与
Figure GDA0003832694400000078
分别为第k-2采样周期逆变器侧电流的α轴分量和的β轴分量的观测值，Iiα(k-2)与Iiβ(k-2)为第k-2采样周期逆变器侧电流的α轴分量和的β轴分量，
Figure GDA0003832694400000079
与
Figure GDA00038326944000000710
第k-2采样周期永磁同步电机定子电压的α轴分量与β轴分量的观测值。
S3:通过第k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴和β轴分量的观测值，提取出第k个采样周期LC滤波器基波电容电流；
具体的，第k个采样周期LC滤波器基波电容电流为：
Figure GDA00038326944000000711
Figure GDA00038326944000000712
其中Icfα(k-1)、Icfβ(k-1)、Icfα(k-2)、Icfβ(k-2)为第k-1与k-2个采样周期LC滤波器基波电容电流，a1、a2、db0、db1、db2的计算公式如下：
Figure GDA00038326944000000713
其中，x＝2kωTc,y＝ω2Tc 2,k表示比例增益，ω表示基波角频率。
S4:根据逆变器侧电流和LC滤波器电容基波电流，得出永磁同步电机定子电流；
具体的，永磁同步电机定子电流为：
Isα(k)＝Iiα-Icfα(k)
Isβ(k)＝Iiβ-Icfβ(k)
永磁同步电机反电动势观测器模块604，用于根据永磁同步电机定子电压α轴和β轴分量的观测值和永磁同步电机定子电流，观测出永磁同步电机扩展反电动势的估算值。
S5:第k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴和β轴分量的观测值和永磁同步电机定子电流，观测出永磁同步电机扩展反电动势的估算值；
具体的，观测出永磁同步电机扩展反电动势的估算值为：
Figure GDA0003832694400000081
Figure GDA0003832694400000082
式中LPF表示低通滤波器，M为增益系数，sign为符号函数，当其输入量为正数时，其数值为1，当其输入量为负数时，其数值为-1，而当其输入量为0时，其数值为0。
Figure GDA0003832694400000083
与
Figure GDA0003832694400000084
为当前采样周期永磁同步电机定子电流α轴分量和β轴分量的观测值，其计算公式如下：
Figure GDA0003832694400000085
Figure GDA0003832694400000086
其中R表示永磁同步电机的定子电阻，Ld为永磁同步电机的d轴电感，Lq为永磁同步电机的q轴电感，
Figure GDA0003832694400000087
为永磁同步电机的估算电角速度。
Figure GDA0003832694400000088
与
Figure GDA0003832694400000089
为第k-1个采样周期永磁同步电机定子电流α轴分量和β轴分量的观测值。
S6:根据永磁同步电机扩展反电动势的估算值，得出永磁同步电机的估算电角速度与电角度。
具体的，根据永磁同步电机扩展反电动势的估算值,得出的永磁同步电机的估算电角速度与电角度为：
Figure GDA0003832694400000091
Figure GDA0003832694400000092
通过上述实施例，实现了不需要在电机侧增加额外的电压电流传感器，通过设计新型线性扩张状态观测器和电流提取计算算法，并且结合无传感器控制算法实现带LC滤波器的永磁同步电机无传感器控制，有效的解决了针对LC滤波器—永磁同步电机控制系统无传感器控制算法的观测器阶数较高，调试参数较多，且调试过程复杂等问题。
基于以上构思，本发明提供了一种带LC滤波器的永磁同步电机的无传感器控制装置，该装置不需要在电机侧增加额外的电压电流传感器，通过设计新型线性扩张状态观测器和电流提取计算算法，实现带了LC滤波器的永磁同步电机无传感器控制。如图2所示，带LC滤波器的永磁同步电机的无传感器控制装置，该装置包括：永磁同步电机定子电压观测器模块601、LC滤波器基波电容电流计算模块602、永磁同步电机定子电流计算模块603、永磁同步电机反电动势观测器模块604、电角度和电角速度计算模块605。其中，
永磁同步电机定子电压观测器模块601，用于根据第k-1采样周期逆变器侧电流的α轴与β轴分量及第k-2采样周期逆变器侧电压的α轴与β轴分量，得出第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴和β轴分量的观测值。
具体的，永磁同步电机定子电压观测器模块601的输入量为第k-1采样周期的逆变器侧电流的α轴分量(Iiα(k-1))与β轴分量(Iiβ(k-1))以及第k-2采样周期的逆变器侧电压的α轴分量(uiα(k-2))与β轴分量(uiβ(k-2))，其输出量为第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴分量的观测值
Figure GDA0003832694400000093
与β轴分量的观测值
Figure GDA0003832694400000101
第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴和β轴分量的观测值为：
Figure GDA0003832694400000102
Figure GDA0003832694400000103
其中Tc表示采样周期，β1、β2表示可调参数，
Figure GDA0003832694400000104
与
Figure GDA0003832694400000105
分别为第k-1采样周期逆变器侧电流α轴分量和β轴分量的观测值，其计算公式如下：
Figure GDA0003832694400000106
Figure GDA0003832694400000107
其中Lf为LC滤波器的电感值，
Figure GDA0003832694400000108
与
Figure GDA0003832694400000109
分别为第k-2采样周期逆变器侧电流的α轴分量和的β轴分量的观测值，Iiα(k-2)与Iiβ(k-2)为第k-2采样周期逆变器侧电流的α轴分量和的β轴分量，
Figure GDA00038326944000001010
与
Figure GDA00038326944000001011
第k-2采样周期永磁同步电机定子电压的α轴分量与β轴分量的观测值。
LC滤波器基波电容电流提取模块602，用于通过第k-2、k-1与k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴和β轴分量的观测值，提取出第k个采样周期LC滤波器基波电容电流。
具体的，LC滤波器电容基波电流计算模块602的输入量为第k-2、k-1与k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴分量和β轴分量的观测值
Figure GDA00038326944000001012
Figure GDA00038326944000001013
其输出量为第k个采样周期LC滤波器基波电容电流(Icfα(k)、Icfβ(k)),第k个采样周期LC滤波器基波电容电流为：
Figure GDA00038326944000001014
Figure GDA00038326944000001015
其中Icfα(k-1)、Icfβ(k-1)、Icfα(k-2)、Icfβ(k-2)为第k-1与k-2个采样周期LC滤波器基波电容电流，a1、a2、db0、db1、db2的计算公式如下：
Figure GDA0003832694400000111
其中，x＝2kωTc,y＝ω2Tc 2,k表示比例增益，ω表示基波角频率。
永磁同步电机定子电流计算模块603，用于根据逆变器侧电流和LC滤波器电容基波电流，计算出永磁同步电机定子电流。
具体的，永磁同步电机定子电流计算模块603的输入量为逆变器侧电流(Iiα、Iiβ)和当前采样周期的LC滤波器电容基波电流(Icfα(k)、Icfβ(k))，其输出量为当前采样周期永磁同步电机定子电流(Isα(k)、Isβ(k))，永磁同步电机定子电流为：
Isα(k)＝Iiα-Icfα(k)
Isβ(k)＝Iiβ-Icfβ(k)
永磁同步电机反电动势观测器模块604，用于根据永磁同步电机定子电压α轴和β轴分量的观测值和永磁同步电机定子电流，观测出永磁同步电机扩展反电动势的估算值。
具体的，永磁同步电机反电动势观测器模块604的输入量为第k-1个采样周期永磁同步电机定子电压α轴分量和β轴分量的观测值
Figure GDA0003832694400000112
和当前采样周期的永磁同步电机定子电流(Isα(k)、Isβ(k))，其输出量为永磁同步电机扩展反电动势的估算值
Figure GDA0003832694400000113
观测出永磁同步电机扩展反电动势的估算值为：
Figure GDA0003832694400000114
Figure GDA0003832694400000115
式中LPF表示低通滤波器，M为增益系数，sign为符号函数，当其输入量为正数时，其数值为1，当其输入量为负数时，其数值为-1，而当其输入量为0时，其数值为0。
Figure GDA0003832694400000121
与
Figure GDA0003832694400000122
为当前采样周期永磁同步电机定子电流α轴分量和β轴分量的观测值，其计算公式如下：
Figure GDA0003832694400000123
Figure GDA0003832694400000124
其中R表示永磁同步电机的定子电阻，Ld为永磁同步电机的d轴电感，Lq为永磁同步电机的q轴电感，
Figure GDA0003832694400000125
为永磁同步电机的估算电角速度。
Figure GDA0003832694400000126
与
Figure GDA0003832694400000127
为第k-1个采样周期永磁同步电机定子电流α轴分量和β轴分量的观测值。
电角度和电角速度计算模块605，用于根据永磁同步电机扩展反电动势的估算值，得出永磁同步电机的估算电角速度与电角度。
具体的，电角度和电角速度计算模块605的输入量为永磁同步电机反电动势
Figure GDA0003832694400000128
其输出量为永磁同步电机的估算电角速度
Figure GDA0003832694400000129
与电角度
Figure GDA00038326944000001210
永磁同步电机的估算电角速度与电角度为：
Figure GDA00038326944000001211
Figure GDA00038326944000001212
上述控制装置可有效用于当采用三相逆变器输出端通过LC滤波器接负载时。因为，当需要LC滤波器的电容电压作为特定控制方式的反馈量，就需要加入电压传感器对LC滤波器的电容电压进行测量，但是电压传感器的加入会增加系统的硬件成本，降低系统的可靠性，采用本发明所设计的控制装置可以实现对LC滤波器的电容电压的估算，摆脱了获取LC滤波器电容电压时对电压传感器的依赖。
图3为发明一实施例提供的带LC滤波器的永磁同步电机控制系统，包括给定定子电流模块1、电流控制模块2、三相逆变器模块3、LC滤波器模块4、逆变器侧电流电压静止坐标变换模块5、无位置传感器控制算法模块6与定子电流同步旋转坐标变换模块7。
所述给定定子电流模块1,用于根据转速给定值与无位置传感器控制器模块输出的电角速度得出定子电流的d、q轴电流给定值；
所述逆变器侧电流电压静止坐标变换模块5，用于将逆变器侧三相电流、电压变换为两相静止坐标系下的逆变器侧电流、电压的α轴分量和β轴分量；
所述无位置传感器控制器模块6，用于执行上述任一实施例提供的带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制装置,得出永磁同步电机的定子电流、估算电角速度与电角度；
所述定子电流同步旋转坐标变换模块7，用于将无位置传感器控制器模块输出的永磁同步电机的定子电流和估算电角度,变换为两相旋转坐标系d、q轴下的估算值；
所述电流控制模块2,用于根据定子电流的d、q轴电流给定值和定子电流在两相旋转坐标系d、q轴下的估算值实施矢量控制，获取逆变器功率开关器件的驱动脉冲；
所述三相逆变器3，用于根据驱动脉冲输出三相电压，并通过LC滤波器模块与永磁同步电机连接，使永磁同步电机实现控制运行。
具体工作过程为：给定定子电流模块1根据转速给定值(nr)与无位置传感器控制器模块6输出的电角速度
Figure GDA0003832694400000131
计算定子电流的d轴给定值(id *)和q轴电流给定值(iq *)。电流控制模块2根据定子电流的d、q轴给定值(id *、iq *)和定子电流同步旋转坐标变换模块7输出的定子d轴电流(Isd)与定子q轴电流(Isq)来实施矢量控制算法或其他电流控制算法，以此来获取逆变器功率开关器件的驱动脉冲。三相逆变器模块3接收电流控制模块2输出的驱动脉冲从而输出特定的三相电压(uia、uib、uic)，并通过LC滤波器模块4与永磁同步电机连接，其中逆变器侧a、b、c三相电流分别定义为Iia、Iib、Iic。
进一步，所述电流控制模块2,用于根据定子电流的d、q轴电流给定值和定子电流在两相旋转坐标系d、q轴下的估算值实施矢量控制，获取逆变器功率开关器件的驱动脉冲。具体步骤如下:
根据定子电流的d、q轴电流给定值和定子电流在两相旋转坐标系d、q轴下的估算值，采用PI控制器输出需要三相逆变器产生的在d、q两相旋转坐标系下的电压；
通过坐标变换方法将d、q两相旋转坐标系下的电压量转化为α、β两相静止坐标系下的电压量；
将所得到的α、β两相静止坐标系下的电压量结合SVPWM控制算法产生驱动信号控制三相逆变器产生所需的电压信号。
进一步，逆变器侧电流电压静止坐标变换模块5包括电流Clark变换与电压Clark变换，其输入量为逆变器侧a相电流(Iia)、逆变器侧b相电流(Iib)、逆变器c相电流(Iic)、逆变器侧a相电压(uia)、逆变器侧b相电压(uib)与逆变器侧c相电压(uic)，其输出量为两相静止坐标系下的逆变器侧电流的α轴分量(Iiα)与β轴分量(Iiβ)、逆变器侧电压的α轴分量(uiα)与β轴分量(uiβ),其计算过程如下：
Figure GDA0003832694400000141
Figure GDA0003832694400000142
Figure GDA0003832694400000143
Figure GDA0003832694400000144
进一步，定子电流同步旋转坐标变换模块7的输入量为当前采样周期永磁同步电机定子电流α轴分量和β轴分量的观测值(
Figure GDA0003832694400000145
与
Figure GDA0003832694400000146
)和估算电角度
Figure GDA0003832694400000147
其输出量为两相旋转坐标系(dq)下的定子电流的估算值
Figure GDA0003832694400000148
其计算过程如下：
Figure GDA0003832694400000149
Figure GDA0003832694400000151
本发明提供的带LC滤波器的永磁同步电机控制系统，通过LC滤波器有效的解决了电力电子高频化带来的长线效应影响，并且能够实现无位置传感器控制，有效的降低了控制系统的成本增加了系统的可靠性；将LC滤波器与永磁同步电机作为两个独立的系统，针对两个独立系统分别设计不同的观测器，从而降低了单个观测器阶数，有效的减小了参数调试的难度。
图4给出了一台额定转速1500rpm、额定功率30kW、额定电压为380V的四极对永磁同步电机在采用本发明的Matlab仿真结果图，其中LC滤波器的电感值为0.5mH，电容值为75μF。图4中，电机转速给定设置为1200rpm，0-1s的负载转矩为0，在1s时，负载转矩突变为50N.m。图4中的稳态和动态过程下，估算转速与实际转速基本相等，且估算电角度与实际电角度的差值在接近于0，最大不超过11度。
图5-6给出了一台额定转速1500rpm、额定功率30kW、额定电压为380V的四极对永磁同步电机在采用本发明的实验结果图，其中LC滤波器的电感值为0.5mH，电容值为75μF。图5给出了电机运行在600rpm且负载转矩为50N.m的稳态工况下实验波形，图5中的估算转速与实际转速基本相同，估算电角度也与实际电角度基本相同。图6给出了电机负载转矩为50N.m且给定转速从600rpm上升至1200rpm的升速动态工况实验波形，图6中的估算转速与实际转速基本相同，估算电角度与实际电角度的差值在0附近。
进一步，图4-6中的结果表明，所述的一种带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法能够在不增加额外电压电流传感器的情况下实现对永磁同步电机电角度的高精度估算，实现永磁同步电机的无位置传感器控制。
需要说明的是，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于：包括：
获取第k-1、第k-2采样周期逆变器侧电压的α轴与β轴分量；
根据第k-1、k-2采样周期逆变器侧电压的α轴与β轴分量，得出第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴和β轴分量的观测值；
所述第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴和β轴分量的观测值为：
Figure FDA0003832694390000011
Figure FDA0003832694390000012
其中Tc表示采样周期，β2表示可调参数，
Figure FDA0003832694390000013
与
Figure FDA0003832694390000014
分别为第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴分量的观测值与β轴分量的观测值，
Figure FDA0003832694390000015
与
Figure FDA0003832694390000016
分别为第k-1采样周期逆变器侧电流α轴分量和β轴分量的观测值；Iiα(k-1)与Iiβ(k-1)为第k-1采样周期逆变器侧电流的α轴分量和的β轴分量；
通过第k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴和β轴分量的观测值，提取出第k个采样周期LC滤波器基波电容电流；
所述第k个采样周期LC滤波器基波电容电流为：
Figure FDA0003832694390000017
Figure FDA0003832694390000018
其中，Icfα(k)、Icfβ(k)分别为第k个采样周期LC滤波器基波电容电流，
Figure FDA0003832694390000019
分别为第k-2、k-1与k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴分量和β轴分量的观测值，
Icfα(k-1)、Icfβ(k-1)、Icfα(k-2)、Icfβ(k-2)为第k-1与k-2个采样周期LC滤波器基波电容电流，a1、a2、db0、db1、db2的计算公式如下：
Figure FDA0003832694390000021
其中，x＝2kωTc,y＝ω2Tc 2,k表示比例增益，ω表示基波角频率；
根据逆变器侧电流和LC滤波器电容基波电流，得出永磁同步电机定子电流；
第k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴和β轴分量的观测值和永磁同步电机定子电流，观测出永磁同步电机扩展反电动势的估算值；
根据永磁同步电机扩展反电动势的估算值，得出永磁同步电机的估算电角速度与电角度。
2.根据权利要求1所述的带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述永磁同步电机定子电流为：
Isα(k)＝Iiα-Icfα(k)
Isβ(k)＝Iiβ-Icfβ(k)
Iiα、Iiβ为逆变器侧电流，Icfα(k)、Icfβ(k)为第k采样周期的LC滤波器电容基波电流。
3.根据权利要求1所述的带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述观测出永磁同步电机扩展反电动势的估算值为：
Figure FDA0003832694390000022
Figure FDA0003832694390000023
式中，
Figure FDA0003832694390000024
为永磁同步电机扩展反电动势的估算值,LPF表示低通滤波器，M为增益系数，sign为符号函数，当其输入量为正数时，其输出值为1，当其输入量为负数时，其输出值为-1，而当其输入量为0时，其输出值为0；
Figure FDA0003832694390000025
与
Figure FDA0003832694390000026
为第K采样周期永磁同步电机定子电流α轴分量和β轴分量的观测值，Isα(k)、Isβ(k)为永磁同步电机定子电流，
Figure FDA0003832694390000027
与
Figure FDA0003832694390000028
为：
Figure FDA0003832694390000031
Figure FDA0003832694390000032
其中R表示永磁同步电机的定子电阻，Tc表示采样周期，Ld为永磁同步电机的d轴电感，Lq为永磁同步电机的q轴电感，
Figure FDA0003832694390000033
为永磁同步电机的估算电角速度，
Figure FDA0003832694390000034
与
Figure FDA0003832694390000035
为第k-1个采样周期永磁同步电机定子电流α轴分量和β轴分量的观测值，Isα(k-1)、Isβ(k-1)为第k-1采样周期永磁同步电机定子电流，
Figure FDA0003832694390000036
与
Figure FDA0003832694390000037
分别为第k-1采样周期永磁同步电机定子电压的α轴分量的观测值与β轴分量的观测值。
4.根据权利要求1所述的带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述永磁同步电机的估算电角度与电角速度为：
Figure FDA0003832694390000038
Figure FDA0003832694390000039
Figure FDA00038326943900000310
为永磁同步电机扩展反电动势，
Figure FDA00038326943900000311
为永磁同步电机的估算电角度，
Figure FDA00038326943900000312
为永磁同步电机的估算电角速度。
5.一种带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制装置，其特征在于：该装置包括：
永磁同步电机定子电压观测器模块，用于根据第k-1、k-2采样周期逆变器侧电压的α轴与β轴分量，得出第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴和β轴分量的观测值；
所述第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴和β轴分量的观测值为：
Figure FDA0003832694390000041
Figure FDA0003832694390000042
其中Tc表示采样周期，β2表示可调参数，
Figure FDA0003832694390000043
与
Figure FDA0003832694390000044
分别为第k采样周期永磁同步电机定子电压的α轴分量的观测值与β轴分量的观测值，
Figure FDA0003832694390000045
与
Figure FDA0003832694390000046
分别为第k-1采样周期永磁同步电机定子电压的α轴分量的观测值与β轴分量的观测值，
Figure FDA0003832694390000047
与
Figure FDA0003832694390000048
分别为第k-1采样周期逆变器侧电流α轴分量和β轴分量的观测值；Iiα(k-1)与Iiβ(k-1)为第k-1采样周期逆变器侧电流的α轴分量和的β轴分量；
LC滤波器基波电容电流提取模块，用于通过第k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴和β轴分量的观测值，提取出第k个采样周期LC滤波器基波电容电流；
所述第k个采样周期LC滤波器基波电容电流为：
Figure FDA0003832694390000049
Figure FDA00038326943900000410
其中，Icfα(k)、Icfβ(k)分别为第k个采样周期LC滤波器基波电容电流，
Figure FDA00038326943900000411
分别为第k-2、k-1与k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴分量和β轴分量的观测值，
Icfα(k-1)、Icfβ(k-1)、Icfα(k-2)、Icfβ(k-2)为第k-1与k-2个采样周期LC滤波器基波电容电流，a1、a2、db0、db1、db2的计算公式如下：
Figure FDA00038326943900000412
其中，x＝2kωTc,y＝ω2Tc 2,k表示比例增益，ω表示基波角频率；
永磁同步电机定子电流计算模块，用于根据逆变器侧电流和LC滤波器电容基波电流，得出永磁同步电机定子电流；
永磁同步电机反电动势观测器模块，用于根据第k个采样周期永磁同步电机定子电压α轴和β轴分量的观测值和永磁同步电机定子电流，观测出永磁同步电机扩展反电动势的估算值；
电角度和电角速度计算模块，用于根据永磁同步电机扩展反电动势的估算值，得出永磁同步电机的估算电角速度与电角度。
6.带LC滤波器的永磁同步电机控制系统，其特征在于：包括：给定定子电流模块、电流控制模块、三相逆变器、LC滤波器模块、逆变器侧电流电压静止坐标变换模块、无位置传感器控制装置及定子电流同步旋转坐标变换模块；其中，
所述给定定子电流模块,用于根据转速给定值与无位置传感器控制器模块输出的电角速度得出定子电流的d、q轴电流给定值；
所述逆变器侧电流电压静止坐标变换模块，用于将逆变器侧三相电流、电压变换为两相静止坐标系下的逆变器侧电流、电压的α轴分量和β轴分量；
所述无位置传感器控制器模块，用于执行权利要求1-4任一所述的带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法,得出永磁同步电机的定子电流、估算电角速度与电角度；
所述定子电流同步旋转坐标变换模块，用于将无位置传感器控制器模块输出的永磁同步电机的定子电流和估算电角度,变换为两相旋转坐标系d、q轴下的估算值；
所述电流控制模块,用于根据定子电流的d、q轴电流给定值和定子电流在两相旋转坐标系d、q轴下的估算值实施矢量控制，获取逆变器功率开关器件的驱动脉冲；
所述三相逆变器，用于根据驱动脉冲输出三相电压，并通过LC滤波器模块与永磁同步电机连接，使永磁同步电机实现控制运行。
7.根据权利要求6所述的带LC滤波器的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述定子电流在两相旋转坐标系d、q轴下的估算值为：
Figure FDA0003832694390000051
其中
Figure FDA0003832694390000061
为定子电流在两相旋转坐标系d、q轴下的估算值，
Figure FDA0003832694390000062
Figure FDA0003832694390000063
为当前采样周期永磁同步电机定子电流α轴分量和β轴分量的观测值，
Figure FDA0003832694390000064
为永磁同步电机的估算电角度。
8.根据权利要求6所述的带LC滤波器的永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述逆变器侧电流电压静止坐标变换模块包括电流Clark变换与电压Clark变换，将逆变器侧电流、电压变换为逆变器侧电流、电压的α轴分量与β轴分量，所述逆变器侧电流、电压的α轴分量与β轴分量为：
Figure FDA0003832694390000065
Figure FDA0003832694390000066
Figure FDA0003832694390000067
Figure FDA0003832694390000068
其中Iia为逆变器侧a相电流，Iib为逆变器侧b相电流，Iic为逆变器c相电流，uia为逆变器侧a相电压，uib为逆变器侧b相电压，uic为逆变器侧c相电压。
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