CN114665772B - 永磁同步电机的控制方法 - Google Patents

永磁同步电机的控制方法 Download PDF

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CN114665772B CN202210560208.3A CN202210560208A CN114665772B CN 114665772 B CN114665772 B CN 114665772B CN 202210560208 A CN202210560208 A CN 202210560208A CN 114665772 B CN114665772 B CN 114665772B
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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的控制方法，涉及永磁同步电机技术领域，包括：建立非线性磁链观测器以对电角频率与电角度进行估计；将电角频率的估计值反馈至速度环，比较电角频率的命令值与估计值，利用PI调节获取
Figure DEST_PATH_IMAGE001
轴电流命令值
Figure 820629DEST_PATH_IMAGE002
；将电角度的估计值进行Park变换，获取
Figure DEST_PATH_IMAGE003
坐标系下的电流估计值
Figure 347557DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，并反馈至电流环，与电流命令值比较，通过PI调节获取电压
Figure 392873DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE007
并进行反Park变换获取
Figure 99667DEST_PATH_IMAGE008
坐标系下的控制电压
Figure DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 976356DEST_PATH_IMAGE010
；合成电压空间矢量，通过SVPWM进行调制，输出该时刻三相的占空比值，控制MOS管开关，从而实现双闭环控制；本发明解决了现有的非线性磁链观测器无法适用于内置式永磁同步电机的问题。

Description

永磁同步电机的控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机技术领域，特别是一种永磁同步电机的控制方法。
背景技术
对永磁同步电机电机控制技术而言，实时获取转子的转速及其位置信息是必不可少的。如果通过安装机械位置传感器（如光电编码器、霍尔传感器等）的方式来获取转子位置信息与瞬时转速，一方面会增加永磁同步电机的硬件成本，另一方面机械传感器可能存在应用环境要求苛刻、抗电磁干扰能力弱、响应速度慢、以及老化等诸多问题。因此，实现永磁同步电机无位置传感器控制具有很高的实用价值。
目前，永磁同步电机无位置传感器控制技术大体上有三类方法，第一类是高频信号注入法，将特定频率和幅度的高频正弦波（或者方波）信号注入到电机的定子，通过对响应电流的分析获取转子位置信息，此类方法可以适用于低速或零速时的电机转子位置估计问题，但要求电机有一定的凸极效应，对于内嵌式永磁同步电机效果较好，但针对表贴式永磁同步电机这类凸极效应不明显的电机则较难实现。同时，高频信号注入法会造成电机带载能力的降低，难以适用于高负载的情形；第二类方法是扩展反电动势法，如滑膜观测器、Luenberger观测器等，通过对电机反电动势信号的估计来获取转子位置信息。由于反电动势信号在电机低速运行时极弱，因此扩展反电动势法仅在中高速范围具有较好的性能，而不适用于低速情形；第三类方法是磁链观测器方法，此类方法通过估计转子磁链，再通过求反正切（或者锁相环）来获取转子位置信息。但转子磁链实际上是反电动势的积分，因此传统的磁链观测器会因为纯积分环节存在，使得电流的直流分量导致磁链持续偏移直至饱和，从而严重影响转子速度及位置的估计精度。故此，需要对磁链观测器进行改进，通常采用高通滤波器、自适应补偿等方式。
表贴式永磁同步电机的永磁体由外包钢膜贴于转子表面，交、直轴电感相同，电机的气隙磁密波形趋于正弦波分布，但永磁体需要用套筒固定，增加了损耗，且永磁体抗去磁能力弱，电机弱磁调速能力低。而内置式永磁同步电机的永磁体固定在转子内部，其交、直轴电感不同，由转子不对称磁路产生的磁阻转矩提高了电机转矩密度，且永磁体抗去磁能力强，同时内置式永磁同步电机电机的动态性能较表贴式转子结构有所改善，制造工艺也较简单，但漏磁系数和制造成本都较表贴式转子结构大。
申请号为CN202010803233.0的中国专利提出了一种永磁同步电机无传感器控制方法，其通过转子磁链观测器以对转子位置信息进行观测，并构建了一种磁链观测器的初值估计与补偿方法，但该方法不适用于内置式永磁同步电机。申请号为CN201910744437.9的中国专利提出了一种永磁同步电机无传感器控制方法及系统，其建立磁链观测器，然后利用自适应带通滤波器消除磁链中的直流分量以及高次谐波，再利用自适应带通滤波器的传递函数对估算的未补偿的电机转子位置角补偿，该方法在电机低速运行时性能相对一般，估算的电机转子转速及位置精度较低。
Junggi Lee等人提出了一种非线性磁链观测器，该方法将估算的磁链幅值与实际磁链幅值作差，作为估算的磁链分量的补偿项，再利用锁相环获取转子速度与位置。与基于高通滤波器的磁链观测相比，非线性磁链观测器方法具有较快的收敛速度，且位置估计精度较高。但非线性磁链观测器方法仅仅针对表贴式永磁同步电机，而不适用于内置式永磁同步电机。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种永磁同步电机的控制方法，以解决现有的非线性磁链观测器无法适用于内置式永磁同步电机的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种永磁同步电机的控制方法，构造非线性磁链观测器，采用无位置传感器的方式进行控制，具体包括以下步骤：
步骤1、通过所述非线性磁链观测器获取永磁同步电机的电机转子的电角频率与电角度的估计值；
步骤2、将永磁同步电机电角频率的估计值反馈至永磁同步电机的速度环，比较永磁同步电机电角频率的命令值与估计值，将
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
轴电流命令值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
设置为0后利用PI调节获取
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
轴电流命令值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
；
步骤3、将非线性磁链观测器输出的电角度的估计值进行Park变换，获取
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
坐标系下的电流估计值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
，并反馈至电流环，分别与速度环输出的电流命令值比较，通过PI调节获取
Figure 61100DEST_PATH_IMAGE010
坐标系下的电压
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
；
步骤4、对电压
Figure 470216DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 400125DEST_PATH_IMAGE018
进行反Park变换获取
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
坐标系下的控制电压
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
；
步骤5、利用控制电压
Figure 469450DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 242234DEST_PATH_IMAGE024
合成电压空间矢量，通过SVPWM进行调制，输出该时刻三相的占空比值，使用占空比值控制三相逆变器的MOS管开关，驱动永磁同步电机，从而实现永磁同步电机无位置传感器的双闭环控制。
作为本发明的进一步改进，非线性磁链观测器的构造方法具体如下：
建立两相静止
Figure 923882DEST_PATH_IMAGE020
坐标系的电机模型：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
分别表示电机定子电压和电流，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE032
为相电阻，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE034
为电角度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE036
为反电动势系数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE040
分别表示
Figure 341920DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 83611DEST_PATH_IMAGE006
轴电感分量；
定义矢量
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE044
：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE046
矢量函数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE048
：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE050
则构造的非线性磁链观测器如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE052
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE054
表示
Figure 389696DEST_PATH_IMAGE042
的估计值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE056
为非线性磁链观测器的增益。
作为本发明的进一步改进，采用锁相环的方法对永磁同步电机的电机转子的电角频率与电角度进行估计，具体包括：
定义矢量
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE058
，锁相环的控制偏差为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE060
使用PI调节对永磁同步电机的电机转子的电角频率
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE062
进行估计以获取电角频率的估计值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE064
，再通过积分得到永磁同步电机的电机转子的电角度
Figure 45675DEST_PATH_IMAGE034
的估计值
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE066
。
作为本发明的进一步改进，所述锁相环的传递函数为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE068
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE070
为自然振荡频率，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE072
为阻尼系数。
作为本发明的进一步改进，采用以下方法对非线性磁链观测器锁相环的PI参数进行整定：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE074
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE076
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE078
分别表示锁相环的比例系数与积分系数。
本发明的有益效果是：
本发明采用基于非线性磁链观测器永磁同步电机无位置传感器的控制方法，不仅适用于表贴式永磁同步电机，还适用于内置式永磁同步电机，且可以准确地估计电机的转速及转子位置信息，具有较快的收敛速度，可用于低转速的工况。
附图说明
图1为本发明实施例的结构框图；
图2为本发明实施例中非线性磁链观测器的结构框图；
图3为本发明实施例中锁相环的结构框图；
图4为本发明实施例中锁相环的等效结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种永磁同步电机的控制方法，包括以下步骤：
1）利用Clarke变换将电流采样获取的三相电流
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE080
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE084
转换为两相静止
Figure 730603DEST_PATH_IMAGE020
坐标系下的电流
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE086
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE088
，连同Park变换输出的电流
Figure 350852DEST_PATH_IMAGE012
，以及反Park变换输出的取
Figure 832649DEST_PATH_IMAGE020
坐标系下的控制电压
Figure 449575DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 5321DEST_PATH_IMAGE024
送入非线性磁链观测器，以获取永磁同步电机的电角频率与电角度的估计值；
2）将永磁同步电机的电角频率估计值反馈至永磁同步电机的速度环，通过比较角频率的命令值与估计值，并利用PI调节获取
Figure 682290DEST_PATH_IMAGE006
轴电流命令值
Figure 526749DEST_PATH_IMAGE008
（
Figure 478525DEST_PATH_IMAGE002
轴电流命令值
Figure 357619DEST_PATH_IMAGE004
设置为0）；
3）将非线性磁链观测器输出的电角度的估计值进行Park变换，获取
Figure 267806DEST_PATH_IMAGE010
坐标系下的电流估计值
Figure 98097DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 853563DEST_PATH_IMAGE014
，并反馈至电流环，分别与速度环输出的电流命令值比较，通过PI调节获取
Figure 321585DEST_PATH_IMAGE010
坐标系下的电压
Figure 137094DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 956146DEST_PATH_IMAGE018
；
4）对电压
Figure 515303DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 431306DEST_PATH_IMAGE018
进行反Park变换获取
Figure 27504DEST_PATH_IMAGE020
坐标系下的控制电压
Figure 458485DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 195235DEST_PATH_IMAGE024
；
5）利用控制电压
Figure 28062DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 795160DEST_PATH_IMAGE024
合成电压空间矢量，通过SVPWM进行调制，输出该时刻三相的占空比值，使用占空比值控制三相逆变器的MOS管开关，驱动电机，从而实现电机的双闭环控制。
具体地，非线性磁链观测器的构造方法如下：
针对内置式永磁同步电机，建立两相静止
Figure 713438DEST_PATH_IMAGE020
坐标系的电机模型如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE090
（1）
式中，
Figure 20922DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 645939DEST_PATH_IMAGE030
分别表示定子电压和电流，
Figure 849518DEST_PATH_IMAGE032
为相电阻，
Figure 989513DEST_PATH_IMAGE062
为电角频率，
Figure 68065DEST_PATH_IMAGE034
为电角度，
Figure 609904DEST_PATH_IMAGE036
为反电动势系数，电感
Figure DEST_PATH_IMAGE092
、
Figure DEST_PATH_IMAGE094
、
Figure DEST_PATH_IMAGE096
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE098
（2）
式中，
Figure 125331DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 752621DEST_PATH_IMAGE040
分别表示
Figure 386863DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 783209DEST_PATH_IMAGE006
轴电感分量。
由于公式（2）中的电感包括
Figure DEST_PATH_IMAGE100
的项，为时变的量，难以处理，为此对其进行如下的变形：
Figure DEST_PATH_IMAGE102
（3）
式中，
Figure 594170DEST_PATH_IMAGE012
表示两相同步旋转
Figure 584123DEST_PATH_IMAGE010
坐标系下的
Figure 364997DEST_PATH_IMAGE002
轴电流。
定义矢量
Figure 756796DEST_PATH_IMAGE042
、
Figure 863292DEST_PATH_IMAGE044
分别为：
Figure DEST_PATH_IMAGE104
（4）
由于
Figure 370234DEST_PATH_IMAGE044
仅与定子电压和电流有关，而与电角度
Figure 830166DEST_PATH_IMAGE034
无关，因而可视为已知量。
同时根据式（3）可知，矢量
Figure 201104DEST_PATH_IMAGE044
为矢量
Figure 88289DEST_PATH_IMAGE042
的微分，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE106
（5）
定义矢量函数
Figure 646309DEST_PATH_IMAGE048
：
Figure DEST_PATH_IMAGE108
（6）
易知矢量函数
Figure 706669DEST_PATH_IMAGE048
的模的平方为：
Figure DEST_PATH_IMAGE110
（7）
如图2所示，本实施例构造的非线性磁链观测器如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE112
（8）
式中，
Figure 243698DEST_PATH_IMAGE054
表示
Figure 426418DEST_PATH_IMAGE042
的估计值，
Figure 206155DEST_PATH_IMAGE056
为非线性磁链观测器的增益。
使用反向差分变换法对式（8）进行离散化，可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE114
（9）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE116
为采样时间间隔，
Figure DEST_PATH_IMAGE118
表示采样时刻。
估计电机转子的电角频率与电角度具体包括：
定义矢量
Figure 647370DEST_PATH_IMAGE058
，根据式（4）可知：
Figure DEST_PATH_IMAGE120
（10）
式中，
Figure 461742DEST_PATH_IMAGE066
为估计的电角度。利用反正切函数，可将估计的电角度
Figure 753046DEST_PATH_IMAGE066
表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE122
（11）
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE124
、
Figure DEST_PATH_IMAGE126
分别表示矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE128
的
Figure DEST_PATH_IMAGE130
、
Figure DEST_PATH_IMAGE132
分量。基于反正切函数的估计方法对干扰较为敏感，电角度估计误差较大。
如图3所示，本实施例采用锁相环的方法对电机转子的电角频率与电角度进行估计。计算矢量
Figure 71944DEST_PATH_IMAGE128
的模，即
Figure DEST_PATH_IMAGE134
，则锁相环的控制偏差为：
Figure DEST_PATH_IMAGE136
（12）
使用PI调节对永磁同步电机的电机转子的电角频率
Figure 880631DEST_PATH_IMAGE062
进行估计以获取电角频率的估计值
Figure 815089DEST_PATH_IMAGE064
，再通过积分得到永磁同步电机的电机转子的电角度
Figure 480557DEST_PATH_IMAGE034
的估计值
Figure 766044DEST_PATH_IMAGE066
，其等效框图如图4所示。于是锁相环的传递函数为：
Figure 408116DEST_PATH_IMAGE068
（13）
Figure 462660DEST_PATH_IMAGE070
为自然振荡频率，
Figure 626925DEST_PATH_IMAGE072
为阻尼系数。锁相环的PI参数根据下式整定：
Figure 806233DEST_PATH_IMAGE074
（14）
式中，
Figure 81357DEST_PATH_IMAGE076
、
Figure 131353DEST_PATH_IMAGE078
分别表示锁相环的比例系数与积分系数。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机的控制方法，其特征在于，构造非线性磁链观测器，采用无位置传感器的方式进行控制，具体包括以下步骤：
步骤1、通过所述非线性磁链观测器获取永磁同步电机的电机转子的电角频率与电角度的估计值；非线性磁链观测器的构造方法具体如下：
建立两相静止
Figure DEST_PATH_IMAGE002
坐标系的电机模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008
分别表示电机定子电压和电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为相电阻，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为电角度，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为反电动势系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure DEST_PATH_IMAGE018
分别表示
Figure DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure DEST_PATH_IMAGE022
轴电感分量；
定义矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure DEST_PATH_IMAGE026
：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
矢量函数
Figure DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
则构造的非线性磁链观测器如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE034
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
表示
Figure 627468DEST_PATH_IMAGE024
的估计值，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为非线性磁链观测器的增益；
采用锁相环的方法对永磁同步电机的电机转子的电角频率与电角度进行估计，具体包括：
定义矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，锁相环的控制偏差为：
Figure DEST_PATH_IMAGE042
使用PI调节对永磁同步电机的电机转子的电角频率
Figure DEST_PATH_IMAGE044
进行估计以获取电角频率的估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，再通过积分得到永磁同步电机的电机转子的电角度
Figure 888816DEST_PATH_IMAGE012
的估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE048
；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure DEST_PATH_IMAGE052
分别表示矢量
Figure DEST_PATH_IMAGE054
的
Figure DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure DEST_PATH_IMAGE058
分量；
步骤2、将永磁同步电机电角频率的估计值反馈至永磁同步电机的速度环，比较永磁同步电机电角频率的命令值与估计值，将
Figure 126943DEST_PATH_IMAGE020
轴电流命令值
Figure DEST_PATH_IMAGE060
设置为0后利用PI调节获取
Figure 850048DEST_PATH_IMAGE022
轴电流命令值
Figure DEST_PATH_IMAGE062
；
步骤3、将非线性磁链观测器输出的电角度的估计值进行Park变换，获取
Figure DEST_PATH_IMAGE064
坐标系下的电流估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure DEST_PATH_IMAGE068
，并反馈至电流环，分别与速度环输出的电流命令值比较，通过PI调节获取
Figure 38322DEST_PATH_IMAGE064
坐标系下的电压
Figure DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure DEST_PATH_IMAGE072
；
步骤4、对电压
Figure 408255DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 409709DEST_PATH_IMAGE072
进行反Park变换获取
Figure 202084DEST_PATH_IMAGE002
坐标系下的控制电压
Figure DEST_PATH_IMAGE074
、
Figure DEST_PATH_IMAGE076
；
步骤5、利用控制电压
Figure 916968DEST_PATH_IMAGE074
、
Figure 379173DEST_PATH_IMAGE076
合成电压空间矢量，通过SVPWM进行调制，输出对应时刻三相的占空比值，使用占空比值控制三相逆变器的MOS管开关，驱动永磁同步电机，从而实现永磁同步电机无位置传感器的双闭环控制。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述锁相环的传递函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE078
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE080
为自然振荡频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE082
为阻尼系数。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，采用以下方法对非线性磁链观测器锁相环的PI参数进行整定：
Figure DEST_PATH_IMAGE084
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE086
、
Figure DEST_PATH_IMAGE088
分别表示锁相环的比例系数与积分系数。
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