CN115065287A - 一种全速域无传感器非线性加权控制方法 - Google Patents

一种全速域无传感器非线性加权控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115065287A
CN115065287A CN202210676439.0A CN202210676439A CN115065287A CN 115065287 A CN115065287 A CN 115065287A CN 202210676439 A CN202210676439 A CN 202210676439A CN 115065287 A CN115065287 A CN 115065287A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensorless
speed
current
follows
full
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210676439.0A
Other languages
English (en)
Inventor
蔡蔚
赵月彬
郭庆波
宣辰龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin University of Science and Technology
Original Assignee
Harbin University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin University of Science and Technology filed Critical Harbin University of Science and Technology
Priority to CN202210676439.0A priority Critical patent/CN115065287A/zh
Publication of CN115065287A publication Critical patent/CN115065287A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0003—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H02P21/0007—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control using sliding mode control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/13—Observer control, e.g. using Luenberger observers or Kalman filters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/18—Estimation of position or speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/24—Vector control not involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/022—Synchronous motors
    • H02P25/024—Synchronous motors controlled by supply frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05—Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的全速域无传感器控制方法，属于永磁同步电机控制技术领域。所述的方法及系统包括低速无传感器控制部分、中高速无传感器控制部分、非线性加权部分；为了电机的无传感器高控制精度并且稳定运行，首先在低速区间采用高频方波注入策略；其次，在中高速区间采用观测器方法；最后，在过渡区间对两种方法基于非线性系数加权的控制策略。本发明利用了非线性加权系数来提升无传感器控制策略在过渡区的稳定性；利用高频方波注入法来增强系统在低速区间无传感器观测能力；并利用观测器算法来提高系统在中高速区间的观测精度，相较于传统的线性切换策略，切换过程更加平稳。

Description

一种全速域无传感器非线性加权控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种全速域无传感器非线性加权控制方法。
背景技术
永磁同步电机功率凭借密度大、转动惯量小、能量转换效率高、维护费用低等优点广泛应用于数控设备、船舶航行推进系统、汽车、工业控制及航空航天等领域。传统的光电编码器、解算器和测速发电机等传感器件存在较低的可靠性、准确性收外部影响因素、和增加了系统的体积和成本等问题。因此无传感器控制系统的研究将极大地提高电机系统的可靠性。而目前没有一种无感控制方法可以实现全速范围内永磁同步电机的高精度无感控制的现状，因此采用复合控制的策略对PMSM全速域无传感器控制系统具有非常重要的意义和价值。
永磁同步电机的全速域无传感器控制方法主要有两大类方法，一类是基于滞环控制器的方法，这种方法可以实现低速范围到高速范围的衔接，也可以完成中高速到低速阶段的衔接，但是在进入滞环临界值时会出现转角和转速的跳变，影响电机的动态性和稳态性。第二类方法是采用线性加权思想，首先基于电机转速设定出控制策略的过渡区，在过渡区对低速与中高速两种控制策略采样线性加权的方式进行逐步切换。该方法可以实现全速范围内永磁同步电机的无传感器控制过程中有效地抑制转角和转速跳变，但由于在过渡区两种控制策略基于速度的变化规律的复杂性，传统线性切换在过渡区间产生的控制精度降低仍不能满足PMSM在电动汽车、工控及航天领域平稳安全运行的需求。
发明内容
发明目的：本发明的主要内容是提供一种全速域无传感器非线性加权控制方法，通过该方法解决永磁同步电机无传感器控制在低速域向中高速域切换过程中的运行问题。
为了实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种全速域无传感器非线性加权控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立PMSM在同步旋转坐标系下的数学模型；
(2)基于脉振高频方波注入器提取电机零、低速运行时的电流信号；
(3)基于滑模观测器完成中高速时的位置估计；
(4)基于非线性系数加权过渡算法完成零低速到中高速运行的平稳切换；
进一步地，所述步骤(1)实现过程如下：
建立永磁同步电机在dq旋转坐标系下的数学模型：
Figure BDA0003696768690000021
Figure BDA0003696768690000022
式中：u、i、ψ分别为定子电压、电流和磁链，d、q下角标分别代表定子直轴、交轴分量，Rs为定子绕组电阻，Ld、Lq为定子绕组直轴和交轴电感，ψρm为转子永磁磁链。
进一步地，所述步骤(2)实现过程如下：
低速域无传感器控制策略选择在d轴注入高频电压信号检测q轴的磁极位置的方法，对提取出的q轴高频电流进行处理，保留包含转子位置估计误差在内的低频信号，经过滤波器后得到转子位置观测器输入信号，过程如下：先对q轴高频电流信号iqh的幅值进行调制，调制后的信号再经过低通滤波器(LPF)处理，这样就可以获得转子位置观测器的输入信号即：
Figure BDA0003696768690000023
式中：idh为q轴高频电流信号，Uh为注入高频电压幅值，ωh为注入角频率，Δθ为角度误差，定义共模电感L1＝(Ld+Lq)/2，差模电感L2＝(Ld-Lq)/2；
进一步地，所述步骤(3)实现过程如下：
将永磁同步电机定子电压数学模型和滑模变结构结合到一起，建立估计电流和实际电流之差构成的滑模切换函数如下：
Figure BDA0003696768690000024
其中：is和
Figure BDA0003696768690000025
分别表示定子电流实际值和估计值。
根据选定的滑模面，构造PMSM的滑模电流观测器方程为：
Figure BDA0003696768690000026
式中：
Figure BDA0003696768690000027
表示定子观测电流，K1表示滑模观测器比例系数，sign表示符号函数；
为了保证系统的稳定性，建立正定的Lyapunov函数如下：
Figure BDA0003696768690000031
对Lyapunov函数V求导得：
Figure BDA0003696768690000032
根据李雅普诺夫定理，滑模观测器的开关增益需要满足K1≥max(|eα||eβ)的条件：
Figure BDA0003696768690000033
式中：λ表示自适应常数，其取值通常在1.5-2范围内，
Figure BDA0003696768690000034
为估算的反电动势，
Figure BDA0003696768690000035
为估算的电角速度，当估计电流达到所设定的滑模区域时，其估计值将逐渐收敛在实际值左右。
进一步地，所述步骤(4)实现过程如下：
采用双曲正切函数作为开关函数，得到下式：
Figure BDA0003696768690000036
选择
Figure BDA0003696768690000037
作为滑模超平面，所得的控制量为：
Figure BDA0003696768690000038
采用了双曲正切tanh函数之后，相较于传统的线性切换策略，切换过程更加平稳。
有益效果
1.本发明是一种永磁同步电机全速域无传感器控制方法，在过渡区采用非线性系数加权的切换策略，解决了传统线性加权方式噪声较大、精确性差的缺点。
2.本发明通过一种可变化幅值的高频旋转信号注入法，解决了高频旋转信号注入法信号滞后严重的问题。
3.本发明解决了全速域无传感器控制方法在过渡区位置计算精确性的问题，控制方法实现简单，贴合工程应用实际，从而提高来了电机全速域无传感器控制系统的性能。
附图说明
图1是永磁同步电机全速域无传感器控制的系统图；
图2是非线性加权方法原理图。
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。
实施例1：
一种全速域无传感器非线性加权控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立永磁同步电机在dq旋转坐标系下的数学模型：
Figure BDA0003696768690000041
式中：u、i、ψ分别为定子电压、电流和磁链，d、q下角标分别代表定子直轴、交轴分量，Rs为定子绕组电阻，Ld、Lq为定子绕组直轴和交轴电感，ψρm为转子永磁磁链。
步骤2，低速域无传感器控制策略选择在d轴注入高频电压信号检测q轴的磁极位置的方法，对提取出的q轴高频电流进行处理，保留包含转子位置估计误差在内的低频信号，经过滤波器后得到转子位置观测器输入信号，过程如下：先对q轴高频电流信号iqh的幅值进行调制，调制后的信号再经过低通滤波器(LPF)处理，这样就可以获得转子位置观测器的输入信号即：
Figure BDA0003696768690000042
式中：idh为q轴高频电流信号，Uh为注入高频电压幅值，ωh为注入角频率，
Δθ为角度误差，定义共模电感L1＝(Ld+Lq)/2，差模电感L2＝(Ld-Lq)/2；
步骤3，将永磁同步电机定子电压数学模型和滑模变结构结合到一起，建立估计电流和实际电流之差构成的滑模切换函数如下：
Figure BDA0003696768690000051
其中：is和
Figure BDA0003696768690000052
分别表示定子电流实际值和估计值。
根据选定的滑模面，构造PMSM的滑模电流观测器方程为：
Figure BDA0003696768690000053
式中：
Figure BDA0003696768690000054
表示定子观测电流，K1表示滑模观测器比例系数，sign表示符号函数；为了保证系统的稳定性，建立正定的Lyapunov函数如下：
Figure BDA0003696768690000055
对Lyapunov函数V求导得：
Figure BDA0003696768690000056
根据李雅普诺夫定理，滑模观测器的开关增益需要满足K1≥max(eα||eβ)的条件，
Figure BDA0003696768690000057
式中：λ表示自适应常数，其取值通常在1.5-2范围内，
Figure BDA0003696768690000058
为估算的反电动势，
Figure BDA0003696768690000059
为估算的电角速度，当估计电流达到所设定的滑模区域时，其估计值将逐渐收敛在实际值左右。
步骤4，采用双曲正切函数作为开关函数，得到下式：
Figure BDA00036967686900000510
选择
Figure BDA00036967686900000511
作为滑模超平面，所得的控制量为：
Figure BDA0003696768690000061
采用了双曲正切tanh函数之后，相较于传统的线性切换策略，切换过程更加平稳。
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 (5)

1.一种全速域无传感器非线性加权控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立PMSM在同步旋转坐标系下的数学模型；
(2)基于脉振高频方波注入器提取电机零、低速运行时的电流信号；
(3)基于滑模观测器完成中高速时的位置估计；
(4)基于非线性系数加权过渡算法完成零低速到中高速运行的平稳切换。
2.根据权利要求1所述的一种全速域无传感器非线性加权控制方法，其特征在于，所述步骤(1)实现过程如下：
建立永磁同步电机在dq旋转坐标系下的数学模型：
Figure FDA0003696768680000011
Figure FDA0003696768680000012
式中：u、i、ψ分别为定子电压、电流和磁链，d、q下角标分别代表定子直轴、交轴分量，Rs为定子绕组电阻，Ld、Lq为定子绕组直轴和交轴电感，ψρm为转子永磁磁链。
3.根据权利要求1所述的电机全速域无传感位置估计与控制方法，其特征在于，所述步骤(2)实现过程如下：
低速域无传感器控制策略选择在d轴注入高频电压信号检测q轴的磁极位置的方法，对提取出的q轴高频电流进行处理，保留包含转子位置估计误差在内的低频信号，经过滤波器后得到转子位置观测器输入信号，过程如下：先对q轴高频电流信号iqh的幅值进行调制，调制后的信号再经过低通滤波器(LPF)处理，这样就可以获得转子位置观测器的输入信号即：
Figure FDA0003696768680000013
Figure FDA0003696768680000014
式中：idh为q轴高频电流信号，Uh为注入高频电压幅值，ωh为注入角频率，Δθ为角度误差，定义共模电感L1＝(Ld+Lq)/2，差模电感L2＝(Ld-Lq)/2。
4.根据权利要求1所述的电机全速域无传感位置估计与控制方法，其特征在于，所述步骤(3)实现过程如下：
将永磁同步电机定子电压数学模型和滑模变结构结合到一起，建立估计电流和实际电流之差构成的滑模切换函数如下：
Figure FDA0003696768680000021
其中：is和
Figure FDA0003696768680000022
分别表示定子电流实际值和估计值；
根据选定的滑模面，构造PMSM的滑模电流观测器方程为：
Figure FDA0003696768680000023
式中：
Figure FDA0003696768680000024
表示定子观测电流，K1表示滑模观测器比例系数，sign表示符号函数；
为了保证系统的稳定性，建立正定的Lyapunov函数如下：
Figure FDA0003696768680000025
对Lyapunov函数V求导得：
Figure FDA0003696768680000026
根据李雅普诺夫定理，滑模观测器的开关增益需要满足K1≥max(|eα||eβ|)的条件：
Figure FDA0003696768680000027
Figure FDA0003696768680000028
式中：λ表示自适应常数，其取值通常在1.5-2范围内，
Figure FDA0003696768680000029
为估算的反电动势，
Figure FDA00036967686800000210
为估算的电角速度，当估计电流达到所设定的滑模区域时，其估计值将逐渐收敛在实际值左右。
5.根据权利要求1所述的电机全速域无传感位置估计与控制方法，其特征在于，所述步骤(4)实现过程如下：
采用双曲正切函数作为开关函数，得到下式：
Figure FDA0003696768680000031
选择
Figure FDA0003696768680000032
作为滑模超平面，所得的控制量为：
Figure FDA0003696768680000033
采用了双曲正切tanh函数之后，相较于传统的线性切换策略，切换过程更加平稳。
CN202210676439.0A 2022-06-15 2022-06-15 一种全速域无传感器非线性加权控制方法 Pending CN115065287A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210676439.0A CN115065287A (zh) 2022-06-15 2022-06-15 一种全速域无传感器非线性加权控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210676439.0A CN115065287A (zh) 2022-06-15 2022-06-15 一种全速域无传感器非线性加权控制方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115065287A true CN115065287A (zh) 2022-09-16

Family

ID=83199460

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210676439.0A Pending CN115065287A (zh) 2022-06-15 2022-06-15 一种全速域无传感器非线性加权控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115065287A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024060306A1 (zh) * 2022-09-19 2024-03-28 江苏科技大学 用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024060306A1 (zh) * 2022-09-19 2024-03-28 江苏科技大学 用于agv搬运机器人的永磁同步电机无传感器控制方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jiang et al. An improved third-order generalized integral flux observer for sensorless drive of PMSMs
CN110429886B (zh) 一种永磁同步电机低速域转子位置辨识方法
CN103199779B (zh) 基于自适应滤波的内置式永磁同步电机转子位置观测装置及观测方法
CN110518852B (zh) 基于谐波注入的永磁同步电机电流谐波抑制方法
CN105227010A (zh) 一种永磁同步电机无位置传感器位置观测误差谐波脉冲消除方法
CN112332718A (zh) 永磁同步电机全速域无传感器复合控制系统及控制方法
WO2020186656A1 (zh) 一种低速永磁同步电机的线性时变转子位置估计方法
CN111181458A (zh) 基于扩展卡尔曼滤波器的表贴式永磁同步电机转子磁链观测方法
CN114598206A (zh) 永磁同步电机宽速域转子位置观测器设计方法
CN114567220A (zh) 永磁同步电机全速域无位置传感器控制方法
CN114189181B (zh) 一种满足电动汽车多变工况的五相永磁电机无位置传感器驱动方法及装置
CN108599661A (zh) 一种永磁同步电机无传感器复合控制方法
CN115065287A (zh) 一种全速域无传感器非线性加权控制方法
Naderian et al. Improved sensorless control strategy for IPMSM using an ePLL approach with high-frequency injection
CN113364375A (zh) 变结构电流调节器的pmsm驱动系统无传感器控制方法
CN113783494B (zh) 无位置传感器内置式永磁同步电机的最大转矩电流比控制
CN113992087B (zh) 一种电机全速域无传感位置估计与控制方法及系统
CN113489410B (zh) 周期互补高频方波注入的无传感器控制方法
CN113241975B (zh) 消除转矩脉动的双绕组pmsm转子初始位置检测方法
CN111181456B (zh) 一种无位置传感器永磁同步电机振动控制方法
CN111817617B (zh) 一种车用永磁同步电机低速无位置传感器控制方法
CN115149866A (zh) 一种永磁同步电机全速域无位置传感器矢量控制方法
CN110190782B (zh) 永磁电机无位置传感器控制方法
CN111654223A (zh) 一种混合励磁磁通切换电机无位置传感器复合控制方法
CN109510545B (zh) 一种超高速永磁同步电机转子位置检测方法及电路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination