CN115085625A - 一种永磁同步电机无位置传感控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无位置传感控制方法及系统，包括：通过定子电压积分模型得到初始定子磁链；将初始定子磁链作为ESO观测器输入，定义定子磁链和积分扰动作为ESO观测器状态变量；将观测器得到的系统扰动积分得到定子磁链扰动；基于初始定子磁链和定子磁链扰动计算得到不含扰动的定子磁链，利用电机的有源磁链模型得到电机的有源磁链；引入高通滤波器滤除有源磁链中的直流分量，利用滤波后的有源磁链计算电机转子位置信息和速度信息，基于所述信息对转速与转矩进行控制。本发明在全速范围内均可以保证磁链的快速收敛，保证转子位置信息的准确。

Description

一种永磁同步电机无位置传感控制方法及系统

技术领域

本发明涉及永磁同步电机无位置传感驱动技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机无位置传感控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

永磁同步电机无位置传感控制可以简化电机伺服系统设计，降低成本。基于以上优点，永磁同步电机无位置传感控制受到了学术界和工业界的广泛关注。经过几十年的研究，永磁同步电机无位置传感控制策略目前主要可以分为高速下基于电机反电势的观测器法，和低速下基于电机磁饱和性质的高频信号注入法。由于电机反电势幅值与转速耦合，其在低速下不能被有效观测，限制了该方法在全速范围的应用。高频信号注入法被认为是在低速/零速工况下最佳的解决方案。然而，信号注入又会带来转矩脉动，噪音，降低直流电压利用率等一系难题。

有源磁链模型依赖更少的电机参数，且幅值大小不与转速耦合，不易受外界干扰，可观测性好，可以实现电机的全速无感控制。但是逆变器非线性，开关管导通压降，以及数字积分器所带来的直流偏置，会极大影响磁链观测的准确性。

现有技术根据电机磁链积分模型，设计一个龙伯格型观测器。其次将观测器传递函数的极点配置在电机转速ω_e处，达到频率自适应的目的，同时观测出逆变器等外界因素对于磁链积分的扰动。随后引入比例反馈来抑制数字积分器所带来的磁链直流偏置问题，最后通过有源磁链模型计算出电机转子位置信息。

上述频率自适应扰动磁链观测器的增益与转速大小耦合，也就限制了磁链的收敛速度。一方面，由于观测器的增益为与电机观测转速相关的变量，所以，观测器的带宽并不是很高，导致观测磁链并不能很快的收敛。磁链收敛速度慢，锁相环的观测带宽就无法提高，进一步电机转速环的控制带宽就很低，这就使得电机动态相应性能很差；另一方面，上述方法仅用比例反馈来抑制直流偏置，其并不能彻底消除直流量，还会带来αβ轴磁链大小的耦合。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种永磁同步电机无位置传感控制方法及系统，利用高增益观测器观测电机有源磁链，在兼顾了磁链模型宽调速范围的优点的同时，通过观测器的高增益加速了磁链的收敛速度，使得锁相环的带宽可以增大进而提高PMSM无感控制的动态响应性能；同时利用高通滤波器，来彻底消除磁链中的直流分量对于提取转子位置信息的影响。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种永磁同步电机无位置传感控制方法，包括：

通过定子电压积分模型得到初始定子磁链；

将初始定子磁链作为ESO观测器输入，定义定子磁链和积分扰动作为ESO观测器状态变量；将观测器得到的系统扰动积分得到定子磁链扰动；

基于初始定子磁链和定子磁链扰动计算得到不含扰动的定子磁链，利用电机的有源磁链模型得到电机的有源磁链；

引入高通滤波器滤除有源磁链中的直流分量，利用滤波后的有源磁链计算电机转子位置信息和速度信息，基于所述信息对转速与转矩进行控制。

作为可选的方案，通过定子电压积分模型得到初始定子磁链时，考虑外在扰动。

作为可选的方案，将ESO观测器的增益设置为

其中，观测器带宽ω₀应满足

T_s为系统采样时间。

作为可选的方案，基于初始定子磁链和定子磁链扰动计算得到不含扰动的定子磁链，具体为：

将电机定子磁链减去扰动量，即得到不含扰动的定子磁链。

作为可选的方案，利用电机的有源磁链模型得到电机的有源磁链，具体为：

将不含扰动的定子磁链减去电机交轴电感与αβ轴定子电流的乘积，所得差值即为电机的有源磁链。

作为可选的方案，引入高通滤波器滤除有源磁链中的直流分量，所述高通滤波器的传递函数为：

其中，ω_c为截止频率。

作为可选的方案，利用滤波后的有源磁链计算电机转子位置信息和速度信息，具体为：

基于所述有源磁链，利用arctan函数计算出电机电角度，然后利用一个PI锁相环提取出电机转子位置和速度信息。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种永磁同步电机无位置传感控制系统，包括：

初始定子磁链计算模块，用于通过定子电压积分模型得到初始定子磁链；

定子磁链扰动计算模块，用于将初始定子磁链作为ESO观测器输入，定义定子磁链和积分扰动作为ESO观测器状态变量；将观测器得到的系统扰动积分得到定子磁链扰动；

有源磁链计算模块，用于基于初始定子磁链和定子磁链扰动计算得到不含扰动的定子磁链，利用电机的有源磁链模型得到电机的有源磁链；

电机转子控制模块，用于引入高通滤波器滤除有源磁链中的直流分量，利用滤波后的有源磁链计算电机转子位置信息和速度信息，基于所述信息对电机转子进行控制。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的永磁同步电机无位置传感控制方法。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的永磁同步电机无位置传感控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明可实现对于电机磁链的快速观测。现有的方法观测器增益与转速耦合，其在低速下增益变小，磁链收敛速度变慢，磁场定向控制会出现较大角度偏差，造成电机转速控制失稳。本发明在全速范围内均可以保证磁链的快速收敛，保证转子位置信息的准确。

(2)在永磁同步电机无感控制领域，由于观测器带宽普遍很低，因此转速环带宽不能很高，就造成电机无感动态调速性能很差。本发明用到的高增益磁链观测器，可以提高锁相环观测带宽进而提高转速控制回路的增益，提高无感控制的动态响应。

(3)本发明通过高通滤波器消除有源磁链中的直流量，能够准确计算转子位置信息，避免由于存在直流量导致转子位置无法计算的问题。

本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例中的永磁同步电机无位置传感控制过程示意图；

图2为本发明实施例中的ESO扰动观测示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种永磁同步电机无位置传感控制方法，结合图1，具体包括如下过程：

(1)通过定子电压积分模型得到初始定子磁链；

具体地，通过定子电压积分模型ψ_1αβ＝∫(u_αβ-Ri_αβ)dt得到初始定子磁链ψ_1αβ。

考虑外在扰动的定子电压实际积分模型为ψ_1αβ＝∫(u_αβ-Ri_αβ+V_{comp_αβ})dt；

其中，u_αβ为αβ轴定子电压，由于αβ轴状态量计算过程一致，因此将其写为矢量形式合并描述u_αβ＝[u_α u_β]^T；其他参量也是一样；i_αβ为αβ轴定子电流，R为定子电阻，V_{comp_αβ}为αβ轴外界积分扰动量。

(2)将初始定子磁链作为ESO观测器输入，定义定子磁链和积分扰动作为ESO观测器状态变量；将观测器得到的系统扰动积分得到定子磁链扰动；

通过S域稳定性分析，将ESO观测器的增益设置为

其中，观测器带宽ω₀应满足

T_s为系统采样时间。

具体地，结合图2，将观测器得到的系统扰动z_αβ分别积分得到定子磁链扰动D_αβ。

其中，z_1αβ和z_2αβ为观测器状态变量，β₁和β₂为观测器增益。

ESO的观测模型具体为：

ESO的状态变量具体为：

磁链与扰动计算具体为：

其中，ε_αβ为定子磁链观测误差、ψ_1αβ为初始定子磁链、V_comp为磁链积分扰动量、

为定子磁链上的扰动、ψ_2αβ为减去扰动的定子磁链。

典型二阶线性ESO模型推导与参数配置过程如下：

首先定义一阶单输入单输出模型为：

其中x为系统状态变量，u₀为系统输入，b为描述u₀对系统影响的临界增益，f(x,t)为系统内部动力学关系，w(t)为未知的外在扰动。f(x,t)与w(t)被看作为系统的总扰动d(t)＝f(x,t)+w(t)。把总扰动扩展为系统的一个新状态变量可得二阶系统状态方程

其中x₁＝x,x₂＝d(t)。定义

对于自然界中一个实际的系统，h(t)被认为是未知但是存在边界，即|h(t)|≤h₀，h₀为h(t)的边界，如此一个二阶ESO观测器可以被定义为：

其中，z₁为系统状态变量，z₂为系统总扰动，ε₁为系统状态变量观测误差，β₁，β₂为ESO观测器增益。综合(2)与(3)可以推导出观测误差ε₁与观测系统总扰动关于z₂关于x₂的频率响应：

从(4)中可以看出，传递函数不依赖系统动态模型的参数，因此ESO的增益β₁，β₂可以独立于系统参数进行调节，从而保证扰动估计的高鲁棒性。根据典型二阶系统参数配置规则，β₁，β₂可以设计为：

其中ω₀为观测器的控制带宽，高带宽可以加速ESO的收敛速度，但是过高的带宽会使观测器对噪声敏感，影响ESO的稳态性能。

(3)基于初始定子磁链和定子磁链扰动计算得到不含扰动的定子磁链，利用电机的有源磁链模型得到电机的有源磁链；

将电机定子磁链ψ_1αβ减去扰动量D_αβ即可得到不含扰动的定子磁链ψ_2αβ，此时利用电机的有源磁链模型

得到电机的有源磁链。其中

为有源磁链，ψ_αβ为αβ轴定子磁链磁链，L_q为电机交轴电感。

(4)引入高通滤波器滤除有源磁链中的直流分量，利用滤波后的有源磁链计算电机转子位置信息和速度信息，基于所述信息对电机转子进行控制。

经过ESO观测得到的有源磁链中包含直流分量，此时如果直接将磁链做arctan计算，得到的转子位置是不准确的无法将其用于电机的转速转矩控制。因此，本实施例将磁链经过高通滤波器，滤除直流量进而计算转子位置信息。

这里引入一个高通滤波器HPF，其传递函数为

ω_c为其截止频率。高通滤波器对于ω_c频率以下的信号具有很好的抑制作用，可以消除有源磁链中的直流量。

有源磁链的表达式为

在得到有源磁链

后，可以利用arctan函数计算出电机电角度

由于电机转速是电机电角度的微分，因此可以利用一个PI锁相环提取出准确的电机转子位置和速度信息。其中

和

分别为αβ轴有源磁链，ψ_α和ψ_β分别为αβ轴定子磁链，θ_e为电机电角度。

本实施例利用ESO高增益观测器，实现对磁链观测的快速收敛，同时观测出逆变器非线性等因素对于磁链观测的扰动，最后通过高通滤波器，消除磁链中的直流偏置。可实现永磁同步电机全速范围内无感控制，同时兼具极好的动态调速性能。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种永磁同步电机无位置传感控制系统，具体包括：

初始定子磁链计算模块，用于通过定子电压积分模型得到初始定子磁链；

定子磁链扰动计算模块，用于将初始定子磁链作为ESO观测器输入，定义定子磁链和积分扰动作为ESO观测器状态变量；将观测器得到的系统扰动积分得到定子磁链扰动；

有源磁链计算模块，用于基于初始定子磁链和定子磁链扰动计算得到不含扰动的定子磁链，利用电机的有源磁链模型得到电机的有源磁链；

电机转子控制模块，用于引入高通滤波器滤除有源磁链中的直流分量，利用滤波后的有源磁链计算电机转子位置信息和速度信息，基于所述信息对电机转子进行控制。

需要说明的是，上述各模块的具体实现方式已经在实施例一中进行了说明，此处不再详述。

实施例三

在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的永磁同步电机无位置传感控制方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。

实施例四

在一个或多个实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中所述的永磁同步电机无位置传感控制方法。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机无位置传感控制方法，其特征在于，包括：

通过定子电压积分模型得到初始定子磁链；

将初始定子磁链作为ESO观测器输入，定义定子磁链和积分扰动作为ESO观测器状态变量；将观测器得到的系统扰动积分得到定子磁链扰动；

基于初始定子磁链和定子磁链扰动计算得到不含扰动的定子磁链，利用电机的有源磁链模型得到电机的有源磁链；

引入高通滤波器滤除有源磁链中的直流分量，利用滤波后的有源磁链计算电机转子位置信息和速度信息，基于所述信息对转速与转矩进行控制。

2.如权利要求1所述的一种永磁同步电机无位置传感控制方法，其特征在于，通过定子电压积分模型得到初始定子磁链时，考虑外在扰动。

3.如权利要求1所述的一种永磁同步电机无位置传感控制方法，其特征在于，将ESO观测器的增益设置为

其中，观测器带宽ω₀应满足

T_s为系统采样时间。

4.如权利要求1所述的一种永磁同步电机无位置传感控制方法，其特征在于，基于初始定子磁链和定子磁链扰动计算得到不含扰动的定子磁链，具体为：

将电机定子磁链减去扰动量，即得到不含扰动的定子磁链。

5.如权利要求1所述的一种永磁同步电机无位置传感控制方法，其特征在于，利用电机的有源磁链模型得到电机的有源磁链，具体为：

将不含扰动的定子磁链减去电机交轴电感与αβ轴定子电流的乘积，所的差值即为电机的有源磁链。

6.如权利要求1所述的一种永磁同步电机无位置传感控制方法，其特征在于，引入高通滤波器滤除有源磁链中的直流分量，所述高通滤波器的传递函数为：

其中，ω_c为截止频率。

7.如权利要求1所述的一种永磁同步电机无位置传感控制方法，其特征在于，利用滤波后的有源磁链计算电机转子位置信息和速度信息，具体为：

基于所述有源磁链，利用arctan函数计算出电机电角度，然后利用一个PI锁相环提取出电机转子位置和速度信息。

8.一种永磁同步电机无位置传感控制系统，其特征在于，包括：

初始定子磁链计算模块，用于通过定子电压积分模型得到初始定子磁链；

定子磁链扰动计算模块，用于将初始定子磁链作为ESO观测器输入，定义定子磁链和积分扰动作为ESO观测器状态变量；将观测器得到的系统扰动积分得到定子磁链扰动；

有源磁链计算模块，用于基于初始定子磁链和定子磁链扰动计算得到不含扰动的定子磁链，利用电机的有源磁链模型得到电机的有源磁链；

电机转子控制模块，用于引入高通滤波器滤除有源磁链中的直流分量，利用滤波后的有源磁链计算电机转子位置信息和速度信息，基于所述信息对电机转子进行控制。

9.一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的永磁同步电机无位置传感控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的永磁同步电机无位置传感控制方法。

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