CN116365951A - 一种基于电压前馈的无传感器控制方法及系统 - Google Patents

一种基于电压前馈的无传感器控制方法及系统 Download PDF

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CN116365951A CN202310191939.XA CN202310191939A CN116365951A CN 116365951 A CN116365951 A CN 116365951A CN 202310191939 A CN202310191939 A CN 202310191939A CN 116365951 A CN116365951 A CN 116365951A
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徐斌
张懿
魏海峰
王浩陈
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Abstract

本发明公开了一种本发明实施例提供了一种基于电压前馈的无传感器控制方法及系统，其中方法包括：建立表面式永磁同步电机在d‑q轴坐标系下基于定子电流的理想数学模型；根据理想数学模型，获取基于转子电角速度的参考模型和基于转子电角速度的可调模型；结合波波夫超稳定性理论，根据转子电角速度的参考模型和基于转子电角速度的可调模型获取转子电角速度的自适应率；当转子电角速度的自适应率的计算结果收敛至稳定值时，得到转子电角速度估算值；将转子电角速度估算值与PI控制器相结合，获取电压前馈补偿，以实现转子速度的高精度估算。

Description

一种基于电压前馈的无传感器控制方法及系统
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，具体涉及一种基于电压前馈的无传感器控制方法及系统。
背景技术
永磁同步电机拥有功率密度大、运行效率高以及体积小等特点，因此被广泛运用于工业自动化、航空航天以及军事等相关领域。
针对一些高精度领域，通常选择安装机械式传感器来对转子速度进行检测，但是这种方式会导致成本的增加，并且降低系统的抗干扰能力，因此永磁同步电机的无传感器控制是当前研究的热点。目前针对永磁同步电机的无传感器控制方法主要有高频注入法、扩展卡尔曼滤波器法、模型参考自适应系统法(MRAS)以及滑膜观测器法。其中，模型参考自适应系统法存在估算精度不够高、抗干扰性以及动态性能方面存在一定缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于电压前馈的无传感器控制方法及系统，以解决现有技术中模型参考自适应系统法存在估算精度不够高、抗干扰性以及动态性能方面存在一定缺陷的问题。
本发明实施例提供了一种基于电压前馈的无传感器控制方法，包括：
建立表面式永磁同步电机在d-q轴坐标系下基于定子电流的理想数学模型；
根据理想数学模型，获取基于转子电角速度的参考模型和基于转子电角速度的可调模型；
结合波波夫超稳定性理论，根据转子电角速度的参考模型和基于转子电角速度的可调模型获取转子电角速度的自适应率；
当转子电角速度的自适应率的计算结果收敛至稳定值时，得到转子电角速度估算值；
将转子电角速度估算值与PI控制器相结合，获取电压前馈补偿，以实现转子速度的高精度估算。
可选地，建立表面式永磁同步电机在d-q轴坐标系下基于定子电流的理想数学模型，包括：
Figure BDA0004105885680000021
其中，ud和uq为d-q轴的定子电压；id和iq为d-q轴的定子电流；Rs为定子电阻；Ls为定子电感；ψf为转子磁链；ωe为转子电角速度。
可选地，基于转子电角速度的参考模型包括：
Figure BDA0004105885680000022
其中，
Figure BDA0004105885680000023
i′q＝iq，/>
Figure BDA0004105885680000024
u′q＝uq。
可选地，基于转子电角速度的可调模型包括：
Figure BDA0004105885680000025
其中，
Figure BDA0004105885680000026
和/>
Figure BDA0004105885680000027
为d-q轴的定子电流估算值；/>
Figure BDA0004105885680000028
为转子电角速度估算值。
可选地，结合波波夫超稳定性理论，根据转子电角速度的参考模型和基于转子电角速度的可调模型获取转子电角速度的自适应率，包括：
Figure BDA0004105885680000029
其中，ki为转子电角速度自适应率的积分增益；kp为转子电角速度自适应率的比例增益；
当计算结果收敛至稳定值时，对应的
Figure BDA0004105885680000031
即为电角速度估算值。
可选地，将转子电角速度估算值与PI控制器相结合，获取电压前馈补偿，包括：
Figure BDA0004105885680000032
其中，
Figure BDA0004105885680000033
为电压前馈补偿的d轴参考电压；/>
Figure BDA0004105885680000034
为电压前馈补偿的q轴参考电压；/>
Figure BDA0004105885680000035
为电压前馈补偿的d轴参考电流；/>
Figure BDA0004105885680000036
为电压前馈补偿的q轴参考电流；kid为电流环PI控制器d轴积分增益；kpd为电流环PI控制器d轴比例增益；kiq为电流环PI控制器q轴积分增益；kpq为电流环PI控制器q轴比例增益。
可选地，还包括：
获取表面式永磁同步电机的d轴电流信号和q轴电流信号；
将d轴电流信号和电压前馈补偿的d轴参考电流作差得到第一电流差值信号；
将第一电流差值信号输入q轴电流环PI控制器，得到q轴电压信号；
将q轴电压信号和q轴电压前馈补偿信号相加，得到电压前馈补偿的q轴参考电压信号；
通过第二减法器将q轴电流信号和电压前馈补偿的q轴参考电流作差得到第二电流差值信号；
将第二电流差值信号输入d轴电流环PI控制器，得到d轴电压信号；
将d轴电压信号和d轴电压前馈补偿信号相加，得到电压前馈补偿的d轴参考电压信号；
将电压前馈补偿的q轴参考电压信号和电压前馈补偿的d轴参考电压信号输入表面式永磁同步电机的控制器；
和基于模型参考自适应系统的无速度传感器中；
将电压前馈补偿的q轴参考电压信号、电压前馈补偿的d轴参考电压信号、表面式永磁同步电机输出的d轴电流信号和q轴电流信号输入基于模型参考自适应系统的无速度传感器中，得到转子电角速度信号。
本发明实施例还提供了一种基于电压前馈的无传感器控制系统，运用于前述的基于电压前馈的无传感器控制方法，包括：
表面式永磁同步电机；
第一减法单元，其第一输入端与表面式永磁同步电机的q轴电流输出端连接；第一减法的单元的第二输入端用于输入q轴前馈补偿的参考电流；
第二减法单元，其第一输入端与表面式永磁同步电机的d轴电流输出端连接；第一减法的单元的第二输入端用于输入d轴前馈补偿的参考电流；
q轴电流环PI控制器单元，其输入端与第一减法单元的输出端连接；
d轴电流环PI控制器单元，其输入端与第二减法单元的输出端连接；
电压前馈补偿单元，其输入端与表面式永磁同步电机的d-q轴电流输出端连接；
第一加法单元，其第一输入端与q轴电流环PI控制器单元的输出端连接；第一加法单元的第二输入端与电压前馈补偿单元的q轴电压输出端连接；第一加法单元的输出端与表面式永磁同步电机的控制器输入端连接；
第二加法单元，其第一输入端与d轴电流环PI控制器单元的输出端连接；第二加法单元的第二输入端与电压前馈补偿单元的d轴电压输出端连接；第二加法单元的输出端与表面式永磁同步电机的控制器输入端连接；
基于模型参考自适应系统的无速度传感器单元，其输入端与第一加法单元的输出端、第二加法单元的输出端、表面式永磁同步电机的q轴电流输出端连接和表面式永磁同步电机的d轴电流输出端连接分别连接。
本发明实施例的有益效果：
本发明实施例提供了一种基于电压前馈的无传感器控制方法，通过结合PI控制器设计出电压前馈补偿给表面式永磁同步电机控制器单元，可以有效地提高传统模型参考自适应系统无传感器控制的转子速度的估算精度。
本发明提供的一种基于电压前馈的无传感器控制方法及系统，与传统的MRAS无传感器控制方法及系统相比具有较强的抗干扰性，动态性能也有了一定的提升，从而保证了永磁同步电机的高性能运转。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明实施例中一种基于电压前馈的无传感器控制方法的流程图；
图2示出了本发明实施例中一种结合PI控制器设计出的电压前馈补偿框图；
图3示出了本发明实施例中一种基于电压前馈的MRAS无传感器控制系统结构框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于电压前馈的无传感器控制方法，包括：
步骤S10，建立表面式永磁同步电机在d-q轴坐标系下基于定子电流的理想数学模型。
在本实施例中，表面式永磁同步电机SPMSM在d-q轴坐标系下基于定子电流的理想数学模型，具体公式如下：
Figure BDA0004105885680000051
其中，ud和uq为d-q轴的定子电压；id和iq为d-q轴的定子电流；Rs为定子电阻；Ls为定子电感；ψf为转子磁链；ωe为转子电角速度。
步骤S20，根据理想数学模型，获取基于转子电角速度的参考模型和基于转子电角速度的可调模型。
在本实施例中，基于转子电角速度的参考模型是通过步骤S10中得出基于定子电流的理想数学模型计算得出的，化简后将结果整理成矩阵形式，具体公式如下：
Figure BDA0004105885680000061
其中，
Figure BDA0004105885680000062
i′q＝iq，/>
Figure BDA0004105885680000063
u′q＝uq。
基于转子电角速度的可调模型是通过基于转子电角速度的参考模型计算得出的，将结果整理成矩阵形式，具体公式如下：
Figure BDA0004105885680000064
其中，
Figure BDA0004105885680000065
和/>
Figure BDA0004105885680000066
为d-q轴的定子电流估算值；/>
Figure BDA0004105885680000067
为转子电角速度估算值。
步骤S30，结合波波夫超稳定性理论，根据转子电角速度的参考模型和基于转子电角速度的可调模型获取转子电角速度的自适应率。
在本实施例中，基于转子电角速度的参考模型和可调模型，结合Popov超稳定性理论得出转子电角速度的自适应率，当计算结果收敛到稳定值时，即为所获得的转子电角速度估算值，具体公式如下：
Figure BDA0004105885680000068
其中，ki为转子电角速度自适应率的积分增益；kp为转子电角速度自适应率的比例增益。
当计算结果收敛至稳定值时，对应的
Figure BDA0004105885680000069
即为电角速度估算值。
步骤S40，当转子电角速度的自适应率的计算结果收敛至稳定值时，得到转子电角速度估算值。
步骤S50，将转子电角速度估算值与PI控制器相结合，获取电压前馈补偿，以实现转子速度的高精度估算。
在本实施例中，结合PI控制器设计出电压前馈补偿给SPMSM，由步骤S10中基于定子电流的理想数学模型可以看出传统PI控制器的输出电压存在抵消反电动势以及控制d-q轴定子电流的作用，将会导致SPMSM系统的调节时间变长，精度变差，通过结合PI控制器设计出基于电压前馈补偿的d-q轴参考电压来给入SPMSM，具体公式如下所示：
Figure BDA0004105885680000071
其中，
Figure BDA0004105885680000072
为电压前馈补偿的d轴参考电压；/>
Figure BDA0004105885680000073
为电压前馈补偿的q轴参考电压；/>
Figure BDA0004105885680000074
为电压前馈补偿的d轴参考电流；/>
Figure BDA0004105885680000075
为电压前馈补偿的q轴参考电流；kid为电流环PI控制器d轴积分增益；kpd为电流环PI控制器d轴比例增益；kiq为电流环PI控制器q轴积分增益；kpq为电流环PI控制器q轴比例增益。
本实施例通过结合PI控制器设计出电压前馈补偿给表面式永磁同步电机控制器单元，可以有效地提高传统模型参考自适应系统无传感器控制的转子速度的估算精度。
作为可选的实施方式，还包括：
获取表面式永磁同步电机的d轴电流信号和q轴电流信号；
将d轴电流信号和电压前馈补偿的d轴参考电流作差得到第一电流差值信号；
将第一电流差值信号输入q轴电流环PI控制器，得到q轴电压信号；
将q轴电压信号和q轴电压前馈补偿信号相加，得到电压前馈补偿的q轴参考电压信号；
通过第二减法器将q轴电流信号和电压前馈补偿的q轴参考电流作差得到第二电流差值信号；
将第二电流差值信号输入d轴电流环PI控制器，得到d轴电压信号；
将d轴电压信号和d轴电压前馈补偿信号相加，得到电压前馈补偿的d轴参考电压信号；
将电压前馈补偿的q轴参考电压信号和电压前馈补偿的d轴参考电压信号输入表面式永磁同步电机的控制器；
和基于模型参考自适应系统的无速度传感器中；
将电压前馈补偿的q轴参考电压信号、电压前馈补偿的d轴参考电压信号、表面式永磁同步电机输出的d轴电流信号和q轴电流信号输入基于模型参考自适应系统的无速度传感器中，得到转子电角速度信号。
在本实施例中，各信号的处理及传输如图2所示，通过结合PI控制器设计出电压前馈补偿给SPMSM，可以有效地提高传统MRAS无传感器控制的转子速度的估算精度。
本发明实施例还提供了一种基于电压前馈的无传感器控制系统，如图3所示，运用于前述实施例中的基于电压前馈的无传感器控制方法，包括：表面式永磁同步电机31、第一减法单元32、第二减法单元33、q轴电流环PI控制器单元34、d轴电流环PI控制器单元35、电压前馈补偿单元36、第一加法单元37、第二加法单元38和基于模型参考自适应系统的无速度传感器单元39，其中：第一减法单元32的第一输入端与表面式永磁同步电机31的q轴电流输出端连接；第一减法的单元32的第二输入端用于输入q轴前馈补偿的参考电流；第二减法单元33的第一输入端与表面式永磁同步电机31的d轴电流输出端连接；第一减法的单元32的第二输入端用于输入d轴前馈补偿的参考电流；q轴电流环PI控制器单元34的输入端与第一减法单元32的输出端连接；d轴电流环PI控制器单元35的输入端与第二减法单元33的输出端连接；电压前馈补偿单元36的输入端与表面式永磁同步电机31的d-q轴电流输出端连接；第一加法单元37的第一输入端与q轴电流环PI控制器单元34的输出端连接；第一加法单元37的第二输入端与电压前馈补偿单元36的q轴电压输出端连接；第一加法单元37的输出端与表面式永磁同步电机31的控制器输入端连接；第二加法单元38的第一输入端与d轴电流环PI控制器单元35的输出端连接；第二加法单元38的第二输入端与电压前馈补偿单元36的d轴电压输出端连接；第二加法单元38的输出端与表面式永磁同步电机31的控制器输入端连接；基于模型参考自适应系统的无速度传感器单元39的输入端与第一加法单元37的输出端、第二加法单元38的输出端、表面式永磁同步电机31的q轴电流输出端连接和表面式永磁同步电机31的d轴电流输出端连接分别连接。
在本实施例中，SPMSM单元与减法单元相连，将给入d-q轴参考电流信号与SPMSM单元采集到的d-q轴电流信号送入减法单元进行运算得出电流差值信号，减法单元分别与d-q轴电流环PI控制器单元以及d-q轴电流环PI控制器单元相连，通过减法单元得出的电流差值信号分别送入d-q轴电流环PI控制器单元以及d-q轴电流环PI控制器单元得出d-q轴电压信号，SPMSM单元与电压前馈补偿单元相连，将SPMSM单元采集到的d-q轴电流信号送入电压前馈补偿单元得出电压前馈补偿信号，加法单元分别与d-q轴电流环PI控制器单元、d-q轴电流环PI控制器单元以及电压前馈补偿单元相连，将电压前馈补偿单元得出电压前馈补偿信号通过加法单元分别与d-q轴电流环PI控制器单元以及d-q轴电流环PI控制器单元得出的d-q轴电压信号相加后得出补偿后的d-q轴参考电压信号，SPMSM单元分别与加法单元以及基于MRAS的无速度传感器单元相连，将补偿后的d-q轴参考电压信号送入SPMSM单元，将加法单元与基于MRAS的无速度传感器单元相连，将补偿后的d-q轴参考电压信号与SPMSM单元采集到的d-q轴电流信号同时送入基于MRAS的无速度传感器单元得出转子电角速度信号，从而保证永磁同步电机的高精度运转。
本发明实施例提供的一种基于电压前馈的无传感器控制方法及系统，与传统的MRAS无传感器控制方法及系统相比具有较强的抗干扰性，动态性能也有了一定的提升，从而保证了永磁同步电机的高性能运转。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电压前馈的无传感器控制方法，其特征在于，包括：
建立表面式永磁同步电机在d-q轴坐标系下基于定子电流的理想数学模型；
根据所述理想数学模型，获取基于转子电角速度的参考模型和基于转子电角速度的可调模型；
结合波波夫超稳定性理论，根据所述转子电角速度的参考模型和所述基于转子电角速度的可调模型获取转子电角速度的自适应率；
当所述转子电角速度的自适应率的计算结果收敛至稳定值时，得到转子电角速度估算值；
将所述转子电角速度估算值与PI控制器相结合，获取电压前馈补偿，以实现转子速度的高精度估算。
2.根据权利要求1所述的基于电压前馈的无传感器控制方法，其特征在于，建立表面式永磁同步电机在d-q轴坐标系下基于定子电流的理想数学模型，包括：
Figure FDA0004105885670000011
其中，ud和uq为d-q轴的定子电压；id和iq为d-q轴的定子电流；Rs为定子电阻；Ls为定子电感；ψf为转子磁链；ωe为转子电角速度。
3.根据权利要求2所述的基于电压前馈的无传感器控制方法，其特征在于，所述基于转子电角速度的参考模型包括：
Figure FDA0004105885670000012
其中，
Figure FDA0004105885670000013
i′q＝iq，/>
Figure FDA0004105885670000014
u′q＝uq。
4.根据权利要求3所述的基于电压前馈的无传感器控制方法，其特征在于，所述基于转子电角速度的可调模型包括：
Figure FDA0004105885670000021
其中，
Figure FDA0004105885670000022
和/>
Figure FDA0004105885670000023
为d-q轴的定子电流估算值；/>
Figure FDA0004105885670000024
为转子电角速度估算值。
5.根据权利要求4所述的基于电压前馈的无传感器控制方法，其特征在于，结合波波夫超稳定性理论，根据所述转子电角速度的参考模型和所述基于转子电角速度的可调模型获取转子电角速度的自适应率，包括：
Figure FDA0004105885670000025
其中，ki为转子电角速度自适应率的积分增益；kp为转子电角速度自适应率的比例增益；
当计算结果收敛至稳定值时，对应的
Figure FDA0004105885670000026
即为所述电角速度估算值。
6.根据权利要求5所述的基于电压前馈的无传感器控制方法，其特征在于，将所述转子电角速度估算值与PI控制器相结合，获取电压前馈补偿，包括：
Figure FDA0004105885670000027
其中，
Figure FDA0004105885670000028
为电压前馈补偿的d轴参考电压；/>
Figure FDA0004105885670000029
为电压前馈补偿的q轴参考电压；/>
Figure FDA00041058856700000210
为电压前馈补偿的d轴参考电流；/>
Figure FDA00041058856700000211
为电压前馈补偿的q轴参考电流；kid为电流环PI控制器d轴积分增益；kpd为电流环PI控制器d轴比例增益；kiq为电流环PI控制器q轴积分增益；kpq为电流环PI控制器q轴比例增益。
7.根据权利要求6所述的基于电压前馈的无传感器控制方法，其特征在于，还包括：
获取表面式永磁同步电机的d轴电流信号和q轴电流信号；
将所述d轴电流信号和所述电压前馈补偿的d轴参考电流作差得到第一电流差值信号；
将所述第一电流差值信号输入q轴电流环PI控制器，得到q轴电压信号；
将所述q轴电压信号和q轴电压前馈补偿信号相加，得到所述电压前馈补偿的q轴参考电压信号；
通过第二减法器将所述q轴电流信号和所述电压前馈补偿的q轴参考电流作差得到第二电流差值信号；
将所述第二电流差值信号输入d轴电流环PI控制器，得到d轴电压信号；
将所述d轴电压信号和d轴电压前馈补偿信号相加，得到所述电压前馈补偿的d轴参考电压信号；
将所述电压前馈补偿的q轴参考电压信号和所述电压前馈补偿的d轴参考电压信号输入所述表面式永磁同步电机的控制器；
和基于模型参考自适应系统的无速度传感器中；
将所述电压前馈补偿的q轴参考电压信号、所述电压前馈补偿的d轴参考电压信号、所述表面式永磁同步电机输出的d轴电流信号和q轴电流信号输入所述基于模型参考自适应系统的无速度传感器中，得到转子电角速度信号。
8.一种基于电压前馈的无传感器控制系统，运用于如权利要求1～7任一所述的基于电压前馈的无传感器控制方法，其特征在于，包括：
表面式永磁同步电机；
第一减法单元，其第一输入端与所述表面式永磁同步电机的q轴电流输出端连接；所述第一减法的单元的第二输入端用于输入q轴前馈补偿的参考电流；
第二减法单元，其第一输入端与所述表面式永磁同步电机的d轴电流输出端连接；所述第一减法的单元的第二输入端用于输入d轴前馈补偿的参考电流；
q轴电流环PI控制器单元，其输入端与所述第一减法单元的输出端连接；
d轴电流环PI控制器单元，其输入端与所述第二减法单元的输出端连接；
电压前馈补偿单元，其输入端与所述表面式永磁同步电机的d-q轴电流输出端连接；
第一加法单元，其第一输入端与所述q轴电流环PI控制器单元的输出端连接；所述第一加法单元的第二输入端与所述电压前馈补偿单元的q轴电压输出端连接；所述第一加法单元的输出端与所述表面式永磁同步电机的控制器输入端连接；
第二加法单元，其第一输入端与所述d轴电流环PI控制器单元的输出端连接；所述第二加法单元的第二输入端与所述电压前馈补偿单元的d轴电压输出端连接；所述第二加法单元的输出端与所述表面式永磁同步电机的控制器输入端连接；
基于模型参考自适应系统的无速度传感器单元，其输入端与所述所述第一加法单元的输出端、所述第二加法单元的输出端、所述表面式永磁同步电机的q轴电流输出端连接和所述表面式永磁同步电机的d轴电流输出端连接分别连接。
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