CN117955375A - 一种无传感器控制的转子角度获取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种所述无传感器控制的转子角度获取系统，包括：角加速度判断模块、定子磁链判断模块、正交信息输入模块、磁链观测器模块、龙格伯观测器模块、经典锁相环计算模块、三阶锁相环计算模块；角加速度判断模块分别与经典锁相环计算模块及三阶锁相环计算模块相连；定子磁链判断模块分别与磁链观测器模块、龙格伯观测器模块及正交信息输入模块相连；正交信息输入模块分别与经典锁相环计算模块及三阶锁相环计算模块相连。本发明利用引入了加速度状态变量的扩张三阶锁相环处理电流和电机本体信息来估算转子位置角度与转速，与经典锁相环估算方法相比，解决了无位置传感器电机加减速控制中计算角度不够精确的问题。

Description

一种无传感器控制的转子角度获取方法及系统

技术领域

本发明设计涉及无刷电机无传感器控制技术领域，尤其涉及一种无传感器控制的转子角度获取方法及系统。

背景技术

直流无刷电机具有结构简单、运行可靠和易于维护等优点。因此，直流无刷电机常用于风机和水泵等家用电器领域。

传统的直流无刷电机无传感器控制是通过电流和电机本体信息来估算转子位置角度与转速。传统的直流无刷电机无传感器控制通过观测器给出αβ轴上的分量后，通过反正切法或经典锁相环计算出转子位置角度与转速，因为反正切法不如锁相环抗干扰性强，所以常用经典锁相环计算转子位置角度与转速。但是，传统经典锁相环是建立在角加速度为0才存在估计误差为0的情况下，当角加速度不为0时会导致转子观测角度不准确的问题。为了提高转子角度观测精度，通常采用自适应调节经典锁相环的Kp，Ki参数。但是自适应调节经典锁相环的Kp，Ki参数仍然只是根据角频率的变化估算转子位置角度与转速，未解决角加速度不为0时转子角度计算不够精确的问题。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种无传感器控制的转子角度获取方法及系统，以解决现有技术中角加速度不为0时转子角度计算不够精确的技术问题。

本发明提供了一种无传感器控制的转子角度获取方法，包括如下步骤：

步骤1：获取当前角加速度、角速度、定子磁链；

步骤2：设定角加速度比较值、磁链比较值；

步骤3：根据角加速度与角加速度比较值确定锁相环以及锁相环的状态变量；

其中，当角加速度小于角加速度比较值时，选择经典锁相环计算转子角度，使用角度和角速度作为经典锁相环的状态变量；

当角加速度大于等于角加速度比较值时，选择三阶锁相环计算转子角度，使用角度、角速度、角加速度作为三阶锁相环的状态变量；

步骤4：根据定子磁链与磁链比较值确定观测器；

其中，当定子磁链小于磁链比较值时，使用磁链观测器来获取αβ轴上的转子磁链分量，将磁链分量作为所述步骤3中所选择的锁相环的输入量；

当定子磁链大于等于磁链比较值时，使用龙伯格观测器来获取αβ轴上的拓展反电动势分量将拓展反电动势分离作为所述步骤3中所选择的锁相环的输入量；

步骤5：根据通过选择的锁相环计算转子角度。

进一步地，所述步骤2中角加速度比较值的具体设定公式为：

式中，P为永磁同步电机极对数，B_s为速度环的带宽，B_c为电流环的带宽。

进一步地，所述步骤2中磁链比较值的具体设定公式为：

式中，C为计算时标幺的精度。

进一步地，所述步骤3中，三阶锁相环的三阶方程为：

三阶锁相环的闭环传递函数为：

三阶锁相环的开环传递函数为：

三阶锁相环的环路滤波器为：

式中，x₁、x₂、x₃表示状态变量，x₁对应转子位置，x₂对应角速度，x₃对应角加速度；K_P，K_I，K_II表示可调增益，K_P＝3c，K_I＝3c²，K_II＝c³，c为极点配置系数，满足极点配置在复平面左半部分；ε为角度估计误差；符号“^”表示该变量估计值；ψ_f为永磁体磁链。

进一步地，所述步骤4中获取转子磁链分量的具体公式为：

所述步骤4中获取拓展反电动势的具体公式为：

式中，i_α、i_β为三相电流经过Park坐标变换后的α-β坐标系下电流；E_α、E_β为反电动势；R为电机电阻值；L为电机电感量；T为采样时间；K₁、K₂为龙伯格观测器系数；符号“^”表示该变量估计值；ω_e是电机转子电角速度。

本发明还提供了一种无传感器控制的转子角度获取系统，包括：角加速度判断模块、定子磁链判断模块、正交信息输入模块、磁链观测器模块、龙格伯观测器模块、经典锁相环计算模块、三阶锁相环计算模块；

角加速度判断模块分别与经典锁相环计算模块及三阶锁相环计算模块相连，角加速度判断模块用于根据角加速度选择锁相环类型；

定子磁链判断模块分别与磁链观测器模块、龙格伯观测器模块及正交信息输入模块相连，定子磁链判断模块用于根据定子磁链大小选择使用磁链观测器模块或龙格伯观测器模块将正交信息输入给正交信息输入模块；

正交信息输入模块分别与经典锁相环计算模块及三阶锁相环计算模块相连，正交信息输入模块用于将正交信息输入给经典锁相环计算模块或三阶锁相环计算模块进行转子角度计算。

本发明的有益效果：

1、本发明利用引入了加速度状态变量的扩张三阶锁相环处理电流和电机本体信息来估算转子位置角度与转速，与经典锁相环估算方法相比，解决了无位置传感器电机加减速控制中计算角度不够精确的问题。

2、本发明利用角加速度模块对角加速度大小进行判断选择使用经典锁相环或三阶锁相环处理电流和电机本体信息来估算转子位置角度与转速，利用定子磁链模块对定子磁链大小进行判断选择使用磁链观测器或龙伯格观测器来获取包含转子位置角度与转速的正交信息，既解决了无位置传感器电机加减速控制中计算角度不够精确的问题，又提高了计算效率。

3、本发明利用无传感器直流无刷电机的电流和电机本体信息来估算转子位置角度与转速，与位置传感器检测方法相比，不仅减小了电机体型，还降低了检测成本。

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为本发明具体实施例的系统框架图；

图2为本发明具体实施中磁链观测器加经典锁相环方法的系统框图；

图3为本发明具体实施中磁链观测器加三阶锁相环方法的系统框图；

图4为本发明具体实施中龙格伯观测器加经典锁相环方法的系统框图；

图5为本发明具体实施中龙格伯观测器加三阶锁相环方法的系统框图。

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。

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。本领域的技术人员应该了解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明提供了一种无传感器控制的转子角度获取方法，包括如下步骤：

步骤1：获取当前角加速度、角速度、定子磁链；

步骤2：设定角加速度比较值、磁链比较值；

角加速度比较值的具体设定公式为：

式中，P为永磁同步电机极对数，B_s为速度环的带宽，B_c为电流环的带宽；

根据公式(1)确定角加速度比价值a₀，角加速度比价值在速度环中计算，速度环的带宽不大于电流环的带宽，公式(1)表示在实际计算中，能够准确计算的最小加速度。

磁链比较值的具体设定公式为：

式中，C为计算时标幺的精度。

根据公式(2)确定定子磁链比较值ψ₀，如果计算采用的精度是12位，又称Q12标幺，则能识别到的最小磁链精度是1÷4096＝0.0002Wb，选取最小磁链精度的100倍作为磁链比较值，保证磁链计算精度。

步骤3：根据角加速度与角加速度比较值确定锁相环以及锁相环的状态变量；

其中，当角加速度小于角加速度比较值时，选择经典锁相环计算转子角度，使用角度和角速度作为经典锁相环的状态变量；

当角加速度大于等于角加速度比较值时，选择三阶锁相环计算转子角度，使用角度、角速度、角加速度作为三阶锁相环的状态变量；

三阶锁相环具体为：

在与经典锁相环相等价的高增益观测器中，可扩展出新的状态变量x₃(物理意义为角加速度)。通过增加方程阶数，以使动态过程中的理论跟踪误差为0，按照该方法构造的三阶高增益观测器为：

高增益观测器所对应的数学模型的状态方程表示为：

式中，x₃表示新的状态变量；K_P，K_I，K_II表示可调增益，且均大于0，根据零极点配置法，将观测器的三个极点都配置在复平面左半部分，则参数可取K_P＝3c，K_I＝3c²，K_II＝c³，ω_e表示电机转速，a_e表示角加速度，对应式(3)中的扩展状态变量x₃；p(t)为角加速度的一阶微分；

将上述三阶高增益观测器等价转化为三阶方程形式，可得：

将该方程转化为带单位负反馈的闭环传递函数，可得：

其开环传递函数表示为：

由公式(5)可得三阶锁相器的环路滤波器的数学表达式表示为：

然后通过环路滤波器部分的PI参数调节，通过公式(6)使估计误差ε接近0，PI环节输出为转速估计值

步骤4：根据定子磁链与磁链比较值确定观测器；

其中，当定子磁链小于磁链比较值时，使用磁链观测器来获取αβ轴上的转子磁链分量，将磁链分量作为所述步骤3中所选择的锁相环的输入量；

当定子磁链大于等于磁链比较值时，使用龙伯格观测器来获取αβ轴上的拓展反电动势分量将拓展反电动势分离作为所述步骤3中所选择的锁相环的输入量；

步骤5：根据通过选择的锁相环计算转子角度。

如图2所示，此时角加速度小于角加速度比较值，定子磁链小于磁链比较值，选择磁链观测器获取表贴式无传感器直流电机的转子磁链αβ分量，选择经典锁相环计算转子角度，使用角度和角速度作为经典锁相环的状态变量。

先通过公式(7)获取αβ两个轴上的总磁链分量ψ_α、ψ_β；

再通过公式(8)用αβ两个轴上的总磁链分量ψ_α、ψ_β减去定子部分磁链得到电机转子磁链的αβ分量ψ_αr、ψ_βr；

经过经典锁相环的鉴相器部分计算转子磁链估计误差ε，然后通过环路滤波器部分的PI参数调节，使估计误差ε接近0，PI环节输出为转速估计值将经典锁相环进行单位化处理，使传递函数中不再包含磁链项，经单位化处理后的锁相环的闭环传递函数可表示为：

式中，K_P与K_I分别为PI参数，可通过零极点配置方法获取。

通过零极点配置方法，PI环节的参数可取K_P＝2c，K_I＝c²；经典锁相环的环路滤波器数学表达式可表示为：

最后通过压控振荡器环节对进行积分，从而可获取转子位置估计值

如图3所示，此时角加速度大于等于角加速度比较值，定子磁链小于磁链比较值，选择磁链观测器获取表贴式无传感器直流电机的转子磁链αβ分量，选择三阶锁相环计算转子角度，使用角度、角速度、角加速度作为三阶锁相环的状态变量。

先通过公式(7)获取αβ两个轴上的总磁链分量ψ_α、ψ_β；

再通过公式(8)用αβ两个轴上的总磁链分量ψ_α、ψ_β减去定子部分磁链得到电机转子磁链的αβ分量ψ_αr、ψ_βr；

经过三相锁相环的鉴相器计算转子磁链估计误差ε，然后通过环路滤波器部分的PI参数调节，使估计误差ε接近0，PI环节输出为转速估计值将三相锁相环进行单位化处理，使传递函数中不再包含磁链项，经单位化处理后的锁相环的闭环传递函数如公式(4)、开环传递函数如公式(5)：

通过零极点配置方法，PI环节的参数可取K_P＝3c，K_I＝3c²，K_II＝c³；三阶锁相环的环路滤波器数学表达如公式(6)；

最后通过压控振荡器环节对进行积分，从而可获取转子位置估计值

如图4所示，此时角加速度小于角加速度比较值，定子磁链大于等于磁链比较值，选择龙格伯观测器获取表贴式无传感器直流电机的转子磁链αβ分量，选择经典锁相环计算转子角度，使用角度和角速度作为经典锁相环的状态变量。

先通过公式(11)获取αβ两个轴上拓展反电动势

式中，i_α、i_β为三相电流经过Park坐标变换后的α-β坐标系下电流；E_α、E_β为反电动势；R为电机电阻值；L为电机电感量；T为采样时间；K₁、K₂为龙伯格观测器系数；符号“^”表示该变量估计值；ω_e是电机转子电角速度。

再对拓展反电动势进行积分处理获取表贴式无传感器直流电机的转子磁链αβ分量ψ_αr、ψ_βr；

经过经典锁相环的鉴相器部分计算转子磁链估计误差ε，然后通过环路滤波器部分的PI参数调节，使估计误差ε接近0，PI环节输出为转速估计值将经典锁相环进行单位化处理，使传递函数中不再包含磁链项，经单位化处理后的锁相环的闭环传递函数如公式(9)；

通过零极点配置方法，PI环节的参数可取K_P＝2c，K_I＝c²；经典锁相环的环路滤波器数学表达式如公式(10)；

最后通过压控振荡器环节对进行积分，从而可获取转子位置估计值

如图5所示，此时角加速度大于等于角加速度比较值，定子磁链大于等于磁链比较值，选择龙格伯观测器获取表贴式无传感器直流电机的转子磁链αβ分量，选择三阶锁相环计算转子角度，使用角度、角速度、角加速度作为三阶锁相环的状态变量。

先通过公式(11)获取αβ两个轴上拓展反电动势

再对拓展反电动势进行积分处理获取表贴式无传感器直流电机的转子磁链αβ分量ψ_αr、ψ_βr；

经过三相锁相环的鉴相器计算转子磁链估计误差ε，然后通过环路滤波器部分的PI参数调节，使估计误差ε接近0，PI环节输出为转速估计值将三相锁相环进行单位化处理，使传递函数中不再包含磁链项，经单位化处理后的锁相环的闭环传递函数如公式(4)、开环传递函数如公式(5)：

通过零极点配置方法，PI环节的参数可取K_P＝3c，K_I＝3c²，K_II＝c³；三阶锁相环的环路滤波器数学表达如公式(6)；

最后通过压控振荡器环节对进行积分，从而可获取转子位置估计值

如图1所示，本发明还提供了一种无传感器控制的转子角度获取系统，包括：角加速度判断模块、定子磁链判断模块、正交信息输入模块、磁链观测器模块、龙格伯观测器模块、经典锁相环计算模块、三阶锁相环计算模块；

角加速度判断模块分别与经典锁相环计算模块及三阶锁相环计算模块相连，角加速度判断模块用于根据角加速度选择锁相环类型；

定子磁链判断模块分别与磁链观测器模块、龙格伯观测器模块及正交信息输入模块相连，定子磁链判断模块用于根据定子磁链大小选择使用磁链观测器模块或龙格伯观测器模块将正交信息输入给正交信息输入模块；

正交信息输入模块分别与经典锁相环计算模块及三阶锁相环计算模块相连，正交信息输入模块用于将正交信息输入给经典锁相环计算模块或三阶锁相环计算模块进行转子角度计算。

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 (6)

1.一种无传感器控制的转子角度获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获取当前角加速度、角速度、定子磁链；

步骤2：设定角加速度比较值、磁链比较值；

步骤3：根据角加速度与角加速度比较值确定锁相环以及锁相环的状态变量；

其中，当角加速度小于角加速度比较值时，选择经典锁相环计算转子角度，使用角度和角速度作为经典锁相环的状态变量；

当角加速度大于等于角加速度比较值时，选择三阶锁相环计算转子角度，使用角度、角速度、角加速度作为三阶锁相环的状态变量；

步骤4：根据定子磁链与磁链比较值确定观测器；

其中，当定子磁链小于磁链比较值时，使用磁链观测器来获取αβ轴上的转子磁链分量，将磁链分量作为所述步骤3中所选择的锁相环的输入量；

当定子磁链大于等于磁链比较值时，使用龙伯格观测器来获取αβ轴上的拓展反电动势分量将拓展反电动势分离作为所述步骤3中所选择的锁相环的输入量；

步骤5：根据通过选择的锁相环计算转子角度。

2.如权利要求1所述的无传感器控制的转子角度获取方法，其特征在于，所述步骤2中角加速度比较值的具体设定公式为：

式中，P为永磁同步电机极对数，B_s为速度环的带宽，B_c为电流环的带宽。

3.如权利要求1所述的无传感器控制的转子角度获取方法，其特征在于，所述步骤2中磁链比较值的具体设定公式为：

式中，C为计算时标幺的精度。

4.如权利要求1所述的无传感器控制的转子角度获取方法，其特征在于，所述步骤3中，三阶锁相环的三阶方程为：

三阶锁相环的闭环传递函数为：

三阶锁相环的开环传递函数为：

三阶锁相环的环路滤波器为：

式中，x₁、x₂、x₃表示状态变量，x₁对应转子位置，x₂对应角速度，x₃对应角加速度；K_P，K_I，K_II表示可调增益，K_P＝3c，K_I＝3c²，K_II＝c³，c为极点配置系数，满足极点配置在复平面左半部分；ε为角度估计误差；符号表示该变量估计值；ψ_f为永磁体磁链。

5.如权利要求1所述的无传感器控制的转子角度获取方法，其特征在于，所述步骤4中获取转子磁链分量的具体公式为：

所述步骤4中获取拓展反电动势的具体公式为：

式中，i_α、i_β为三相电流经过Park坐标变换后的α-β坐标系下电流；E_α、E_β为反电动势；R为电机电阻值；L为电机电感量；T为采样时间；K₁、K₂为龙伯格观测器系数；符号表示该变量估计值；ω_e是电机转子电角速度。

6.一种无传感器控制的转子角度获取系统，承载如权利要求1-5中任一所述的无传感器控制的转子角度获取方法，其特征在于，所述无传感器控制的转子角度获取系统，包括：角加速度判断模块、定子磁链判断模块、正交信息输入模块、磁链观测器模块、龙格伯观测器模块、经典锁相环计算模块、三阶锁相环计算模块；

角加速度判断模块分别与经典锁相环计算模块及三阶锁相环计算模块相连，角加速度判断模块用于根据角加速度选择锁相环类型；

定子磁链判断模块分别与磁链观测器模块、龙格伯观测器模块及正交信息输入模块相连，定子磁链判断模块用于根据定子磁链大小选择使用磁链观测器模块或龙格伯观测器模块将正交信息输入给正交信息输入模块；

正交信息输入模块分别与经典锁相环计算模块及三阶锁相环计算模块相连，正交信息输入模块用于将正交信息输入给经典锁相环计算模块或三阶锁相环计算模块进行转子角度计算。