寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)永磁同步電機(jī)的無位置傳感器控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開了寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)永磁同步電機(jī)的無位置傳感器控制方法，屬于永磁同 步電機(jī)控制的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中一般需要機(jī)械式位置傳感器（如光電碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓 器）來檢測轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。但是，機(jī)械式傳感器的存在增加了系統(tǒng)成本，增大了系統(tǒng)體 積，同時由于機(jī)械式傳感器連線較多，進(jìn)一步增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，從而降低系統(tǒng)的可靠性， 帶來安裝方面的困難。更為突出的是，機(jī)械式傳感器易受工作環(huán)境的影響，嚴(yán)重限制了永磁 同步電機(jī)在某些環(huán)境惡劣的特殊場合的使用。因此，永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制有著 重要研究意義。
[0003] 文獻(xiàn)《永磁同步電機(jī)無位置傳感器混合控制策略》（王高林、張國強(qiáng)等.中國電機(jī) 工程學(xué)報，2012, 34(24))。高頻信號注入法由于其估算轉(zhuǎn)速較快、精度較高等優(yōu)點(diǎn)廣泛用 于低速無位置控制。但是當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于高速區(qū)時，反電動勢過大，電壓方程中的旋轉(zhuǎn)分量不 可忽略使得高頻信號注入法估算位置的精度降低，穩(wěn)定性變差。因而，高頻信號注入法僅適 合于低速范圍無位置傳感器控制。而反電勢法具有計(jì)算量小，實(shí)現(xiàn)簡單，且高速時反電勢較 大，易于檢測等優(yōu)點(diǎn)。因此，中高速時普遍采用反電勢直接計(jì)算法。將上述分別適用于零速 和低速、中高速的兩類方法相結(jié)合，構(gòu)成復(fù)合控制方法，為寬轉(zhuǎn)速范圍永磁同步電機(jī)無位置 傳感器控制提供了一種方案，也成為當(dāng)前無位置傳感器中較為活躍的研究方向。目前現(xiàn)存 的寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無傳感器控制系統(tǒng)中大都采用了復(fù)合控制方法。
[0004] 然而，轉(zhuǎn)速切換時采用轉(zhuǎn)速簡單加權(quán)平均的方式，存在轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差大，切換時轉(zhuǎn) 速波動大，容易切換失敗等不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述【背景技術(shù)】的不足，提供了寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)永 磁同步電機(jī)的無位置傳感器控制方法，對復(fù)合控制轉(zhuǎn)速切換進(jìn)行改進(jìn)，引入滑模自適應(yīng)控 審IJ，根據(jù)電機(jī)電流對加權(quán)系數(shù)實(shí)時進(jìn)行修正，能有效地提高轉(zhuǎn)速估算進(jìn)度，解決了簡單加權(quán) 平均方式的轉(zhuǎn)速切換估計(jì)的轉(zhuǎn)速誤差大、切換時轉(zhuǎn)速波動大、容易切換失敗的技術(shù)問題。
[0006] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案：
[0007] 寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)永磁同步電機(jī)的無位置傳感器控制方法，包括W下步驟：
[0008] A.采集電機(jī)輸出電流并建立預(yù)估定子電流期望值的滑模觀測器；
[0009] B.根據(jù)定子電流期望值與實(shí)際值的差值、轉(zhuǎn)子角速度與轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)值修正加 權(quán)系數(shù)；
[0010] C.由所述修正加權(quán)系數(shù)、低速位置估計(jì)值、高速位置估計(jì)值確定轉(zhuǎn)子角速度和轉(zhuǎn) 子位置的估計(jì)值；
[0011] D.由轉(zhuǎn)子角速度和轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值、定子電流實(shí)際值確定定子電壓參考值，采用 空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)獲取=相逆變器驅(qū)動信號，電機(jī)在驅(qū)動信號作用下運(yùn)行；
[0012] E.重復(fù)步驟A至步驟D直至轉(zhuǎn)子角速度收斂于估計(jì)值。
[0013] 作為所述寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)永磁同步電機(jī)的無位置傳感器控制方法的進(jìn)一步優(yōu)化方 案，步驟B中修正加權(quán)系數(shù)的方法為；
[0014] B1.提取定子電流期望值與實(shí)際值在兩相靜止坐標(biāo)系下差值的符號函數(shù)： =sign(/"-/,,)、￡'/,=sign成-/;,)，/,/、與為定子電流在兩相靜止坐標(biāo)系下的估計(jì)值，i。、ip為 定子電流在兩相靜止坐標(biāo)系下的實(shí)際值；
[0015] B2.由步驟B1提取的符號函數(shù)W及前一時刻的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值0,確定修正量 A入；
[0020] 〇V、Wp汾別為轉(zhuǎn)速切換區(qū)間的上下限；
[0021] B3.再由修正量AAW及如下表達(dá)式修正加權(quán)系數(shù)入：
[0022]
[0023] 再進(jìn)一步的，所述寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)永磁同步電機(jī)的無位置傳感器控制方法中，步驟C 由所述修正加權(quán)系數(shù)、低速位置估計(jì)值、高速位置估計(jì)值確定轉(zhuǎn)子角速度和轉(zhuǎn)子位置估計(jì) 值的表達(dá)式為：
[0024] (;) = 乂卸 +(1_A)卸,，谷二 /I馬.+ (1-乂)谷"，其中，
[00巧]0為轉(zhuǎn)子角速度估計(jì)值為轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值，4、如分別為低速方法和高速 方法在切換區(qū)間獲得的轉(zhuǎn)子角速度估計(jì)值，馬、^^//分別為低速方法和高速方法在切換區(qū) 間獲得的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值。
[0026] 作為所述寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)永磁同步電機(jī)的無位置傳感器控制方法的進(jìn)一步優(yōu)化 方案，步驟C中所述低速位置估計(jì)值的獲取方法為；定子電流在估計(jì)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) 系下的q軸分量經(jīng)帶通濾波器選出交流分量，將交流分量與正弦信號相乘進(jìn)行信號調(diào) 審IJ，利用低通濾波器濾除信號調(diào)制結(jié)果中的交流成分W獲取位置估計(jì)偏差信號f(A 0);
其中，
[0027]Um和《h的分別為脈振高頻電壓信號的幅值和頻率，L和AL分別為電感值、電感 變化值，L= (L&+Lqh)/2,AL= (Ldh-Lqh)/2，L&為高頻直軸電感，Lqh為高頻交軸電感，A0 為轉(zhuǎn)子位置誤差。
[0028] 作為所述寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)永磁同步電機(jī)的無位置傳感器控制方法的進(jìn)一步優(yōu)化方 案，步驟D中由轉(zhuǎn)子角速度和轉(zhuǎn)子位置的估計(jì)值確定定子電壓參考值的方法為：
[0029] D1.依次對采集的電機(jī)輸出電流進(jìn)行Clarke變換、Park變換得到定子電流在兩相 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的估計(jì)值；
[0030] D2.對定子電流在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的估計(jì)值低通濾波W獲取定子電流在兩相旋 轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的反饋值；
[0031] D3.對定子電流在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d軸參考值與反饋值之差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)得到定 子電壓在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d軸的參考值，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直軸疊加注入脈振高頻電 壓信號并結(jié)合轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值對定子電壓在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d軸的參考值進(jìn)行Park逆 變換W獲取定子電壓在兩相靜止坐標(biāo)系下a軸的參考值；
[0032] D4.對轉(zhuǎn)子角速度的給定值與估計(jì)值之差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)得到定子電流在兩相旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)系下q軸的參考值，對定子電流在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下q軸參考值與反饋值之差進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)得到定子電壓在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下q軸的參考值，對定子電壓在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下q 軸的參考值進(jìn)行Park逆變換W獲取定子電壓在兩相靜止坐標(biāo)系0軸的參考值；
[0033] 其中，Park變換W及Park逆變換W轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值為位置參數(shù)。
[0034] 進(jìn)一步的，作為所述寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)永磁同步電機(jī)的無位置傳感器控制方法的進(jìn)一 步優(yōu)化方案，步驟A中建立的預(yù)估電機(jī)定子電流期望值的滑模觀測器為：
[003引
，其中，
[0036] 4、為定子電流在兩相靜止坐標(biāo)系下的估計(jì)值，U。、Up為定子電壓在兩相靜止 坐標(biāo)系下的實(shí)際值，為定子反電勢在兩相靜止坐標(biāo)系下的估計(jì)值，L,、氏分別為定子 電感和定子電阻。
[0037] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有W下有益效果：
[0038] (1)對低速位置、高速位置加權(quán)處理W確定轉(zhuǎn)子角速度和轉(zhuǎn)子位置的期望值，再結(jié) 合滑膜控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速逐步收斂于估計(jì)值的目標(biāo)，由定子電流估計(jì)值與實(shí)際值之差、當(dāng) 前轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值對加權(quán)系數(shù)實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整，提高了切換過程的轉(zhuǎn)速估算精度、系統(tǒng)穩(wěn)定 性和準(zhǔn)確性，減少了轉(zhuǎn)速切換過程中的轉(zhuǎn)速波動和電機(jī)抖動，使切換過程更加平滑，拓寬了 該調(diào)速方法的應(yīng)用范圍；
[003引 似在原有的永磁同步電機(jī)控制架構(gòu)下，無需增加額外的硬件設(shè)施，方便實(shí)施。
【附圖說明】
[0040] 圖1是本發(fā)明所述方法的控制框架圖；
[0041] 圖2是兩相靜止坐標(biāo)系、實(shí)際兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與估計(jì)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的 相對關(guān)系示意圖；
[0042] 圖3是脈振高頻電壓注入法位置信號提取與調(diào)制過程的原理框圖；
[0043] 圖4是加權(quán)系數(shù)修正過程的原理框圖；
[0044] 圖5是期望轉(zhuǎn)速信號合成原理框圖；
[0045] 圖6是期望位置信號合成原理框圖；
[0046] 圖7(a)是傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速切換方法在18化/min-210r/min轉(zhuǎn)速切換區(qū)間的轉(zhuǎn)速波形圖， 圖7化）是本發(fā)明控制方法在180r/min-210r/min轉(zhuǎn)速切換區(qū)間的轉(zhuǎn)速波形圖，圖7(c)是 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速切換方法在180r/min-210;r/min轉(zhuǎn)速切換區(qū)間的位置波形圖，圖7(d)是本發(fā)明控 制方法在18化/min-210r/min轉(zhuǎn)速切換區(qū)間的位置波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 下面結(jié)合附圖，W表貼式永磁同步電機(jī)為例對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0048] 本發(fā)明提供的寬轉(zhuǎn)速范圍表貼式永磁同步電機(jī)無位置復(fù)合控制的方法如圖1所 示，首先，建立如圖2所示的坐標(biāo)系關(guān)系圖，d-q為實(shí)際同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，5-;為估計(jì)轉(zhuǎn)子同 步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，a-P為實(shí)際兩相靜止坐標(biāo)系，并且定義估計(jì)位置誤差A(yù)0=9-^，0為實(shí) 際轉(zhuǎn)子位置，^為轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值，具體包括W下步驟：
[0049] 步驟1、檢測電機(jī)=相繞組A、B、C中的任意兩相電流，先進(jìn)行Clarke變換得到實(shí) 際兩相靜止a-0坐標(biāo)系下的定子電流在兩相靜止坐標(biāo)系下的實(shí)際值i。和iP，建立預(yù)估 電機(jī)定子電流期望值的滑模觀測器：
[0050]
，其中，
[0051]i、為定子電流在兩相靜止坐標(biāo)系下的估計(jì)值，
為定子電壓在 兩相靜止坐標(biāo)系下的實(shí)際值，4、為定子反電勢在兩相靜止坐標(biāo)系下的估計(jì)值，
1,、氏分別為定子電感和定子電阻，1]^ ,是磁通。
[0052] 步驟2、復(fù)合控制中加權(quán)系數(shù)修