一种基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法。基于扰动观测器，用电流模型的磁链计算方法改进了电压模型法，设计了新型的磁链观测器。新型磁链观测器输入为静止坐标系下的电压uα、uβ、电流iα、iβ、永磁磁链ψf、估计位置角

A new direct torque control method for permanent magnet motor based on new flux observer

The invention discloses a permanent magnet motor direct torque control method without position based on a novel flux observer. Based on the disturbance observer, the voltage model method is improved by using the flux linkage calculation method of the current model, and a new flux observer is designed. The new flux observer is input to the static coordinate system of voltage U alpha, u beta, current I alpha, I beta, permanent magnet flux F, and estimated position angle.

【技术实现步骤摘要】
一种基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法
本专利技术涉及一种新型磁链观测器，用于提高永磁电机无位置直接转矩运行下的稳定性。适用于轨道交通、航空航天、电动汽车等需要直接转矩提供高动态响应性能，却由于位置传感器耗费成本大、安装不便，或由于可靠性差，不适合安装位置传感器的情况。也可用于其它需要高精度磁链观测值的场合。
技术介绍
永磁电机结构简单，效率高，应用范围广泛。永磁电机需要位置反馈来进行有效的控制，然而，位置传感器的安装、维护与维修都会增加成本。在一些特殊的情况下，甚至不允许安装位置传感器。因此无位置传感器控制具有十分重要的意义。直接转矩控制具有动态响应快、鲁棒性强的优点，在许多领域都有着广泛的应用。直接转矩控制需要磁链计算，然而无位置会影响磁链计算的精度，从而影响直接转矩控制的效果。因此，提高磁链计算精度与稳定性对于永磁电机无位置直接转矩控制具有重要的意义。当今科研人员研究的磁链估计方法可分为三类：1、基于电压模型的直接计算法；2、基于电流模型的直接计算法；3、观测器法。其中，电压模型法由于直流偏置容易导致积分饱和问题，电流模型法依赖电机参数容易受到干扰，传统观测器虽然精度较高稳定性好，但是存在幅值和相位的偏差。新型磁链观测器从属于观测器法，提高了磁链估计的精度和鲁棒性，同时解决了传统观测器中存在的幅值和相位偏差问题。新型磁链观测器具有精度高，响应快，参数灵活，抗干扰能力强等优点，提高了无位置直接转矩控制运行的稳定性。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计新型磁链观测器准确、迅速的估计出磁链，并对高频干扰、参数变动、估计误差等有较强的抵抗能力，最终通过高精度的磁链计算出转矩，实现直接转矩控制电机可靠运行。以新型磁链观测器代替传统的磁链估计方法，从而解决了采用无位置控制带来的磁链估计不精确等问题，避免了使用位置传感器带来的问题。本专利技术采用的技术方案是：一种基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法步骤如下：步骤1，电流和电压的检测与计算：检测永磁电机的三相电流ia，ib，ic，并经过3s/2s(Clarke)变换得到两相静止坐标系下电流iα和iβ。检测直流电源电压与三相占空比，经3s/2s(Clarke)变换得两相静止坐标系下电压uα和uβ。步骤2，反电势的观测：取步骤1中得到的电流iα、iβ与电压uα、uβ，由扰动观测器估计出静止坐标系下的反电势步骤3，估计位置与转速的计算：将两相反电势送入锁相环模块求解出估计转速并输出估计位置步骤4，估计磁链与转矩的计算：取用于坐标变换，得到两相静止坐标系下的永磁磁链分量ψfα、ψfβ，将uα、uβ、iα、iβ与ψfα、ψfβ送入新型磁链观测器，得到静止坐标系下的两相磁链并计算出估计转矩的大小。步骤5，电机无位置直接转矩控制下调速运行：参考转速与估计转速做差，经PI控制器得到转矩Te参考值。Te参考值与反馈值做差，经过PI控制器输出负载角的变化dδ，计算出两相静止坐标系下的参考电压uα*，uβ*，最终输出SVPWM波驱电机动子运动。调速运行可通过改变参考转速进行电机调速。进一步，在所述步骤4中的新型磁链观测器：新型磁链观测器具有如图2所示的结构，其中，PI为比例加积分结构，L、R为电机的相电感与相电阻参数。新型磁链观测器输出与输入之间的传递函数为：其中“^”表示估计值。当G满足取kp＝ωL,ki＝ω2L，新型磁链观测器输出与输入之间的传递函数为可写作根据基于电压模型和电流模型的磁链计算公式，磁链可以分别被表示为电压模型法电流模型法因此新型磁链观测器的估计传递函数为因此，当输入量不存在误差时，新型磁链观测器可以做到无误差估计。进一步，在所述步骤4中的新型磁链观测器：实际磁链观测中，各个输入量均可能存在误差，包括电压uα、uβ、电流iα、iβ、估计位置角同时观测器中用到的电机参数也会存在误差，包括永磁磁链ψf、电机相电感L和电机相电阻R。当电压uα、uβ存在误差时，误差为Δuα、Δuβ，则存在电压误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为当G满足取kp＝ωL,ki＝ω2L，新型磁链观测器在电压误差Δuα、Δuβ下。输出与输入之间的传递函数可写作其中，ω为观测器参数，且满足ω≧0。新型磁链观测器对电压干扰具有带通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频和直流干扰的能力。同样可以推导出，当电流iα、iβ存在误差时，误差为Δiα、Δiβ，则存在电流误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为新型磁链观测器对电流干扰具有低通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频干扰的能力。当电机电感参数L存在误差时，误差为ΔL，则存在电感误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为新型磁链观测器对电感干扰具有低通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频干扰的能力。当电机电阻参数R存在误差时，误差为ΔR，则存在电阻误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为新型磁链观测器对电阻干扰具有带通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频和直流干扰的能力。当电机永磁磁链参数ψf存在误差时，误差为Δψf，则存在永磁磁链误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为新型磁链观测器对永磁磁链干扰具有低通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频干扰的能力。当电机的估计位置存在误差时，误差为则存在估计位置误差时，新型磁链观测器的估计传递函数为新型磁链观测器对估计位置干扰具有低通滤波器的效果，具有一定抑制输入信号中高频干扰的能力。新型磁链观测器对位置估计产生的误差有抵抗作用，适合用于与无位置结合提高稳定性。本专利技术具有以下有益效果：1)本专利技术中的新型磁链观测器模块，代替了传统的磁链计算方法，提高了磁链估计的精确度与鲁棒性。解决了传统磁链计算方法对传感器测量误差导致的干扰、无位置算法导致的位置误差，以及电机参数不准确与电机参数变化带来参数误差都没有抵抗能力的问题。与无位置的直接转矩控制技术相结合，在节约位置传感器安装、维护和维修等带来的成本的同时，提高了控制系统的稳定性。2)新型磁链观测器可以在无幅值和相位损失的情况下得到估计磁链，解决了传统磁链观测器带来的问题。3)本专利技术通过反电势观测器与锁相环得到估计转速，具有高精度和高响应速度的特点，可以给直接转矩控制提供稳定的反馈转速，使得永磁电机无位置直接转矩控制更为稳定可靠。4)本专利技术以新型磁链观测器的方式估计磁链，对各种干扰都具有一定抑制作用，使得基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制具有更好的稳定性。5)本专利技术同样适用于其他旋转或直线结构的永磁型同步电机的直接转矩控制。附图说明图1为基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制原理图；图2为新型磁链观测器结构图；图3为用于观测反电势的扰动观测器结构图；图4为锁相环结构图；图5为电机变速运行时两相估计磁链波形图图6为电机变速运行时估计转速与实际转速对比图；图7为电机变速运行时转速估计误差图；图8为电机变速运行时估计位置与实际位置对比图；图9为电机变速运行时位置估计误差图；图10为电机正常运行时三种磁链计算方法的开环观测对比图；图11为电机运行时当电流传感器存在高频干扰的情况下电流模型法与新型磁链观测器法的开环观测对比图；具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的具体实施方式。步骤1：电流和电压的检测和计算检测永磁电机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，电流和电压的检测与计算：检测永磁电机的三相电流ia，ib，ic，并经过3s/2s Clarke变换得到两相静止坐标系下电流iα和iβ，检测直流电源电压与三相占空比，经3s/2s Clarke变换得两相静止坐标系下电压uα和uβ；步骤2，反电势的观测：取步骤1中得到的两相静止坐标系下电流iα、iβ与两相静止坐标系下电压uα、uβ，由扰动观测器估计出静止坐标系下的反电势

【技术特征摘要】
1.一种基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，电流和电压的检测与计算：检测永磁电机的三相电流ia，ib，ic，并经过3s/2sClarke变换得到两相静止坐标系下电流iα和iβ，检测直流电源电压与三相占空比，经3s/2sClarke变换得两相静止坐标系下电压uα和uβ；步骤2，反电势的观测：取步骤1中得到的两相静止坐标系下电流iα、iβ与两相静止坐标系下电压uα、uβ，由扰动观测器估计出静止坐标系下的反电势步骤3，估计位置与转速的计算：将两相反电势送入锁相环模块求解出估计转速并输出估计位置步骤4，估计磁链与转矩的计算：取用于坐标变换，得到两相静止坐标系下的永磁磁链分量ψfα、ψfβ，将uα、uβ、iα、iβ与ψfα、ψfβ送入新型磁链观测器，得到静止坐标系下的两相磁链并计算出估计转矩的大小；步骤5，电机无位置传感器控制下调速运行：参考转速与估计转速做差，经PI控制器得到转矩Te参考值，Te参考值与反馈值做差，经过PI控制器输出负载角的变化dδ，计算出两相静止坐标系下的参考电压uα*，uβ*，最终输出SVPWM波驱电机动子运动，调速运行可通过改变参考转速进行电机调速。2.根据权利要求1所述的基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法，其特征在于，所述步骤1中，两相静止坐标系下电流iα和iβ和两相静止坐标系下电压uα和uβ分别为：其中Sa，Sb，Sc为控制器输出的占空比，Udc为直流母线电压值。3.根据权利要求1所述的基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法，其特征在于，所述步骤2中，定义“xαβ”中的下标“αβ”表示“x”由α和β轴两部分构成，以电压uαβ、电流iαβ为输入，反电势eαβ为扰动，应用到扰动观测器中，将扰动估计量即êαβ输出，G0为比例积分结构，定义为其中，L、R为电机的相电感与相电阻参数，其中k0p为比例积分结构G0的比例系数，k0i为比例积分结构的积分系数，反电势观测器的传递函数为将比例积分代入可得4.根据权利要求1所述的基于新型磁链观测器的永磁电机无位置直接转矩控制方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文祥，杨安晨，矫帅，沈跃，朱纪洪，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32