一种无速度传感器的内插式永磁同步电机无源控制方法技术

本发明专利技术涉及一种无速度传感器的内插式永磁同步电机无源控制方法，设定期望的电机转速，建立非奇异高阶终端滑模观测器估算出电机转速估计值和电机转子角位移估计值，求得期望的电机转速和电机转速估计值的差值，进行PI调节，求得期望的电磁转矩，经过最优转矩控制得到期望的d轴电流分量和期望的q轴电流分量，建立基于端口受控哈密顿系统模型的内插式永磁同步电机的无源控制器，求得d轴电压分量和q轴电压分量，将d轴电压分量和q轴电压分量进行park-1变换，得到α轴电压分量和参考的β轴电压分量，α轴电压分量和参考的β轴电压分量经过电压空间矢量脉宽调制，得到六路驱动脉冲信号。该控制方法可使整个系统具有良好的稳态精度和动态性能。

【技术实现步骤摘要】
一种无速度传感器的内插式永磁同步电机无源控制方法
本专利技术属于电机控制
，具体涉及一种无速度传感器的内插式永磁同步电机无源控制方法。
技术介绍
内插式永磁同步电动机以其高功率密度、运行效率高及结构可靠等优点，在工矿等企业得到了广泛的应用。但其受电机参数变化、负载扰动、对象未建模等不确定性的影响，以及目前使用的机械速度传感器增加了成本，降低了系统可靠性，要实现内插式永磁同步电动机高性能调速就需要在准确获取转子位置和转速信息基础上进行先进的控制方法设计。近年来，对于面贴式永磁同步电机常基于滑模观测器估算出反电动势以获取转子位置信息和速度信息，因为转子位置信息包含在这些物理量里。但这种方式不适合直接应用于内插式永磁同步电机，因其转子位置信息不仅包含在反电动势中也和其交、直轴电感有关。由于内插式永磁同步电动机是一种非线性的机电能量转换装置，近年来一种新型系统控制的互联与能量成形方法尤其受到高度重视。
技术实现思路
本专利技术的技术方案是：一种无速度传感器的内插式永磁同步电机无源控制方法，包括以下步骤：步骤1：在内插式永磁同步电机运行过程中，实时采集A相输出电压、C相输出电压、A相输出电流和B相输出电流，并设定内插式永磁同步电机期望的电机转速；步骤2：将A相输出电流和B相输出电流进行Clark变换，得到内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的α轴电流分量和β轴电流分量，将A相输出电压和C相输出电压进行Clark变换，得到内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的α轴电压分量和β轴电压分量；步骤3：建立用于估计内插式永磁同步电机的电机转速和电机转子位移的非奇异高阶终端滑模观测器，该非奇异高阶终端滑模观测器的输入为α-β静止坐标系下的α轴电流分量和β轴电流分量、α-β静止坐标系下的α轴电压分量和β轴电压分量，输出为电机转速估计值和电机转子角位移估计值；步骤4：求得内插式永磁同步电机期望的电机转速和电机转速估计值的差值，即内插式永磁同步电机的转速差值；步骤5：将内插式永磁同步电机的转速差值作为PI调节器的输入，求得内插式永磁同步电机期望的电磁转矩；步骤6：利用内插式永磁同步电机期望的电磁转矩，建立以内插式永磁同步电机的两相同步旋转坐标系d-q下的d轴电流分量和q轴电流分量满足电磁转矩方程的条件极值为目标的拉格朗日方程，进而求得内插式永磁同步电机的两相同步旋转坐标系d-q下期望的d轴电流分量和期望的q轴电流分量，完成最优转矩控制；步骤7：利用电机转子角位移估计值，将内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的α轴电流分量和β轴电流分量进行park变换，得到内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d-q下反馈的d轴电流分量和反馈的q轴电流分量；步骤8：建立基于端口受控哈密顿系统模型的内插式永磁同步电机的无源控制器：将内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d-q下期望的d轴电流分量和期望的q轴电流分量、期望的电机转速、电机转速估计值、内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d-q下反馈的d轴电流分量和反馈的q轴电流分量作为内插式永磁同步电机的无源控制器的输入，内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d-q下的d轴电压分量和q轴电压分量作为内插式永磁同步电机的无源控制器的输出；步骤9：利用电机转子角位移估计值，将内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d-q下的d轴电压分量和q轴电压分量进行park-1变换，得到内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下参考的α轴电压分量和参考的β轴电压分量；步骤10：将内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的参考的α轴电压分量和参考的β轴电压分量经过电压空间矢量脉宽调制，得到六路驱动脉冲信号；步骤11：根据脉冲信号决定逆变器开关的开通与关断，将内插式永磁同步电机的直流母线电压逆变为内插式永磁同步电机的三相交流电压，作为内插式永磁同步电机三相定子绕组的输入电压，并返回步骤1。本专利技术的有益效果是：本专利技术利用非奇异终端滑模观测器来估计内插式永磁同步电动机的转子角位移和速度信息反馈到系统输入端，在内插式永磁同步电机的端口受控哈密顿系统的模型基础上，设计无源控制器得到d轴电压分量和q轴电压分量。非奇异终端滑模观测器可抑制滑模固有的抖振现象，提高转子角位移与速度的估算精度，无源控制器结构简单、直观、计算量小、便于实现，控制方法可使整个系统具有良好的稳态精度和动态性能。附图说明图1为本专利技术具体实施方式的一种无速度传感器的内插式永磁同步电机无源控制方法的流程图；图2为本专利技术具体实施方式的一种无速度传感器的内插式永磁同步电机无源控制方法原理图；图3为本专利技术具体实施方式的非奇异高阶终端滑模观测器的原理图；图4为本专利技术具体实施方式的内插式永磁同步电机的实际的电机转速和估计的电机转速的响应曲线；图5为本专利技术具体实施方式的内插式永磁同步电机的转速差值的响应曲线；图6为本专利技术具体实施方式的内插式永磁同步电机的实际的电机转子角位移和估计的电机转子角位移的响应曲线；图7本专利技术具体实施方式的内插式永磁同步电机的实际的α轴电流分量、实际的β轴电流分量、α轴电流分量估计值和β轴电流分量估计值的响应曲线；图8为本专利技术具体实施方式的内插式永磁同步电机的期望的电机转速升速时对应的实际的电机转速和电机转速估计值的响应曲线；图9为本专利技术具体实施方式的内插式永磁同步电机的期望的电机转速升速时对应的扩展反电动势的响应曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术具体实施方式加以详细的说明。一种无速度传感器的内插式永磁同步电机无源控制方法，原理如图2所示，该方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：步骤1：在内插式永磁同步电机运行过程中，实时采集A相输出电压、C相输出电压、A相输出电流和B相输出电流，并设定内插式永磁同步电机期望的电机转速步骤2：将A相输出电流和B相输出电流进行Clark变换，得到内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的α轴电流分量iα和β轴电流分量iβ，将A相输出电压和C相输出电压进行Clark变换，得到内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的α轴电压分量uα和β轴电压分量uβ。将A相输出电流和B相输出电流进行Clark变换的公式如下：其中，iα为内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的α轴电流分量；iβ为内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的β轴电流分量；iA为内插式永磁同步电机的A相输出电流；iB为内插式永磁同步电机的B相输出电流。将A相输出电压和C相输出电压进行Clark变换的公式如下：其中，uα为内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的α轴电压分量；uβ为内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的β轴电压分量；uA为内插式永磁同步电机的A相输出电压；uC为内插式永磁同步电机的C相输出电压。步骤3：建立用于估计内插式永磁同步电机的电机转速和电机转子位移的非奇异高阶终端滑模观测器，该非奇异高阶终端滑模观测器的输入为α-β静止坐标系下的α轴电流分量iα和β轴电流分量iβ、α-β静止坐标系下的α轴电压分量uα和β轴电压分量uβ，输出为电子转速估计值和电机转子角位移本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无速度传感器的内插式永磁同步电机无源控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在内插式永磁同步电机运行过程中，实时采集A相输出电压、C相输出电压、A相输出电流和B相输出电流，并设定内插式永磁同步电机期望的电机转速；步骤2：将A相输出电流和B相输出电流进行Clark变换，得到内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下的α轴电流分量和β轴电流分量，将A相输出电压和C相输出电压进行Clark变换，得到内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下的α轴电压分量和β轴电压分量；步骤3：建立用于估计内插式永磁同步电机的电机转速和电机转子位移的非奇异高阶终端滑模观测器，该非奇异高阶终端滑模观测器的输入为α‑β静止坐标系下的α轴电流分量和β轴电流分量、α‑β静止坐标系下的α轴电压分量和β轴电压分量，输出为电机转速估计值和电机转子角位移估计值；步骤4：求得内插式永磁同步电机期望的电机转速和电机转速估计值的差值，即内插式永磁同步电机的转速差值；步骤5：将内插式永磁同步电机的转速差值作为PI调节器的输入，求得内插式永磁同步电机期望的电磁转矩；步骤6：利用内插式永磁同步电机期望的电磁转矩，建立以内插式永磁同步电机的两相同步旋转坐标系d‑q下的d轴电流分量和q轴电流分量满足电磁转矩方程的条件极值为目标的拉格朗日方程，进而求得内插式永磁同步电机的两相同步旋转坐标系d‑q下期望的d轴电流分量和期望的q轴电流分量，完成最优转矩控制；步骤7：利用电机转子角位移估计值，将内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下的α轴电流分量和β轴电流分量进行park变换，得到内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d‑q下反馈的d轴电流分量和反馈的q轴电流分量；步骤8：建立基于端口受控哈密顿系统模型的内插式永磁同步电机的无源控制器：将内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d‑q下期望的d轴电流分量和期望的q轴电流分量、期望的电机转速、电机转速估计值、内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d‑q下反馈的d轴电流分量和反馈的q轴电流分量作为内插式永磁同步电机的无源控制器的输入，内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d‑q下的d轴电压分量和q轴电压分量作为内插式永磁同步电机的无源控制器的输出；步骤9：利用电机转子角位移估计值，将内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d‑q下的d轴电压分量和q轴电压分量进行park‑1变换，得到内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下参考的α轴电压分量和参考的β轴电压分量；步骤10：将内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下的参考的α轴电压分量和参考的β轴电压分量经过电压空间矢量脉宽调制，得到六路驱动脉冲信号；步骤11：根据脉冲信号决定逆变器开关的开通与关断，将内插式永磁同步电机的直流母线电压逆变为内插式永磁同步电机的三相交流电压,作为内插式永磁同步电机三相定子绕组的输入电压，并返回步骤1。...

【技术特征摘要】
1.一种无速度传感器的内插式永磁同步电机无源控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在内插式永磁同步电机运行过程中，实时采集A相输出电压、C相输出电压、A相输出电流和B相输出电流，并设定内插式永磁同步电机期望的电机转速；步骤2：将A相输出电流和B相输出电流进行Clark变换，得到内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的α轴电流分量和β轴电流分量，将A相输出电压和C相输出电压进行Clark变换，得到内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的α轴电压分量和β轴电压分量；步骤3：建立用于估计内插式永磁同步电机的电机转速和电机转子位移的非奇异高阶终端滑模观测器，该非奇异高阶终端滑模观测器的输入为α-β静止坐标系下的α轴电流分量和β轴电流分量、α-β静止坐标系下的α轴电压分量和β轴电压分量，输出为电机转速估计值和电机转子角位移估计值；步骤3.1：根据内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下电流的状态方程构建滑模观测器；所述内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下电流的状态方程形式如下所示：其中，iα为内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的α轴电流分量；iβ为内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的β轴电流分量；uα为内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的α轴电压分量；uβ为内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的β轴电压分量；Ld为内插式永磁同步电机d轴的电感分量；Lq为内插式永磁同步电机q轴的电感分量；rs为内插式永磁同步电机的定子电阻；ωr为内插式永磁同步电机转子电角速度；D′为微分算子；KE为反电动势常数；θe为d轴与α轴的空间位置角；eλα、eλβ为内插式永磁同步电机的扩展反电动势在α的分量和β轴的分量；所述根据内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下电流的状态方程形式，构建的滑模观测器如下所示：其中，为内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的α轴电流分量估计值；为内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的β轴电流分量估计值；vα为滑模观测器控制律在α轴的分量；vβ为滑模观测器控制律在β轴的分量；步骤3.2：根据内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下电流的状态方程和构建的滑模观测器方程，得到内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下电流估计误差的状态方程；所述根据内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下电流的状态方程和构建的滑模观测器方程，得到内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下电流估计误差的状态方程如下所示：其中：内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下α轴电流分量估计误差；为内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下β轴电流分量估计误差；步骤3.3：利用内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下α轴电流估计误差和β轴电流估计误差建立非奇异高阶终端滑模面S，在有限时间内，使内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下α轴电流分量估计值β轴电流分量估计值趋近于检测的内插式永磁同步电机在α-β静止坐标系下的α轴电流分量iα、β轴电流分量iβ；所述建立的非奇异高阶终端滑模面S如下所示：其中：Sα为α相非奇异高阶终端滑模面；Sβ为β相非奇异高阶终端滑模面；γα、γβ为常数；γα＞0，γβ＞0；为α轴电流分量估计误差导数的p/q；为β轴电流分量估计误差导数的p/q；p，q为奇数，1＜p/q＜2；步骤3.4：利用滑模观测器控制律得到内插式永磁同步电机的扩展反电动势值eλ；所述内插式永磁同步电机的扩展反电动势值eλ如下所示：eλ＝-v；其中，滑模观测器控制律：v＝-Ldveq+vm；sgnS＝[sgnSαsgnSβ]T；κ，η，μ为设计参数；步骤3.5：利用锁相环跟踪算法得到的电机转速估计值和电机转子角位移估计值对进行PI调节，利用非奇异高阶终端滑模观测器估算出电机转速估计值再对电机转速的估计值进行积分调节得到电机转子角位移估计值形成对电机转子角位移的锁相环结构；步骤4：求得内插式永磁同步电机期望的电机转速和电机转速估计值的差值，即内插式永磁同步电机的转速差值；步骤5：将内插式永磁同步电机的转速差值作为PI调节器的输入，求得内插式永磁同步电机期望的电磁转矩；步骤6：利用内插式永磁同步电机期望的电磁转矩，建立以内插式永磁同步电机的两相同步旋转坐标系d-q下的d轴电流分量和q轴电流分量满足电磁转矩方程的条件极值为目标的拉格朗日方程，进而求得内插式永磁同步电机的两相同步旋转坐标系d-q下期望的d轴电流分量和期望的q轴电流分量，完成最优转矩控制；所述电磁转矩方程如下所示：Te＝pn[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]；其中，Te为内插式永磁同步电机的电磁转矩；ψf为内插式永磁同步电机的转子磁链；pn为内插式永磁同步电机的电机极对数；id为内插式永磁同步电机的两相同步旋转坐标系d-q下的...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯利民，赵金鹏，臧东，蔡柯，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21