基于扩张状态观测器的新型五相容错永磁电机无位置传感器控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于扩张状态观测器的新型五相容错永磁电机无位置传感器控制方法，该方法将两相静止坐标系下的电流状态方程中的反电势作为干扰量，不需要通过状态变量的微分和滤波环节就可以实现扰动量的正确估计，根据观测出的反电势，利用锁相环观测器得到电机的转速和转子位置。同时基于观测器参数的选择设计一个随电机转速变化的转子位置误差补偿环节，实现基于ESO的新型五相容错永磁电机无位置传感器控制。本发明专利技术设计的新型反电势观测器，观测器增益选择方法简单，对电机转速和负载变化具有较好的自适应能力和鲁棒性，避免了滤波器的使用，可以实现五相容错永磁同步电机无位置传感器系统的可靠运行。

【技术实现步骤摘要】
基于扩张状态观测器的新型五相容错永磁电机无位置传感器控制方法
本专利技术涉及一种基于扩张状态观测器的新型五相容错永磁电机无位置传感器控制方法，适用于永磁电机高精度伺服控制领域。
技术介绍
传统的高性能的永磁同步电机的矢量控制通常需要位置传感器来检测转子的位置信号，位置传感器主要有霍尔传感器、光电编码器与旋转变压器等。虽然这些传感器均可以为电机系统提供位置信号，但是位置传感器会增加系统的成本，同时位置传感器的安装会影响电机控制系统的精度，而且位置传感器属于精密的电子元件，其所处环境的温度、湿度和振动均会对位置传感器造成很大的影响，这样就造成了电机系统的可靠性降低。避免上述问题的最直接的方法就是在电机控制系统中不使用位置传感器，这样就可以克服使用位置传感器带来的一系列的缺点，扩展永磁同步电机系统的运用领域，于是永磁同步电机在无位置传感器控制(SensorlessControl)领域的研究逐渐成为电机控制中一个重要的方向。永磁同步电机的无位置控制方法一般分为两类：一类是适用于低速和零速的高频信号注入法，它利用电机的凸极或者饱和凸极特性，注入旋转或者脉振的高频信号，得到电机静止或者低速运行时的转子位置信号，但是它的运行范围以及动态特性受母线电压的限制。另外一类是利用电机的电磁关系，通过直接计算或者观测器来得到电机的反电势或者磁链，从而得出电机的转子位置信号，这种方法被广泛使用于中高速领域。其中滑模观测器法是被广泛使用的一种方法，然而由于其需要电流的微分信号以及其作用的开关函数会导致估测出的反电势信号会出现抖振问题，需要多级滤波器来进行消除，提高了转子位置观测器的复杂度。
技术实现思路
本专利技术针对现有领域技术的不足，提出了一种基于扩张状态观测器的五相容错永磁电机无位置传感器控制方法，将两相静止坐标系下的反电势作为系统的扰动量，利用扩张状态观测器来观测电机的反电势。该方法无需计算电流的微分信号，避免了电流的噪声对估算结果的影响。同时可以通过合理的参数的选择，可以使得观测出的反电势落后于实际的反电势的一定的相位角，并且设计了随着转速变化的补偿环节，提高了估测位置角的精度，可以实现高性能的无位置传感器控制。本专利技术采用的技术方案有以下步骤：一种基于扩张状态观测器的五相容错永磁电机无位置传感器控制方法，包括以下步骤：S1，检测五相容错永磁电机的电流ia,ib,ic,id,ie，经过5s/2s(Clark)变换得到两相静止坐标系下的电流iα和iβ；S2，开关处于1时，q轴给定电流为一个常数iqref；S3，当电机启动，开关处于1时，通过位置角发生器产生给定的转子位置角θref，经过2s/2r(Park)变换得到直轴电流id和交轴电流iq；S4，直轴电流给定为0，q轴给定电流为iqref，它们电流反馈值id和iq分别作差，差值分别经过PI控制器得到直轴电压ud和交轴电压uq；S5，利用转子位置信息，对直轴电压ud和交轴电压uq进行2r/2s(反Park)变换，得到α-β轴电压uα和uβ；S6，uα和uβ作为SVPWM模块的输入，产生10路PWM脉冲，控制五相电压源逆变器产生五相脉冲宽度变化的电压，驱动五相容错永磁电机旋转；S7，当电机稳定运行时，切换到开关2，将α-β轴电压uα和uβ以及α-β轴电流iα和iβ送入扩张状态观测器得到观测出的α-β轴的反电势和观测出的反电势经过锁相环观测器得到观测出的位置角和电角速度S8，当开关处于2时，将给定的机械转速ω*和观测出的机械转速作差送入PI控制器得到q轴给定电流位置角被替换为由基于ESO的反电势观测器计算的补偿后的位置角S9，重复S3-S6，实现电机的双闭环稳定运行。进一步，所述步骤S3中位置角发生器的设计步骤如下：S3.1，当处于开关1时，位置角发生器函数可以写成以下形式：其中θref表示给定的位置角，ωe表示给定的电机的电角速度，由上式可知，给定的位置角由电机的电角速度积分而来。进一步，所述步骤S7中扩张状态观测器的设计步骤如下：S7.1，当开关处于1且电机运行在一个平稳转速时，开关由1切换到2；S7.2，将得出的α-β轴电压Uα和Uβ以及α-β轴电流iα和iβ送入观测器，经基于ESO的反电势观测器观测出α-β轴反电势和S7.3，将估测出的反电势和送入锁相环观测器分别得到位置角和电角速度进一步，所述步骤S7.2中基于ESO的反电势观测器的设计如下：电机在两相静止坐标系下的状态方程如下：其中Ls和Rs分别代表电子电感和电阻，eα和eβ分别代表α-β轴的真实反电势。将两相静止坐标系下的反电势作为扰动量，对上式进行整理，以α轴为例可以把上式中写成基于ESO的形式：从上式中可以看出，z2表示观测出的扰动量即反电势，z1表示观测出的系统状态量即电流iα的观测量，电压Uα可以通过控制量输出而得到，电流iα可以通过电流传感器测量并进行变换得到，l1和l2是ESO中的增益参数。为了准确的得到观测器的扰动量即电机的反电势，观测出的反电势和电机的真实反电势之间的关系可以通过上式进一步推导，从而得出反电势观测器的传递函数：由此可见，反电势观测值和真实反电势之间的关系是一个二阶传递函数的关系，根据自动控制理论中的知识，要使得真实值与观测值之间有一个相对确定的关系，那么传递函数可以表示为一个二阶的滤波器，那么可以将上式改写成以下形式：要使得传递函数成为二阶滤波器，由上式可知，观测器增益之间的关系可以表示为：按照上述的公式推导，便可以合理的选择参数，完成电机反电势的观测。按照上式的观测器增益的选择方式，反电势观测值和电机真实反电势之间的关系可写为：上式可以看作两个一阶低通滤波器级联在一起，截止频率为ωcutoff＝-2l2/l1。以上推导均以α轴的模型为例，同理，β轴的公式推导也是相同的。由上面得出的结论可知，利用扩张状态观测器估测出的反电势和实际的反电势在相位上相差一个固定的角度，可以通过计算来补偿估测出的位置角，使之接近于真实位置角。补偿后的位置角可以表示为下式：其中表示由锁相环观测器得出的位置角，表示补偿过后的位置角，表示随电机转速而变化的补偿角，表示观测出的电角速度。进一步，所述步骤S7.3中锁相环观测器的设计如下：锁相环观测器的原理是利用系统输出相位和给定信号相位差控制系统输出信号频率，直到输出信号频率跟踪给定信号频率。输出相位和给定信号相位的差值送入PI控制器，经调节后，给定信号频率及相位与输出信号的频率和相位均保持一致，达到相位跟踪的效果。因此，将PLL应用到转子位置信号的提取当中，这里以经扩张状态观测器估计出的反电势作为锁相环的输入信号，根据反电动势与转子位置之间的关系，建立锁相环转子位置检测系统，来提取反电动势中包含的转子位置信息。锁相环的位置估计的误差传递函数为：其中，ψf表示电机的永磁磁链，表示观测出的电角速度，kP表示比例系数，ki表示积分系数。由于转子位置信号是斜坡函数，锁相环转子位置检测等效系统稳态误差为：由上式可知，转子的误差信号的稳态误差为零，可见采用锁相环观测器可以准确的从反电势中提取出转子位置信息。本专利技术具有以下有益效果：1)给定q轴电流一个恒定的值，利用位置角发生器产生位置角，可以使电机由零速快速的启动到一个平稳的转速，解决了无位置传感器电机由零速启动的问题；2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于扩张状态观测器的新型五相容错永磁电机无位置传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，检测五相永磁容错电机的五相电流ia,ib,ic,id,ie，并经过5s/2s Clark变换得到两相静止坐标系下电流iα和iβ；S2，当电机启动开关处于1时，q轴给定电流为一个常数iqref；S3，当开关处于1时，通过位置角发生器产生给定的转子位置角θref，经过2s/2r Park变换得到直轴电流id和交轴电流iq；S4，直轴电流

【技术特征摘要】
1.一种基于扩张状态观测器的新型五相容错永磁电机无位置传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，检测五相永磁容错电机的五相电流ia,ib,ic,id,ie，并经过5s/2sClark变换得到两相静止坐标系下电流iα和iβ；S2，当电机启动开关处于1时，q轴给定电流为一个常数iqref；S3，当开关处于1时，通过位置角发生器产生给定的转子位置角θref，经过2s/2rPark变换得到直轴电流id和交轴电流iq；S4，直轴电流给定为0，q轴给定电流为iqref，它们与电流反馈值id和iq分别作差，差值分别经过PI控制器得到直轴电压ud和交轴电压uq；S5，利用给定或者估测出的转子位置信息，对直轴电压ud和交轴电压uq进行2r/2s反Park变换，得到的α-β轴电压uα和uβ；S6，uα和uβ作为SVPWM模块的输入，产生10路PWM脉冲，控制五相电压源逆变器产生五相脉冲宽度变化的电压，驱动五相容错永磁电机的旋转；S7，当处于开关1采用电流闭环启动，当电机稳定运行时系统切换到开关2，将α-β轴电压uα和uβ以及α-β轴电流iα和iβ送入扩张状态观测器得到观测出的α-β轴的反电势和观测出的反电势经过锁相环观测器得到观测出的位置角和电角速度S8，当开关处于2时，将给定的机械转速ω*和观测出的机械转速作差送入转速环PI控制器得到q轴给定电流给定的位置角被替换为由扩张状态观测器观测出的补偿后的位置角S9，利用观测出的位置角和转速，实现电机转速和电流的双闭环控制。2.根据权利要求1所述的基于扩张状态观测器的新型五相容错永磁电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤S2中q轴给定电流为一个常数值，从而实现将电机启动到一个平稳的转速，电机的额定q轴电流为iqref＝12A。3.根据权利要求1所述的基于扩张状态观测器的新型五相容错永磁电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤S3中位置角发生器的设计步骤如下：S3.1，当处于开关1时，位置角发生器函数可以写成以下形式：其中θref表示给定的位置角，ωe表示给定的电机的电角速度，由上式可知，给定的位置角由电机的电角速度积分而来；初始给定的点角速度为ωe＝115rad/s，对应的电机机械转速为ωm＝100r/min。4.根据权利要求1所述的基于扩张状态观测器的新型五相容错永磁电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤S7中，由扩张状态观测器得到观测出的α-β轴的反电势和的设计步骤如下：S7.1，当开关处于1且电机运行在一个平稳转速时，开关由1切换到2；S7.2，将得出的α-β轴电压Uα和Uβ以及α-β轴电流iα和iβ送入观测器，经基于ESO的反电势观测器观测出α-β轴反电势和S7.3，将观测出的反电势和送入锁相环观测器分别得到位置角和转速5.根据权利要求4所述的基于扩张状态观测器的新型五相容错永磁电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤S7.2中基于ESO的反电势观测器设计如下：电机在两相静止坐标系下的状态方程如下：其中Ls和Rs分别代表电子电感和电阻，eα和eβ分别代表α-β轴的真实反电势。将两相静止坐标系下的反电势作为扰动量，对上式进行整理，以α轴为例可以把上式中写成基于ESO的形式：

【专利技术属性】
技术研发人员：程燃，刘国海，周华伟，赵文祥，陈前，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32