一种永磁直线电机低速无位置传感器控制方法技术

本发明专利技术公开了一种永磁直线电机低速无位置传感器控制方法。该方法在两相旋转坐标系下注入高频脉振方波电压信号，并在两相静止坐标系下通过带通滤波器滤波得到包含电机位置信息的高频电流分量；之后提取高频电流分量的包络线作为速度观测器的输入，得到电机的估算速度；同时将速度观测器的输出作为位置锁相环的输入，计算得到估算位置；然后利用估算速度和估算位置实现电机的双闭环矢量控制。本发明专利技术所设计的速度观测器对电机凸极性依赖小，适用于凸极性不明显的表贴式永磁直线电机。同时本发明专利技术将速度和位置角分开估算，提高了估算精度，也提高了控制系统的抗干扰能力，确保了电机在低速时的稳定运行。

A sensorless control method for permanent magnet linear motor at low speed

The invention discloses a permanent magnet linear motor low speed sensorless control method. The high frequency pulse voltage signal is injected into the two phase rotating coordinate system, and the high frequency current component containing the position information of the motor is obtained through the bandpass filter in the two phase stationary coordinate system. Then the envelope of the high frequency current component is extracted as the input of the speed observer, and the estimation speed of the motor is obtained. The output of the speed observer is calculated as the input of the position locked loop, and the estimated position is obtained. Then the double closed loop vector control of the motor is realized by using the estimated speed and the estimated position. The speed observer designed by the invention has little dependence on the salient polarity of the motor, and is suitable for the permanent magnet linear motor with a salient polarity. At the same time, the invention calculates the speed and position angle separately, improves the estimation precision, improves the anti-interference ability of the control system, and ensures the stable operation of the motor at low speed.

【技术实现步骤摘要】
一种永磁直线电机低速无位置传感器控制方法
本专利技术涉及一种永磁直线电机低速无位置传感器控制方法，属于永磁电机伺服控制领域
技术介绍
随着经济发展和科技进步，交通运输、工业设备、矿井提升、民用等领域对驱动电机及系统的动态响应性能、体积、成本、可靠性等方面的要求越来越高。直线电机可以不通过滑轮或者皮带，直接产生连续的单向或者往复的直线机械运动，具有效率高、造价低等优点。因此，在高精度机床、工业机器人、轨道交通等领域直线电机得到越来越广泛的应用。为了实现高精度的速度和位置控制，直线电机一般使用直线光栅检测动子速度和位置。然而光栅价格昂贵、安装要求高，工作环境的湿度、电磁干扰、温度等都对其工作精度有影响。为了避免上述问题，可靠性较高、性能良好的无位置传感器控制技术便成为了近年来的一个研究热点。目前，无位置传感器控制方法一般分为两大类：一类是适用于中、高速范围内调速的方法，这类方法根据电动机基波激励模型中与转速有关的物理量(如产生的反电动势)，通过直接计算或观测器得到电机转子位置和速度。由于电机在低速时，反电势较小，有用信号的信噪比低，影响该类方法的控制性能，甚至无法对位置进行估算。另一类方法利用电机的凸极或饱和凸极性，通过不同的励磁方式和不同的信号检测和分离方法，将位置信息估算出来。该类方法对电动机参数的变化较不敏感，能够较好的实现低速和零速状态下的电动机转子位置估计，很好地弥足了第一类方法在低速时的不足。但是，该类方法需要电机具有较明显的凸极性或饱和凸极性。对于凸极性或饱和凸极性不明显的表贴式永磁直线电机来说，凸极性相关的信号(如高频电流分量)的信噪比较低，，影响了无位置传感器控制系统的性能。
技术实现思路
技术问题：为了弥补上述第二类方法依赖电机凸极性或饱和凸极性的不足，本专利技术提出了一种永磁直线电机低速无位置传感器控制方法。该方法对于电机凸极性的依赖较小，同时采用高频方波信号注入，提高了系统带宽。该方法构造了速度观测器和锁相环，实现了速度和位置的分开估算，有效地提高了估算精度和系统的抗干扰能力。同时，所构造的速度观测器实现了对高频电流信号的滤波，减小了干扰，进一步提高了锁相环估算位置的精度。技术方案：为实现上述目的，本专利技术的一种永磁直线电机低速无位置传感器控制方法包括以下步骤：S1，将给定速度ν*与估算速度做差送入PI控制器得到q轴给定电流d轴给定电流为0；d轴给定电流和q轴给定电流分别与d轴反馈电流id和q轴反馈电流iq做差，经过PI控制器得到直轴电压ud和交轴电压uq；S2，将高频方波信号Uh(t)＝(-1)nVh叠加到直轴电压ud上得到u′d；利用估算得到的位置角对u′d和uq作旋转正交-静止两相变换(2r/2s变换)得到α-β坐标系下电压uα和uβ；S3，将uα和uβ作为空间矢量脉宽调制SVPWM模块的输入，得到六路PWM脉冲信号，驱动三相逆变器的功率开关管工作；S4，检测电机的三相电流ia、ib和ic，作三相-两相变换(3/2变换)得到α-β坐标系下的电流分量iα和iβ；使用低通滤波器滤除iα和iβ中的高频电流分量并作静止两相-旋转正交变换(2s/2r变换)，得到d-q坐标系下电流分量id和iq；S5，将iα和iβ作为带通滤波器的输入，得到该电流的高频分量iαh和iβh，然后提取iαh和iβh的包络线，得到包含位置信息的分量和S6，将和作为速度观测器的输入，得到速度观测器输出电流和以及估算速度S7，将和作为位置锁相环的输入，得到估算位置角S8，利用估算得到的位置角和速度实现电机的双闭环稳定控制。其中，所述步骤S6中速度观测器根据公式获得和根据公式获得电角速度估计值，根据公式获得速度估计值；其中，τs是电机定子极距，k11和k22是增益系数，kp是比例系数，ki是积分系数。所述步骤S7中位置锁相环根据公式获得估算位置角；其中，kp1是比例系数，ki1是积分系数。所述步骤S5中提取信号包络线的方法如下：将iαh和iβh分别与高频方波信号fh(t)＝kh·Uh(t-T/4)相乘，kh为增益系数，T为注入高频信号的周期，然后经过低通滤波器滤除高频分量，即可得到包含位置信息的包络线和有益效果：本专利技术具有以下有益效果：1)采用高频方波电压信号注入，相比高频正弦波信号注入，提高了控制系统带宽，减少了计算量；2)在两相静止坐标系下构建的速度观测器对电机凸极性依赖小，适用于凸极性或饱和凸极性不明显的表贴式永磁直线电机；3)构造的速度观测器对包含位置信息的电流分量具有较好的滤波效果，能够提高位置估算的精度，减小估算误差；4)采用速度观测器和位置锁相环对速度和角度分别进行估算，相比单一观测器或锁相环，提高了估算精度和系统的抗干扰能力，增强了系统稳定性。5)同样适用于其他直线或旋转结构的永磁型同步电机。附图说明图1是永磁直线电机低速无位置传感器控制方法系统框图；图2是包络检测的结构示意图；图3是速度观测器的结构示意图；图4是位置锁相环的结构示意图；图5是永磁直线电机低速运行时的三相电流仿真波形；图6是永磁直线电机低速运行时在α-β坐标系下的电流波形；图7是永磁直线电机低速运行时在α-β坐标系下的α轴高频电流分量及其包络线；图8是永磁直线电机低速运行时在α-β坐标系下的β轴高频电流分量及其包络线；图9是永磁直线电机低速运行时的高频电流包络线波形及包络线经过速度观测器滤波后的波形；图10是永磁直线电机低速运行时的实际速度和估算速度波形；图11是永磁直线电机低速运行时的实际电角度和估算电角度波形。具体实施方式本专利技术的一种永磁直线电机低速无位置传感器控制方法步骤如下：S1，将给定速度v*与估算速度做差送入PI控制器得到q轴给定电流d轴给定电流为0；d轴给定电流和q轴给定电流分别与d轴反馈电流id和q轴反馈电流iq做差，经过PI控制器得到直轴电压ud和交轴电压uq；S2，将高频方波信号Uh(t)＝(-1)nVh叠加到直轴电压ud上得到u′d；利用估算得到的位置角对u′d和uq作旋转正交-静止两相变换(2r/2s变换)得到α-β坐标系下电压uα和uβ；S3，将uα和uβ作为空间矢量脉宽调制SVPWM模块的输入，得到六路PWM脉冲信号，驱动三相逆变器的功率开关管工作；S4，检测电机的三相电流ia、ib和ic，作三相-两相变换(3/2变换)得到α-β坐标系下的电流分量iα和iβ；使用低通滤波器滤除iα和iβ中的高频电流分量并作静止两相-旋转正交变换(2s/2r变换)，得到d-q坐标系下电流分量id和iq；S5，将iα和iβ作为带通滤波器的输入，得到该电流的高频分量iαh和iβh，然后提取iαh和iβh的包络线，得到包含位置信息的分量和S6，将和作为速度观测器的输入，得到速度观测器输出电流和以及估算速度S7，将和作为位置锁相环的输入，得到估算位置角S8，利用估算得到的位置角和速度实现电机的双闭环稳定控制。其中，电机动子角度初始值和速度初始值均为零。进一步，所述步骤S6中速度观测器的设计如下：永磁直线电机在两相旋转坐标系下的状态方程为：式中Rs是电机绕组电阻，ud和uq、Ld和Lq、id和iq分别是dq轴电压、电感和电流，p是微分算子，ψm是永磁磁链；ωre表示电机电角速度，与电机速度v的关系为v＝ωreτs/π，其中τs是电机定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁直线电机低速无位置传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，将给定速度ν

【技术特征摘要】
1.一种永磁直线电机低速无位置传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，将给定速度ν*与估算速度做差送入PI控制器得到q轴给定电流d轴给定电流为0；d轴给定电流和q轴给定电流分别与d轴反馈电流id和q轴反馈电流iq做差，经过PI控制器得到直轴电压ud和交轴电压uq；S2，将高频方波信号Uh(t)＝(-1)nVh叠加到直轴电压ud上得到u′d；利用估算得到的位置角对u′d和uq作旋转正交-静止两相变换得到α-β坐标系下电压uα和uβ；S3，将uα和uβ作为空间矢量脉宽调制SVPWM模块的输入，得到六路PWM脉冲信号，驱动三相逆变器的功率开关管工作；S4，检测电机的三相电流ia、ib和ic，作三相-两相变换得到α-β坐标系下的电流分量iα和iβ；使用低通滤波器滤除iα和iβ中的高频电流分量并作静止两相-旋转正交变换，得到d-q坐标系下电流分量id和iq；S5，将iα和iβ作为带通滤波器的输入，得到该电流的高频分量iαh和iβh，然后提取iαh和iβh的包络线，得到包含位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：程明，张明利，张邦富，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32