无轴承同步磁阻电机的转速估计方法及转矩控制系统技术方案

本发明专利技术公开一种无轴承同步磁阻电机的转速估计方法、转矩控制系统，基于本发明专利技术转速估计方法构建的转矩控制系统在应用时，首先基于无轴承同步磁阻电机转矩绕组三相电压和三相电流检测值构建电机的转速估计系统；该转速估计系统输出电机转速估计值，并与电机转速给定值进行比较，比较后的偏差经PI调节器输出电机q轴参考电流，电机d轴参考电流给定值和q轴参考电流共同送入扩展的电流型PWM逆变器；最后利用扩展的电流型PWM逆变器向三相转矩绕组供电，可实现电机的转矩和速度控制。本发明专利技术能够实现电机转速精确估计，具有良好的控制性能。

Speed estimation method and torque control system of bearingless synchronous reluctance motor

The invention discloses a speed estimation method and a torque control system of bearingless synchronous reluctance motor. When the torque control system based on the speed estimation method of the invention is applied, the speed estimation system of the motor is first constructed based on the three-phase voltage and three-phase current detection value of the torque winding of bearingless synchronous reluctance motor. The speed estimation system outputs the motor speed estimation and compares it with the motor speed setting value. The deviation is output by the PI regulator to the motor q-axis reference current, and the motor d-axis reference current and q-axis reference current are fed into the extended current-source PWM inverter. Finally, the extended current-source PWM inverter is used to turn to three-phase. The torque winding and power supply can realize the torque and speed control of the motor. The invention can accurately estimate the motor speed and has good control performance.

【技术实现步骤摘要】
无轴承同步磁阻电机的转速估计方法及转矩控制系统
本专利技术涉及交流电机驱动与控制
，特别是无轴承同步磁阻电机无速度传感器条件下的高性能转矩和转速控制技术，是一种无轴承同步磁阻电机的转速控制方法、转矩控制系统。
技术介绍
无轴承同步磁阻电机是利用定子槽中嵌放的两套绕组(转矩绕组和悬浮绕组)在通入电流情况下共同作用来改变合成气隙磁场的分布，从而控制转子所受旋转力和悬浮力的大小和方向，实现电机的转速(转矩)控制和悬浮控制。与其他类型的无轴承交流电机相比，无轴承同步磁阻电机具有控制简单、结构坚固、成本低廉等优点，无轴承同步磁阻电机在高速精密机床电力驱动、飞轮储能发电、工业自动化装置电气传动等领域，具有较高的应用价值。高性能的无轴承同步磁阻电机转矩控制系统均采用闭环控制，系统实现时，闭环转速反馈信号由机械式速度传感器来获取。然而，电机安装机械式速度传感器在环境恶劣情况下检测信号容易出现较大误差，降低控制系统的可靠性。速度传感器也进一步增大电机体积，增加系统的硬件复杂程度和系统总成本。经对现有文献和专利的检索发现，钟名湖等人发表了“无速度传感器的无轴承同步磁阻电机控制系统”的论文(微特电机，2012年第6期)，上述方法是在电机转矩绕组上注入高频信号实现无速度传感器控制，但基于电机转矩绕组注入的高频信号不仅会加剧了电磁转矩的脉动，也降低了电机悬浮控制的精度。为去除无轴承同步磁阻电机附加的速度传感器，降低系统成本，进一步提高无轴承同步磁阻电机的转矩控制性能，需采用一些新的控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种无轴承同步磁阻电机的转速估计方法、转矩控制系统，基于本专利技术转速估计方法构建的转矩控制系统，具有良好的转速估计精度，系统易于实现、响应快速，避免安装机械式速度传感器带来的诸多缺陷。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术手段为：一种无轴承同步磁阻电机的转速估计方法，包括以下步骤：1)以无轴承同步磁阻电机转矩绕组三相检测电压uA1、uB1、uC1、当前转子位置角估计值为输入信号，经坐标变换，输出两相同步旋转坐标下的电机定子转矩绕组d-q轴电压u4d、u4q；以无轴承同步磁阻电机转矩绕组三相检测电流iA1、iB1、iC1、当前转子位置角估计值为输入信号，经坐标变换，输出两相同步旋转坐标下的电机定子转矩绕组d-q轴电流i4d、i4q；2)以无轴承同步磁阻电机的定子转矩绕组d-q轴电压u4d、u4q、当前电机转速估计值为输入值，通过定子电流可调模型输出电机定子转矩绕组d-q轴电流估计值3)建立自适应律，根据电机定子转矩绕组d-q轴电流估计值和电机定子转矩绕组d-q轴电流i4d、i4q的误差值重新计算并调整电机转速估计值将调整后的电机转速估计值经积分器重新得到转子位置角估计值并作为坐标变换的输入信号，将调整后的电机转速估计值作为定子电流可调模型的输入信号，以实时根据三相检测电压和三相检测电流估算出实时的电机转速估计值进一步地，在步骤1)中，构建坐标变换，坐标变换包含Clark变换和Park变换，电机转矩绕组三相检测电压uA1、uB1、uC1、当前转子位置角估计值为输入信号，经Clark变换输出两相静止坐标下的电压检测值uα1、uβ1，再经Park变换输出两相同步旋转坐标下的电机定子转矩绕组d-q轴电压u4d、u4q；以无轴承同步磁阻电机转矩绕组三相检测电流iA1、iB1、iC1、当前转子位置角估计值为输入信号，经Clark变换输出两相静止坐标下的电流检测值iα1、iβ1，再经Park变换输出两相同步旋转坐标下的电机定子转矩绕组d-q轴电流i4d、i4q。进一步地，在步骤2)中，构造定子电流可调模型，具体如下：2.1)构建无轴承同步磁阻电机在d-q坐标下的转矩绕组定子电流参考模型；首先建立电机转矩绕组电压方程，设定无轴承同步磁阻电机为4极转矩绕组和2极悬浮绕组，电机凸极转子极弧角度为30°，转子凸极区域的气隙为δ0，在两相同步旋转d-q坐标系下，电机转矩绕组电压方程为：式中u4d、u4q为定子转矩绕组d-q轴电压，i4d、i4q分别为定子转矩绕组d-q轴电流，Rs1是定子转矩绕组电阻，ω为转子角速度，L4d、L4q分别为定子d-q轴转矩绕组自感，为微分算子；依据式(1)，无轴承同步磁阻电机在d-q轴下的转矩绕组定子电流数学模为：构造无轴承同步磁阻电机转矩绕组定子电流参考模型：依据式(2)，电机转矩绕组定子电流参考模型可表示为：式中2.2)构造无轴承同步磁阻电机转矩绕组定子电流可调模型：依据式(3)，进一步设计电机转矩绕组定子电流的并联可调模型为：式中分别为电机转矩绕组定子电流并联可调模型输出的d-q轴电流估计值，中的是电机转速估计值。进一步地，在步骤3)中，建立自适应律步骤如下：定义状态变量误差其中依据式(3)、(4)可得：式中，分别为e、i、的微分，经推导，式(5)中的M为:式中，经推导，由式(5)、(6)可得：根据Popov超稳定性理论，取比例积分自适应律Kp+Ki/s，可以得出电机转速的估计公式为：式中，Kp、Ki分别为比例和积分系数，s为拉普拉斯算子，由无轴承同步磁阻电机转矩绕组定子电流可调模型的式(4)计算得到，i4d、i4q是经坐标变换后的两相同步旋转坐标下的电机定子转矩绕组d-q轴电流。一种无轴承同步磁阻电机的转速估计系统，包括第一坐标变换模块、第二坐标变换模块、定子电流可调模型、自适应律模块和积分器，第一坐标变换模块用于以无轴承同步磁阻电机转矩绕组三相检测电压uA1、uB1、uC1、当前转子位置角估计值为输入信号，输出两相同步旋转坐标下的电机定子转矩绕组d-q轴电压u4d、u4q；第二坐标变换模块用于以无轴承同步磁阻电机转矩绕组三相检测电流iA1、iB1、iC1、当前转子位置角估计值为输入信号，输出两相同步旋转坐标下的电机定子转矩绕组d-q轴电流i4d、i4q；定子电流可调模型用于以无轴承同步磁阻电机的定子转矩绕组d-q轴电压u4d、u4q、当前电机转速估计值为输入值，输出电机定子转矩绕组d-q轴电流估计值自适应律模块，根据电机定子转矩绕组d-q轴电流估计值和电机定子转矩绕组d-q轴电流i4d、i4q的误差值重新计算并调整电机转速估计值将调整后的电机转速估计值经积分器重新得到转子位置角估计值并作为第一坐标变换模块和第二坐标变换模块的输入信号，将调整后的电机转速估计值作为定子电流可调模型的输入信号，以实时根据三相检测电压和三相检测定子电流估算出实时的电机转速估计值一种无轴承同步磁阻电机的转速估计系统的无轴承同步磁阻电机转矩控制系统，包括PI调节器和扩展的电流型PWM逆变器；PI调节器以电机转速给定值ω*与转速位移估计值之间的偏差为输入信号，输出信号为电机转矩控制所需要的q轴参考电流扩展的电流型PWM逆变器，由一个Park逆变换、一个Clark逆变换和一个电流型PWM逆变器组成。电机转矩绕组两相旋转坐标下的d轴参考电流q轴参考电流转子位置角估计值经Park逆变换后输出转矩绕组静止坐标下的两相电流再经Clark逆变换输出三相静止坐标下的转矩绕组电流此三相电流作为电流型PWM逆变器的参考指令电流，电流型PWM逆变器根据参考指令电流输出实际所需的三相电流iA1、iB1、iC1向转矩绕组供电，从而实现被控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无轴承同步磁阻电机的转速估计方法，其特征是，包括以下步骤：1)以无轴承同步磁阻电机转矩绕组三相检测电压uA1、uB1、uC1、当前转子位置角估计值

【技术特征摘要】
1.一种无轴承同步磁阻电机的转速估计方法，其特征是，包括以下步骤：1)以无轴承同步磁阻电机转矩绕组三相检测电压uA1、uB1、uC1、当前转子位置角估计值为输入信号，经坐标变换，输出两相同步旋转坐标下的电机定子转矩绕组d-q轴电压u4d、u4q；以无轴承同步磁阻电机转矩绕组三相检测电流iA1、iB1、iC1、当前转子位置角估计值为输入信号，经坐标变换，输出两相同步旋转坐标下的电机定子转矩绕组d-q轴电流i4d、i4q；2)以无轴承同步磁阻电机的定子转矩绕组d-q轴电压u4d、u4q、当前电机转速估计值为输入值，通过定子电流可调模型输出电机定子转矩绕组d-q轴电流估计值3)建立自适应律，根据电机定子转矩绕组d-q轴电流估计值和电机定子转矩绕组d-q轴电流i4d、i4q的误差值重新计算并调整电机转速估计值将调整后的电机转速估计值经积分器重新得到转子位置角估计值并作为坐标变换的输入信号，将调整后的电机转速估计值作为定子电流可调模型的输入信号，以实时根据三相检测电压和三相检测电流估算出实时的电机转速估计值2.如权利要求1所述的一种无轴承同步磁阻电机的转速估计方法，其特征是，在步骤1)中，构建坐标变换，坐标变换包含Clark变换和Park变换，电机转矩绕组三相检测电压uA1、uB1、uC1、当前转子位置角估计值为输入信号，经Clark变换输出两相静止坐标下的电压检测值uα1、uβ1，再经Park变换输出两相同步旋转坐标下的电机定子转矩绕组d-q轴电压u4d、u4q；以无轴承同步磁阻电机转矩绕组三相检测电流iA1、iB1、iC1、当前转子位置角估计值为输入信号，经Clark变换输出两相静止坐标下的电流检测值iα1、iβ1，再经Park变换输出两相同步旋转坐标下的电机定子转矩绕组d-q轴电流i4d、i4q。3.如权利要求2所述的一种无轴承同步磁阻电机的转速估计方法，其特征是，在步骤2)中，构造定子电流可调模型，具体如下：2.1)构建无轴承同步磁阻电机在d-q坐标下的转矩绕组定子电流参考模型；首先建立电机转矩绕组电压方程，设定无轴承同步磁阻电机为4极转矩绕组和2极悬浮绕组，电机凸极转子极弧角度为30°，转子凸极区域的气隙为δ0，在两相同步旋转d-q坐标系下，电机转矩绕组电压方程为：式中u4d、u4q为定子转矩绕组d-q轴电压，i4d、i4q分别为定子转矩绕组d-q轴电流，Rs1是定子转矩绕组电阻，ω为转子角速度，L4d、L4q分别为定子d-q轴转矩绕组自感，为微分算子；依据式(1)，无轴承同步磁阻电机在d-q坐标下的转矩绕组定子电流数学模为：构造无轴承同步磁阻电机转矩绕组定子电流参考模型：依据式(2)，电机转矩绕组定子电流参考模型可表示为：式中2.2)构造无轴承同步磁阻电机转矩绕组定子电流可调模型：依据式(3)，进一步设计电机转矩绕组定子电流的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张汉年，鲍安平，段向军，曹俊，徐俊，
申请(专利权)人：南京信息职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32