一种永磁同步电机无传感器复合控制方法技术

本发明专利技术属于永磁同步电机技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机无传感器复合控制方法，包括以下步骤：步骤1、根据复合控制计算后输出的转速值将控制过程分为：第一阶段，零低速阶段，其转速上限值为nmin；第二阶段，过渡阶段，其转速上下限分别为nmax、nmin；第三阶段，中高速阶段，其转速的下限为nmax；步骤2、零低速阶段采用旋转高频电压注入法来检测转速和转子位置；步骤3、过渡阶段采用复合控制法来检测转速和转子位置；步骤4、中高速阶段采用EKF观测器法来检测转速和转子位置。该方法能够实现永磁同步电机全速度范围内的无传感器控制，具有适应范围广，抗干扰性强等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁同步电机无传感器复合控制方法
本专利技术属于永磁同步电机
，尤其涉及一种永磁同步电机无传感器复合控制方法。
技术介绍
永磁同步电动机(PMSM)由于自身结构简单，具有转速平稳、动态响应快、过载能力强、可靠性高、结构多样化、应用范围广等优点，已成为研究热点，并得到广泛的应用。传统永磁同步电机机械速度位置传感器不仅增加了电机系统成本，体积和安装难度，同时对环境有较严格的要求，测量精度易受振动的影响，降低了系统的整体可靠性。采用无传感器控制技术的PMSM驱动系统可提高运行效率，扩大使用范围，降低设备成本和运行成本，增强在特殊环境下的稳定性，现已成为永磁同步电机控制技术研究与发展的一个趋势。但是，目前还没有任何一种无传感器控制方法可以在全速度范围内稳定运行，在零、低速范围内通常采用高频注入等方法，在中高速范围内通常采用滑模观测器和EKF观测器等方法，传统滑模观测器对参数变化具有较强的鲁棒性，但不可避免会带来抖振和时间延时问题，而EKF观测器适用于高性能伺服系统，可以在很大的速度范围内工作，也可以对相关状态和某些参数进行估计。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够实现永磁同步电机全速度范围内的无传感器控制。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种永磁同步电机无传感器复合控制方法，包括以下步骤：步骤1、根据复合控制计算后输出的转速值将控制过程分为：第一阶段，零低速阶段，其转速上限值为nmin；第二阶段，过渡阶段，其转速上下限分别为nmax、nmin；第三阶段，中高速阶段，其转速的下限为nmax；步骤2、零低速阶段采用旋转高频电压注入法来检测转速和转子位置；步骤3、过渡阶段采用复合控制法来检测转速和转子位置；步骤4、中高速阶段采用EKF观测器法来检测转速和转子位置。在上述的永磁同步电机无传感器复合控制方法中，nmin、nmax分别取值为90r/min、150r/min。在上述的永磁同步电机无传感器复合控制方法中，步骤2的实现包括以下步骤：步骤2.1、首先在基波激励上叠加一个三相平衡的高频电压激励，然后检测电机中所产生的对应电流响应；步骤2.2、依次通过带通滤波器、同步轴系高通滤波器和转子位置跟踪观测器获取到永磁同步电机零、低速阶段的电机转速和转子位置。在上述的永磁同步电机无传感器复合控制方法中，步骤3的实现包括采用加权平均算法对转速进行估计，通过以下公式确定转速和转子位置估计值：其中，WGP和WEK为加权系数且WGP＝1-WEK，分别为高频信号注入法和EKF观测器法估算的转速，为复合控制后输出的转速，为估计的转子位置；其中式(1)中WGP和WEK为加权系数且WGP＝1-WEK，分别为高频信号注入法和EKF观测器法估算的转速，为复合控制后输出的转速，为估计的转子位置，式(2)中nmax、nmin分别为过渡阶段转速上下限。在上述的永磁同步电机无传感器复合控制方法中，步骤4的实现包括以下步骤：步骤4.1、EKF观测器模块的设计包括：以X＝[ψαψβωrθr]T作为状态变量，U＝[uαuβ]T为输入变量，Y＝[iαiβ]T为输出变量，其中，ψα、ψβ为定子磁链在αβ轴的分量，ωr为转子的电角速度，θr为定子磁链和转子磁链之间的相对位置即转子的电角度；步骤4.2、用于EKF观测估计的PMSM状态方程设计为：式中：步骤4.3、将式(3)线性化再离散化处理得：离散化后的状态方程：式(4)中w(k)为由于电机参数变化和线性化、离散化导致的误差；测量噪声矢量v(k)为对电机输入、输出信号测量引起的误差；步骤4.4、应用式(4)，给定系统初始状态，按照EKF数字实现算法，通过递推运算，得到每个采样周期的状态估计值，将状态估计值作为反馈值与给定值进行比较，实现相应的电机控制。本专利技术的有益效果是：能够实现永磁同步电机全速度范围内的无传感器控制，适应范围广，抗干扰性强。附图说明图1为本专利技术一个实施例的总体结构示意图；图2为本专利技术一个实施例的复合控制方法结构框图；图3为本专利技术一个实施例的加权系数随转速的变化示意图；图4为本专利技术一个实施例的EKF模块的原理图；图5为本专利技术一个实施例的过渡阶段实际转速与估计转速的波形图；图6是本专利技术一个实施例的过渡阶段实际转子位置与估计转子位置的波形图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施方式进行详细描述。本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种永磁同步电机无传感器复合控制方法，用于对永磁同步电机的控制，包括以下步骤：永磁同步电机的无传感器控制采用复合控制方法，根据复合控制计算后输出的转速值将控制过程分为三个阶段：第一阶段为零、低速阶段，转速上限值为nmin，该阶段采用旋转高频电压注入法来检测转速和转子位置；第二阶段为过渡阶段，转速上下限分别为nmax、nmin，该阶段采用复合控制法来检测转速和转子位置；第三阶段为中高速阶段，转速的下限为nmax，该阶段采用EKF观测器法来检测转速和转子位置。并且，nmin、nmax分别设计为90r/min、150r/min。并且，零、低速阶段采用旋转高频电压注入，首先在基波激励上叠加一个三相平衡的高频电压激励，然后检测电机中所产生的对应电流响应，依次通过带通滤波器、同步轴系高通滤波器和转子位置跟踪观测器后获取到永磁同步电机零、低速阶段下的电机转速和转子位置。并且，中高速阶段采用EKF观测器辨识转速和转子位置，其中EKF观测器模块的设计步骤包括：以X＝[ψαψβωrθr]T作为状态变量，U＝[uαuβ]T为输入变量，Y＝[iαiβ]T为输出变量，这里需要指出ψα、ψβ为定子磁链在αβ轴的分量，ωr为转子的电角速度，θr为定子磁链和转子磁链之间的相对位置即转子的电角度。用于EKF观测估计的PMSM状态方程可以设计为：式中：将式①线性化再离散化处理得：离散化后的状态方程：式②中w(k)为由于电机参数变化和线性化、离散化导致的误差；测量噪声矢量v(k)为对电机输入、输出信号测量引起的误差。应用式②，给定系统初始状态，按照EKF数字实现算法，通过递推运算，即可以得到每个采样周期的状态估计值，然后这些估计值作为反馈值与给定值进行比较，进行相应的电机控制。具体的EKF实现算法如下表1所示表1EKF滤波算法过程并且，过渡阶段采用加权平均算法对转速进行估计，复合控制阶段可采用采用以下公式确定转速和转子位置估计值：其中式③中WGP和WEK为加权系数且WGP＝1-WEK，分别为高频信号注入法和EKF观测器法估算的转速，为复合控制后输出的转速，为估计的转子位置，式④中nmax、nmin分别为过渡阶段转速上下限。在本实施方式中，如图1所示，以永磁同步电机作为对象进行控制，控制算法采用复合控制算法，根据不同的转速区间选择不同的转速辨识方法。图1所示，为总体结构系统图，首先通过测量逆变器输出端的三相电流ia、ib、ic和三相电压ua、ub、uc，经坐标变换后得到iα、iβ和uα、uβ，iα、iβ经过Park变换得到id、iq。将得到的iα、iβ和uα、uβ输入到EKF观测器中，iα、iβ输入到旋转高频注入模块。得出两种控制算法下的辨识出来的转速然后进行复合控制。复合控制得出的转速经过积分得到转子位置其中转速与给定转速n*作差得到Δn，Δn经过PI调节器得到与iq的差值经过PI调本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步电机无传感器复合控制方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1、根据复合控制计算后输出的转速值将控制过程分为：第一阶段，零低速阶段，其转速上限值为nmin；第二阶段，过渡阶段，其转速上下限分别为nmax、nmin；第三阶段，中高速阶段，其转速的下限为nmax；步骤2、零低速阶段采用旋转高频电压注入法来检测转速和转子位置；步骤3、过渡阶段采用复合控制法来检测转速和转子位置；步骤4、中高速阶段采用EKF观测器法来检测转速和转子位置。

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机无传感器复合控制方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1、根据复合控制计算后输出的转速值将控制过程分为：第一阶段，零低速阶段，其转速上限值为nmin；第二阶段，过渡阶段，其转速上下限分别为nmax、nmin；第三阶段，中高速阶段，其转速的下限为nmax；步骤2、零低速阶段采用旋转高频电压注入法来检测转速和转子位置；步骤3、过渡阶段采用复合控制法来检测转速和转子位置；步骤4、中高速阶段采用EKF观测器法来检测转速和转子位置。2.如权利要求1所述的永磁同步电机无传感器复合控制方法，其特征是，nmin、nmax分别取值为90r/min、150r/min。3.如权利要求1所述的永磁同步电机无传感器复合控制方法，其特征是，步骤2的实现包括以下步骤：步骤2.1、首先在基波激励上叠加一个三相平衡的高频电压激励，然后检测电机中所产生的对应电流响应；步骤2.2、依次通过带通滤波器、同步轴系高通滤波器和转子位置跟踪观测器获取到永磁同步电机零、低速阶段的电机转速和转子位置。4.如权利要求1所述的永磁同步电机无传感器复合控制方法，其特征是，步骤3的实现包括采用加权平均算法对转速进行估计，通过以下公式确定转速和转子位置估计值：其中，WGP和WEK为加权系数且WGP＝1...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡红明，方贺，肖寒，刘雪骄，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42