PMSM无位置传感器矢量控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种PMSM无位置传感器矢量控制系统及方法，系统包括Clark变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块、逆变器模块、滑模观测器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、转速调节器和电流调节器。本发明专利技术利用滑模观测器替代传统机械传感器检测PMSM的位置与速度，降低了PMSM控制系统的成本与尺寸，提高了系统的可靠性，采用李雅普诺夫函数法设计了一种新型二阶滑模观测器，二阶滑模观测器在没有低通滤波器的情况下消除了系统抖振，获得了光滑的反电动势信号用于转子位置和速度估算，从而提高了观测精度和系统鲁棒性。

PMSM Sensorless Vector Control System and Method

The invention discloses a PMSM sensorless vector control system and method, which includes Clark conversion module, Park conversion module, Park inverse conversion module, pulse width modulation module, inverter module, sliding mode observer, first comparator, second comparator, third comparator, speed regulator and current regulator. The present invention uses sliding mode observer instead of traditional mechanical sensor to detect the position and speed of PMSM, reduces the cost and size of PMSM control system and improves the reliability of the system. A new type of second-order sliding mode observer is designed by using Lyapunov function method. The second-order sliding mode observer eliminates the chattering of the system without low-pass filter, and obtains a smooth back-electromotive force. Potential signals are used to estimate rotor position and speed, which improves the observation accuracy and robustness of the system.

【技术实现步骤摘要】
PMSM无位置传感器矢量控制系统及方法
本专利技术涉及永磁同步电机控制领域，特别是一种PMSM无位置传感器矢量控制系统及方法。
技术介绍
永磁同步电动机具有高功率密度、高效率、高可靠性及结构简单、体积小、重量轻等优点，由于近年来永磁材料价格降低，也使它成为实现电机系统节能的首选。然而，永磁同步电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，在其控制系统设计中，存在如电流耦合、系统饱和、参数摄动和外部扰动等诸多因素，直接影响着永磁同步电机系统性能。在永磁同步电机矢量控制系统中，转子的位置信息起到了至关重要的作用，传统的转子位置检测主要是通过旋转变压器或者光电编码器等机械传感器来实现，但机械传感器具有高成本、低可靠性、低效率等缺点。在某些应用场合甚至还影响了系统的可靠性。近几年来，为避免上述不足，永磁同步电机无位置传感器控制方法得到了快速发展。目前永磁同步电机无位置传感器控制方法已经提出了很多种，例如定子磁链估计法高频信号注入法、状态观测器、模型参考自适应法扩展卡尔曼滤波器滑模观测器和神经网络辨识等。其中滑模观测器由于其相比其他方法更加简单，并且具有较好的鲁棒性因而得以迅速发展。但是，该方法也有自己的缺点，即存在滑模“抖振”现象。为了解决“抖振”问题，国内外学者提出了很多方法来改进滑模观测器的性能。迄今为止，在实际控制系统中，主要有边界层法和低通滤波器法，这两种方法都有其自身的缺陷。采用低通滤波器方法消除抖振，会造成相位滞；而边界层法不能保证在边界范围内收敛到零。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种PMSM无位置传感器矢量控制系统及方法，解决PMSM无位置传感器的矢量控制，消除传统滑模观测器的抖振现象。实现本专利技术目的的技术方案为：一种PMSM无位置传感器矢量控制系统，包括Clark变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块、逆变器模块、滑模观测器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、转速调节器和电流调节器；其中，Clark变换模块的输入端连接永磁同步电机的三相定子电流输出端，Clark变换模块的输出端连接Park变换模块的输入端和滑模观测器的输入端；Park变换模块的d轴电流输出端连接第一比较器的反馈输入端，第一比较器的输出端通过电流调节器连接Park逆变换模块的d轴电压输入端；Park变换模块的q轴电流输出端连接第二比较器的反馈输入端，第二比较器的输出端通过电流调节器连接Park逆变换模块的q轴电压输入端；Park逆变换模块的输出端连接脉冲宽度调制模块的输入端，脉冲宽度调制模块的输出端连接逆变器模块的输入端，逆变器模块的输出端连接永磁同步电机的控制端；滑模观测器的输出端连接第三比较器的反馈输入端，第三比较器的输出端通过转速调节器连接第二比较器的输入端。一种基于上述PMSM无位置传感器矢量控制系统的控制方法，包括以下步骤：步骤一、采集PMSM的三相定子电流信号ia、ib、ic，经过Clark变换输出等效的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ；步骤二、根据步骤一所得的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ输入滑模观测器中估算转子速度ω和位置θ；步骤三、根据步骤一所得的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ经过Park变换输出等效的两相旋转坐标系下的定子电流id、iq；步骤四、将d轴参考电流设为IdREF＝0，与步骤三中得到的电流id进行作差，差值通过电流调节器调节后输出d轴的参考电压Vd；步骤五、根据步骤二中滑模观测器输出的转速估计值与给定转速值NREF作差，差值通过转速调节器后输出q轴的参考电流IqREF；步骤六、根据步骤五中q轴的参考电流IqREF与步骤三中得到的电流iq进行作差，差值通过电流调节器调节后输出q轴的参考电压Vq；步骤七、将步骤四和步骤六中输出的d、q轴参考电压Vd、Vq经过Park反变换，输出两相静止坐标系下的控制电压Vα、Vβ；步骤八、将步骤七中两相控制电压Vα、Vβ进行空间矢量调制，输出6路PWM波形；步骤九、将步骤八中输出的PWM波形输至三相逆变器中，逆变器向PMSM输入三相电压Ua、Ub、Uc，从而控制永磁同步电机运转，完成PMSMA的无位置传感器的矢量控制。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)本专利技术利用滑模观测器替代传统机械传感器检测PMSM的位置与速度，降低了PMSM控制系统的成本与尺寸，提高了系统的可靠性；(2)采用矢量控制，将车载电机的定子电流实现解耦，引入电流、转速双闭环控制，控制简单，调节精度高，基于空间矢量脉冲宽度调制技术(SVPWM)控制逆变电路中电力电子器件的通断，从而给永磁同步电机供电；(3)本专利技术提出了一种新型二阶滑模观测器，它不仅能消除滑模“抖振”现象，而且由于不釆用滤波器，避免了相位滞后。附图说明图1为本专利技术基于滑模观测器的PMSM无位置传感器矢量控制系统结构示意图。图2为本专利技术中滑模观测器系统框图。具体实施方式结合图1、图2，一种PMSM无位置传感器矢量控制系统，包括Clark变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块、逆变器模块、滑模观测器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、转速调节器和电流调节器；其中，Clark变换模块的输入端连接永磁同步电机的三相定子电流输出端，Clark变换模块的输出端连接Park变换模块的输入端和滑模观测器的输入端；Park变换模块的d轴电流输出端连接第一比较器的反馈输入端，第一比较器的输出端通过电流调节器连接Park逆变换模块的d轴电压输入端；Park变换模块的q轴电流输出端连接第二比较器的反馈输入端，第二比较器的输出端通过电流调节器连接Park逆变换模块的q轴电压输入端；Park逆变换模块的输出端连接脉冲宽度调制模块的输入端，脉冲宽度调制模块的输出端连接逆变器模块的输入端，逆变器模块的输出端连接永磁同步电机的控制端；滑模观测器的输出端连接第三比较器的反馈输入端，第三比较器的输出端通过转速调节器连接第二比较器的输入端。一种基于上述PMSM无位置传感器矢量控制系统的控制方法，包括以下步骤：步骤一、采集PMSM的三相定子电流信号ia、ib、ic，经过Clark变换输出等效的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ；步骤二、根据步骤一所得的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ输入滑模观测器中估算转子速度ω和位置θ；步骤三、根据步骤一所得的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ经过Park变换输出等效的两相旋转坐标系下的定子电流id、iq；步骤四、将d轴参考电流设为IdREF＝0，与步骤三中得到的电流id进行作差，差值通过电流调节器调节后输出d轴的参考电压Vd；步骤五、根据步骤二中滑模观测器输出的转速估计值与给定转速值NREF作差，差值通过转速调节器后输出q轴的参考电流IqREF；步骤六、根据步骤五中q轴的参考电流IqREF与步骤三中得到的电流iq进行作差，差值通过电流调节器调节后输出q轴的参考电压Vq；步骤七、将步骤四和步骤六中输出的d、q轴参考电压Vd、Vq经过Park反变换，输出两相静止坐标系下的控制电压Vα、Vβ；步骤八、将步骤七中两相控制电压Vα、Vβ进行空间矢量调制，输出6路PWM波形；步骤九、将步骤八中输出的PWM波形输至三相逆变器中，逆变器向PMSM输入三相电压Ua、Ub、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种PMSM无位置传感器矢量控制系统，其特征在于，包括Clark变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块、逆变器模块、滑模观测器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、转速调节器和电流调节器；其中，Clark变换模块的输入端连接永磁同步电机的三相定子电流输出端，Clark变换模块的输出端连接Park变换模块的输入端和滑模观测器的输入端；Park变换模块的d轴电流输出端连接第一比较器的反馈输入端，第一比较器的输出端通过电流调节器连接Park逆变换模块的d轴电压输入端；Park变换模块的q轴电流输出端连接第二比较器的反馈输入端，第二比较器的输出端通过电流调节器连接Park逆变换模块的q轴电压输入端；Park逆变换模块的输出端连接脉冲宽度调制模块的输入端，脉冲宽度调制模块的输出端连接逆变器模块的输入端，逆变器模块的输出端连接永磁同步电机的控制端；滑模观测器的输出端连接第三比较器的反馈输入端，第三比较器的输出端通过转速调节器连接第二比较器的输入端。

【技术特征摘要】
1.一种PMSM无位置传感器矢量控制系统，其特征在于，包括Clark变换模块、Park变换模块、Park逆变换模块、脉冲宽度调制模块、逆变器模块、滑模观测器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、转速调节器和电流调节器；其中，Clark变换模块的输入端连接永磁同步电机的三相定子电流输出端，Clark变换模块的输出端连接Park变换模块的输入端和滑模观测器的输入端；Park变换模块的d轴电流输出端连接第一比较器的反馈输入端，第一比较器的输出端通过电流调节器连接Park逆变换模块的d轴电压输入端；Park变换模块的q轴电流输出端连接第二比较器的反馈输入端，第二比较器的输出端通过电流调节器连接Park逆变换模块的q轴电压输入端；Park逆变换模块的输出端连接脉冲宽度调制模块的输入端，脉冲宽度调制模块的输出端连接逆变器模块的输入端，逆变器模块的输出端连接永磁同步电机的控制端；滑模观测器的输出端连接第三比较器的反馈输入端，第三比较器的输出端通过转速调节器连接第二比较器的输入端。2.一种基于权利要求1所述PMSM无位置传感器矢量控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、采集PMSM的三相定子电流信号ia、ib、ic，经过Clark变换输出等效的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ；步骤二、根据步骤一所得的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ输入滑模观测器中估算转子速度ω和位置θ；步骤三、根据步骤一所得的两相静止坐标系下的定子电流iα、iβ经过Par...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈静，卢烨，干淑阳，于航，邵敏峰，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32