基于永磁同步电机全速域的双观测器切换运行方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了基于永磁同步电机全速域的双观测器切换运行方法，包括电机、高速观测器和低速观测器；所述方法包括步骤：S1：选择电机的工作速度区域；S2：判断电机的工作速度区域，采用对应的观测器输出信息；S3：获取电流环PI调节器输出的电压信号和电流信号，并对该电压信号、电流信号进行线性变换后反馈；其中，电压信号包括直轴电压Ud和交轴电压Uq；具体计算为求出dq1坐标系和dq2坐标系之间的角度差Δθ＝θ1‑θ2，并分别计算出dq1坐标系下的输出电压和电流信号在dq2坐标系下的投影。该方法在运行过渡过程中的坐标系切换逻辑，使得切换的过程中保证系统稳定、无电流冲击；且能保证在不引起电流突变的情况下实现观测器的瞬间切换。

【技术实现步骤摘要】
基于永磁同步电机全速域的双观测器切换运行方法及系统
本专利技术涉及永磁同步电机控制领域，特别是涉及一种基于永磁同步电机全速域无感控制的双观测器切换运行方法。
技术介绍
在永磁同步电机无传感器全速域控制的过程中，对低速段和中高速段分别使用不同的观测器来实现对电机转子位置角度和速度的观测。低速段一般使用开环拖动方案或者基于电机高频模型估计的方案等；而中高速段一般使用基于电机基波模型估计的方案，如，反电动势估计和磁链估计法等。但是在低速和中高速的过渡过程中存在两个观测器分别观测到的转子位置角度、速度信息不一致的问题。故需要将两个观测器输出的信息融合，但信息融合处理不好的情况下会导致电机相电流突变，不利于电机系统的稳定运行。目前技术观测器信息融合的方法主要是，以速度为自变量的加权函数法。如图1所示，w1～w2的速度区间范围是过渡区间，其中w1是切换的速度下限，w2是切换的速度上限。当速度小于w1时，h(w)＝1，此时低速观测器输出的权重为1；同理当速度大于w2时，h(w)＝0,高速观测器输出信息的权重为1-h(w)＝1；在w1～w2区间内根据当前速度计算出各自的权重，观测器输出信息乘以各自的权重，再相加就得到融合后的信息。此方案虽然简单容易实施，但是当系统运行在w1～w2转速段，系统最终使用的角度和速度信息y(x)是来自于两个观测器y1(x)和y2(x)各自输出的权重再求和，即y(x)＝h(w)*y1(x)+(1-h(w))*y2(x)。系统最终使用的角度和速度信息y(x)与两个观测器输出的y1(x)，y2(x)都存在一定误差。当电机急加速过程中，以很短的时间穿过w1～w2转速段，就会导致系统角度突变，会引起电压和电流的突变，进而影响系统的稳定可靠运行。简而言之，现有技术的缺点为：当系统长时间运行在w1～w2转速段，会引起观测器输出震荡甚至观测器不稳定，进而导致电机异常抖动，甚至失控。在永磁同步电机无传感器控制领域，目前大多采用两种控制方案：(1)三段式启动法，先预定位，再以固定的I/F曲线对电机开环拖动(拖动的过程是位置开环的，没有转子位置角度和速度反馈，所以会有启动时间长、抗扰动性能差的特点)。等到将转子拖动到中高速阶段，此时可以依赖基于反电动势观测或者磁链观测的观测器准确估算转子的位置。然后再实施从开环拖动的坐标系切换到估计的转子坐标系，此时电机启动完成；(2)低速采用高频信号注入方法，通过注入高频的电压或者电流，根据电机的高频数学模型构造观测器对转子的速度和位置进行实时估计。当电机运行至中高速阶段，同样需要实施将电机从低速观测坐标系切换到高速观测坐标系这一操作。高速采用同第一种相同方案(反电势和磁链估计的方法)。前述的两种方案，除了中高速阶段可以使用相同的观测方案以外，都需要在低速和中高速过渡的过程中实施两个坐标系的切换操作。因此，针对现有技术中存在的问题，亟需提供一种能保证在不引起电流突变的情况下实现观测器的瞬间切换，在任意时刻系统都以其中一个观测器输出的信息为准的基于永磁同步电机全速域无感控制的双观测器切换运行方法显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于避免现有技术中的不足之处，而提供了一种基于永磁同步电机全速域的双观测器切换运行方法，该方法在运行过渡过程中的坐标系切换逻辑，使得切换的过程中保证系统稳定、无电流冲击；且能保证在不引起电流突变的情况下实现观测器的瞬间切换，任意时刻，系统都以其中一个观测器输出的信息为准，即y(x)＝y1(x)或者y(x)＝y2(x)。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于永磁同步电机全速域的双观测器切换运行方法，包括电机、高速观测器和低速观测器；所述方法包括以下步骤：步骤S1：选择电机的工作速度区域，包括低转速区、滞回区间和高转速区，其中，电机转速w≤w1的转速范围为低转速区，电机转速w≥w2的转速范围为高转速区，w1＜w＜w2的转速范围为滞回区间；w1、w2为系统预先设定的转速值；步骤S2：判断电机的工作速度区域，采用对应的观测器输出信息，其判断方式如下：若当前电机的工作速度区域为低转速区，则以低速观测器的输出信息作为系统采用的转子位置角度和速度值；当电机的转速从当前的低转速区上升至转速为w2时，系统切换成采用高速观测器输出的转子速度和位置角度信息；若当前电机的工作速度区域为高转速区，则以高速观测器的输出信息作为系统采用的转子位置角度和速度值；当电机的转速从当前的高转速区下降至转速为w1时，系统切换成采用低速观测器输出的转子速度和位置角度信息；若当前电机的工作速度区域为滞回区间，则进行调试设定，以使高速观测器和低速观测器分别在高转速区、低转速区内稳定工作；步骤S3：获取电流环PI调节器输出的电压信号和电流信号，并对该电压信号、电流信号进行线性变换后反馈；其中，电压信号包括直轴电压Ud和交轴电压Uq；其线性变换方式如下：S3-1：将电机的转子速度和位置角度信息变换成dq坐标系，分别形成与低转速区对应的dq1坐标系，以及与高转速区对应的dq2坐标系；其中，在dq1坐标系中，d1向量与坐标系横轴α的夹角为θ1，d2向量与坐标系横轴α的夹角为θ2；S3-2：求出dq1坐标系和dq2坐标系之间的角度差Δθ＝θ1-θ2，并分别计算出dq1坐标系下的输出电压和电流信号在dq2坐标系下的投影，其计算公式如下：其中，Δθ表示突变程度的大小，；S3-3：切换观测器，同时电流环PI调节器输出由步骤S3-2计算得到的电压信号Ud2、Uq2，以及电流信号Id2_ref、Iq2_ref至系统。具体的，在步骤S3-1中，由于两个观测器是同事运行的，所以同时会有两个不同的转速和位置角度信息，也可以看作是两个不同的观测坐标系。dq坐标系的定义如下：低速观测器输出对应的为dq1坐标系，以及高速观测器输出对应的为dq2坐标系。具体的，在所述步骤S3中，由于在观测器快速切换的时刻，低速观测器和高速观测器输出的信息很可能不会相同，即θ1≠θ2，Δθ＝θ1-θ2≠0。若此时直接切换观测器会导致切换的前一时刻和后一时刻转子位置角度出现大的突变，Δθ代表着突变程度的大小。另外，系统电流环对电流的控制是在旋转的转子坐标系实现的，当系统转子位置角度发生突变就会导致采集到的相电流在转子坐标系上的映射发生突变，同理，电流环输出的直轴电压Ud和交轴电压Uq在静止坐标系的映射Ua，Ub，Uc也会突变。其中，电压的突变会直接快速地引起相电流畸变。因此，需要在切换位置观测器的同时，对电流环PI调节器输出的电压和电流信号进行线性变换。假如，先将电机的转子速度和位置角度信息从静止坐标系转换为dq坐标系，当前需要从dq1坐标系切换到dq2坐标系，第一步：需要在变换之前先求出两个坐标系之间的角度差Δθ，然后用上述公式分别求出dq1坐标系下的输出电压和电流信号在dq2坐标系下的投影；第二步，切换观测器(即切换坐标系)，同时输出电压和电流信号使用第一步计算得到值。此时坐标系线性变换前后电压和电流在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于永磁同步电机全速域的双观测器切换运行方法，其特征在于，包括电机、高速观测器和低速观测器；所述方法包括以下步骤：/n步骤S1：选择电机的工作速度区域，包括低转速区、滞回区间和高转速区，其中，电机转速w≤w1的转速范围为低转速区，电机转速w≥w2的转速范围为高转速区，w1＜w＜w2的转速范围为滞回区间；w1、w2为系统预先设定的转速值；/n步骤S2：判断电机的工作速度区域，采用对应的观测器输出信息，其判断方式如下：/n若当前电机的工作速度区域为低转速区，则以低速观测器的输出信息作为系统采用的转子位置角度和速度值；当电机的转速从当前的低转速区上升至转速为w2时，系统切换成采用高速观测器输出的转子速度和位置角度信息；/n若当前电机的工作速度区域为高转速区，则以高速观测器的输出信息作为系统采用的转子位置角度和速度值；当电机的转速从当前的高转速区下降至转速为w1时，系统切换成采用低速观测器输出的转子速度和位置角度信息；/n若当前电机的工作速度区域为滞回区间，则进行调试设定，以使高速观测器和低速观测器分别在高转速区、低转速区内稳定工作；/n步骤S3：获取电流环PI调节器输出的电压信号和电流信号，并对该电压信号、电流信号进行线性变换后反馈；其中，电压信号包括直轴电压Ud和交轴电压Uq；其线性变换方式如下：/nS3-1：将电机的转子速度和位置角度信息变换成dq坐标系，分别形成与低转速区对应的dq1坐标系，以及与高转速区对应的dq2坐标系；其中，在dq1坐标系中，d1向量与坐标系横轴α的夹角为θ1，d2向量与坐标系横轴α的夹角为θ2；/nS3-2：求出dq1坐标系和dq2坐标系之间的角度差Δθ＝θ1-θ2，并分别计算出dq1坐标系下的输出电压和电流信号在dq2坐标系下的投影，其计算公式如下：/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于永磁同步电机全速域的双观测器切换运行方法，其特征在于，包括电机、高速观测器和低速观测器；所述方法包括以下步骤：
步骤S1：选择电机的工作速度区域，包括低转速区、滞回区间和高转速区，其中，电机转速w≤w1的转速范围为低转速区，电机转速w≥w2的转速范围为高转速区，w1＜w＜w2的转速范围为滞回区间；w1、w2为系统预先设定的转速值；
步骤S2：判断电机的工作速度区域，采用对应的观测器输出信息，其判断方式如下：
若当前电机的工作速度区域为低转速区，则以低速观测器的输出信息作为系统采用的转子位置角度和速度值；当电机的转速从当前的低转速区上升至转速为w2时，系统切换成采用高速观测器输出的转子速度和位置角度信息；
若当前电机的工作速度区域为高转速区，则以高速观测器的输出信息作为系统采用的转子位置角度和速度值；当电机的转速从当前的高转速区下降至转速为w1时，系统切换成采用低速观测器输出的转子速度和位置角度信息；
若当前电机的工作速度区域为滞回区间，则进行调试设定，以使高速观测器和低速观测器分别在高转速区、低转速区内稳定工作；
步骤S3：获取电流环PI调节器输出的电压信号和电流信号，并对该电压信号、电流信号进行线性变换后反馈；其中，电压信号包括直轴电压Ud和交轴电压Uq；其线性变换方式如下：
S3-1：将电机的转子速度和位置角度信息变换成dq坐标系，分别形成与低转速区对应的dq1坐标系，以及与高转速区对应的dq2坐标系；其中，在dq1坐标系中，d1向量与坐标系横轴α的夹角为θ1，d2向量与坐标系横轴α的夹角为θ2；
S3-2：求出dq1坐标系和dq2坐标系之间的角度差Δθ＝θ1-θ2，并分别计算出dq1坐标系下的输出电压和电流信号在dq2坐标系下的投影，其计算公式如下：






其中，Δθ表示突变程度的大小；
S3-3：切换观测器，同时电流环PI调节器输出由步骤S3-2计算得到的电压信号Ud2、Uq2，以及电流信号Id2_ref、Iq2_ref至系统。


2.根据权利要求1所述的双观测器切换运行方法，其特征在于，在所述步骤S3-2中，依次通过Clark变换、Park变换获得电机的转子速度和位置角度信息的dq坐标系。


3.一种应用如权利要求1所述方法的基于永磁同步电机全速域的双观测器切换运行控制系统，其特征在于，包括转速调节器、电流环PI调节器、数学变换模块、SVPWM模块、逆变器、低速观测器、高速观测器、电机和坐标系切换逻辑模块；
所述转速调节器配置为接收设定的转速信号和坐标系切换逻辑模块的反馈转速信号，经转速调节器调节后，输出q轴电流给定信号Iqref至电流环PI调节器；
所述电流环PI调节器配置为分别接收设定的d...

【专利技术属性】
技术研发人员：门强，
申请(专利权)人：深圳市泛仕达电力电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44