一种基于内置式永磁同步电机的无速度传感器控制方法技术

一种基于内置式永磁同步电机的无速度传感器控制方法，其特征是，所述无速度传感器控制方法，写出αβ坐标系下忽略铁损耗涡流损耗以及饱和效应的内置式永磁同步电机(IPMSM)的电压方程,以定子电流为状态变量建立IPMSM状态方程；b.构造滑模面，根据状态方程建立有效磁链超螺旋滑模观测器并给出稳定性分析；c.通过观测器得出的关于有效磁链信息，将其作为输入，采用基于锁相环的转子位置估计方法，实现转子位置的实时跟踪；本发明专利技术的控制方法可以适用于中高速区域，而相较于脉振高频注入的方法只适用于低速区域。只适用于低速区域。只适用于低速区域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于内置式永磁同步电机的无速度传感器控制方法


[0001]本专利技术针对永磁同步电机，提出了一种无速度传感器方法。尤其是一种基于内置式永磁同步电机的有效磁链超螺旋滑模观测器控制方法。

技术介绍

[0002]永磁同步电机由于其功率因素高，运行范围广，维护成本低和结构简单等优越性能被广泛应用。为了提高电机驱动性能，降低控制系统的成本，学者们提出了很多方法。实现高性能的交流电机驱动控制，前提就是要准确的获取转子位置信息。目前，电机的转子位置信息一般通过在电机转轴上安装光电编码器、旋转变压器来检测，使用这种机械式传感器不仅会增加驱动系统的复杂性，同时也提高了系统实现的成本。在一些特殊环境下，也不允许在电机转轴上安装传感器，这大大限制了永磁同步电机的应用场合。
[0003]中国专利申请，申请号CN201010508205.2，公开日2011年2月2日，公开了一种永磁同步电机无传感器控制方法，包括磁链/电流状态观测器和反电动势测量模块，磁链/电流状态观测器为滑模观测器，滑模观测器采用滑模变结构控制，滑模观测器的坐标系为估计旋转坐标系，坐标系以的角速度旋转，并滞后坐标系的电角度；在所述控制参数计算模块中，计算转子位置误差.该专利采用的是滑模观测器，相较于本专利的超螺旋滑模算法，提取的信号有更强烈的抖振。
[0004]中国专利申请，申请号CN201710117341.0，公开日2019年8月2日，公开了一种永磁同步电机无位置传感器控制方法.通过脉振高频电压信号注入，从高频电流响应中估计出电机转子的位置与转速。其步骤包括：产生高频电压信号vh并注入到估计的轴系中，生成信号调制数组Am；电流传感器采样定子绕组电流，进行坐标变换并提取高频分量和将与信号调制数组Am相乘得到目标值Pv1，获取磁极位置估计值及转速估计值将与信号调制数组Am相乘得到目标值Pv2，判断磁极极性，对补偿后输出转子位置估计值该方法可以实现零速及低速时的位置辨识，辨识过程无需使用滤波器。该专利采用的是高频信号注入的方法来提取转子位置信号，不过仅适用于低速区域，本专利可以对中高速区域进行观测。
[0005]1.要解决的技术问题
[0006]针对内置式永磁同步电机中无传感的控制问题，本专利技术提供了一种基于有效磁链超螺旋滑模观测器的控制方法，来估算永磁同步电机在中高速的转子位置和转速。
[0007]2.技术方案
[0008]本专利技术的目的通过以下技术方案实现。
[0009]一种基于内置式永磁同步电机的无速度传感器控制方法包括：
[0010]a.写出αβ坐标系下内置式永磁同步电机(IPMSM)的电压方程,以定子电流为状态变量建立IPMSM状态方程；
[0011]b.构造滑模面，根据状态方程建立有效磁链超螺旋滑模观测器并给出稳定性分析；
[0012]c.通过观测器得出的关于有效磁链信息，将其作为输入，采用基于锁相环的转子
位置估计方法，实现转子位置的实时跟踪；
[0013]进一步的，通过使用牛顿运动定律，外骨骼机器人中的串级弹性作动器SEA的标称模型可以写为：
[0014]忽略铁损耗，涡流损耗以及饱和效应得到IPMSM的电压方程
[0015][0016]其中，u
αβ
，i
αβ
为静止坐标系中的电压、电流，R
S
,L
q
为定子电阻和q轴电感。通常情况下，电机的机械时间常数远大于其电气时间常数，则其中L
d
为转子磁链和d轴电感，θ
r
为转子位置角。
[0017]更进一步的，以定子电流为状态变量建立IPMSM状态方程：
[0018][0019]其中，ω
e
为转子电角速度，为αβ轴有效磁链值。
[0020]更进一步的，构造滑模面，根据状态方程建立有效磁链超螺旋滑模观测器：
[0021]构造滑模面为观测器可以被建立为：
[0022][0023]其中，“︿”表示变量估计值。带有扰动的超螺旋算法的基础形式可写做：
[0024][0025]其中，k
i
,ρ
i
和sign()分别是状态变量，估计值与实际值误
差，滑模增益，扰动项和sign函数。将和代入(4)式，则(4)式可被写为：
[0026][0027]那么扰动项可以被设计为：
[0028][0029]那么观测器则可以用以下方式描述：
[0030][0031]只要扰动项|ρ1|≤δ1|x1|
1/2
,ρ2＝0并且那么系统会在有限时间收敛于滑模面，其中δ1为正数。将(6)代入上式，则对于足够大的δ1，上述不等式可以被轻易满足。
[0032]将(7)与(2)相减，那么αβ轴的电流误差的状态方程为：
[0033][0034]当系统稳定，估计误差就在滑模面上，意味着估计值接近于实际值(i
α
≈0,i
β
≈0)，那么就是
[0035][0036]5.更进一步的，通过观测器得出的关于有效磁链信息，将其作为输入，采用基于锁相环的转子位置估计方法，实现转子位置的实时跟踪：
[0037]根据附图3，令当与θ
r
相差较小时，那么可以认为则误差信号就为
[0038][0039]对进行归一化处理，则等效位置误差信息可表示为：
[0040][0041]通过对位置误差信号Δθ
r
进行PI调节就可以得到转速估计值，然后对估计转速积分就可以得到转速估计值，然后对估计转速积分就可以得到转子位置信息，从而无速度传感器控制。PI调节过程可用下式表示：
[0042][0043]其中，k
i
,k
p
为PI调节器增益系数，均为正常数。
[0044]3.有益效果
[0045]相比于现有技术，本专利技术的优点在于：
[0046](1)设计了一种有效磁链超螺旋滑模观测器，目前大多方法针对于表贴式永磁同步电机，本专利技术应用的是内置式永磁同步电机。
[0047](2)本专利技术的控制方法可以适用于中高速区域，而相较于脉振高频注入的方法只适用于低速区域。
附图说明
[0048]图1为提出的内置式永磁同步电机无传感方法的实现框图；
[0049]图2为有效磁链超螺旋滑模观测器的框图；
[0050]图3为锁相环的框图。
[0051]图4为流程示意图。
具体实施方式
[0052]下面结合说明书附图和具体的实施例，对本专利技术作详细描述。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。
[0053]图1为本专利技术提供的基于有效磁链超螺旋滑模观测器的内置式永磁同步电机的无
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于内置式永磁同步电机的无速度传感器控制方法，其特征是，所述无速度传感器控制方法，包括：a.写出αβ坐标系下忽略铁损耗涡流损耗以及饱和效应的内置式永磁同步电机(IPMSM)的电压方程,以定子电流为状态变量建立IPMSM状态方程；b.构造滑模面，根据状态方程建立有效磁链超螺旋滑模观测器并给出稳定性分析；c.通过观测器得出的关于有效磁链信息，将其作为输入，采用基于锁相环的转子位置估计方法，实现转子位置的实时跟踪。2.根据权利要求1所述的一种基于内置式永磁同步电机的无速度传感器控制方法，其特征在于：忽略铁损耗涡流损耗以及饱和效应的内置式永磁同步电机(IPMSM)的电压方程其中，u
αβ
，i
αβ
为静止坐标系中的电压、电流，R
S
,L
q
为定子电阻和q轴电感。通常情况下，电机的机械时间常数远大于其电气时间常数，则其中其中L
d
为转子磁链和d轴电感，θ
r
为转子位置角。3.根据权利要求1所述的一种基于内置式永磁同步电机的无速度传感器控制方法，其特征在于：以定子电流为状态变量建立IPMSM状态方程：其中，ω
e
为转子电角速度，为αβ轴有效磁链值。4.根据权利要求1所述的一种基于内置式永磁同步电机的无速度传感器控制方法，其特征在于：构造滑模面，根据状态方程建立有效磁链超螺旋滑模观测器：构造滑模面为观测器可以被建立为：
其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴华，徐品进，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：