一种电机全速域无传感位置估计与控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电机全速域无传感位置估计与控制方法及系统，首先，通过转子磁链观测器提取电机中高速运行时的转子磁链的归一化信号；其次，基于方波注入估计器提取电机零速、低速运行时的归一化高频电流导数包络线信号；然后，基于归一化磁链和归一化包络线的非线性过渡算法完成零低速到中高速运行的平稳切换；最后，通过加入转子估计误差的高次项，增强系统抗干扰能力、提高估计器收敛速度。本发明专利技术相较于传统的锁相环技术，估计精度高、抗干扰能力好，具有更强的抗噪声能力；能够同时适用于零速、低速、中速、高速运行状态，覆盖全速域；且相较于传统的基于角度切换的过渡策略，切换过程平稳。切换过程平稳。切换过程平稳。

【技术实现步骤摘要】
一种电机全速域无传感位置估计与控制方法及系统


[0001]本专利技术属于电机控制领域，具体涉及一种电机全速域无传感位置估计与控制方法及系统。

技术介绍

[0002]永磁同步、直流无刷等电机因其功率密度高、体积小、调速性能好等特点，被广泛应用于工业中。为了获得电机转子位置和速度信息，通常需要在转轴上安装霍尔传感器、光电编码器、旋转变压器等位置传感器，既增加了电机尺寸，又增加了成本，且传感器在高温、高湿度、粉尘、振动、电磁干扰等恶劣环境下容易损坏，导致系统可靠性降低，因此，如何在不使用传感器的情况下实现电机的高性能控制是目前的一个研究热点和难点。
[0003]现有的无传感算法主要分为两类：一类是适用于电机中高速运行下的基于反电动势的估计方法。这种方法本质上是利用电机转子旋转时产生的反电动势直接计算或者构建观测器得到电机转子位置或者速度信息。此种方法通常采用传统的PID型锁相环技术，但是其在系统状态发生快速变化时无法准确且快速的跟踪转子的位置和速度信号。并且由于电机在低速运行时产生的反电动势信号较弱，测量过程中引入的噪声或者电机参数的不确定性会使得估计的位置和速度值产生较大的偏差，严重影响电机运行的平稳性，而在电机静止时，反电动势信号幅值为0，无法计算出此时的转子位置和速度。而另一类是适用于电机静止或低速运行状态下的高频信号注入法，这种方法利用的是电机的结构凸极性或者饱和凸极性，需要在原有磁场定向控制方法中的电压命令的基础上叠加高频信号。在电机凸极性的作用下，高频电压信号激励出的高频电流幅值或相位会随着转子位置的变化而变化。此时只需要对高频电流信号进行处理就可以得到转子的位置或速度，但是当电机转速较高时，电机旋转产生反电动势信号又会影响高频注入方法的估计精度。为了实现全速域的电机无传感控制，通常结合两种算法，并在两种方法的过渡区域采用线性加权算法进行估计位置和速度的切换。但是这种方法在切换过程中会产生较大的速度波动影响控制性能。此外，传统的无传感位置估计方法由于收敛速度较慢也限制了其快速响应的能力，不利于其应用于负载或输入需要快速变化的场景。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的在于提出一种电机全速域无传感位置估计与控制方法及系统，估计精度高、抗干扰能力好，且具有更强的抗噪声能力。
[0005]技术方案：本专利技术所述的一种电机全速域无传感位置估计与控制方法，包括以下步骤：
[0006](1)通过转子磁链观测器提取电机中高速运行时的转子磁链的归一化信号；
[0007](2)基于方波注入估计器提取电机零速、低速运行时的归一化高频电流导数包络线信号；
[0008](3)基于归一化磁链和归一化包络线的非线性过渡算法完成零低速到中高速运行
的平稳切换；
[0009](4)通过加入转子估计误差的高次项，增强电机全速域无传感位置估计与控制系统抗干扰能力、提高估计器收敛速度。
[0010]进一步地，所述步骤(1)包括以下步骤：
[0011](11)建立电机的在两相静止坐标系下的基波数学模型：
[0012][0013][0014][0015]其中，u
α
、u
β
和i
α
、i
β
分别是两相静止轴系下的定子电压和定子电流，R是定子相电阻,L
d
和L
q
分别是定子dq轴相电感，θ
e
是转子电角度，ω
e
是转子电角速度，ψ
f
是转子磁链；
[0016](12)建立降阶状态观测器
[0017][0018][0019][0020]其中,γ
i
(i＝1
…
4)是观测器增益；是转子磁链矢量在静止两相坐标系下的投影；sgn(*)是取符号函数；是转子位置的估计值，是转子速度的估计值；
[0021](13)利用降阶状态观测器得到电机转子磁链大小：采用归一化方法对得到转子磁链进行处理得到归一化磁链信号F
cos
、F
sin
：
[0022][0023]进一步地，所述步骤(2)实现过程如下：
[0024]当注入信号频率较高时，忽略电机定子电阻和反电动势，建立电机高频信号模型：
[0025][0026]其中,u
dh
、u
qh
和i
dh
、i
qh
分别是转子同步轴系下的定子电压高频分量和定子电流高
频分量；
[0027]在估计的转子同步坐标系下的高频电压信号：
[0028][0029]其中，V
inj
为注入方波电压的幅值，ΔT为采样时间间隔，n为当前采样次数；
[0030]激励出的高频电流在静止αβ坐标系下的数学模型：
[0031][0032]利用差分代替微分，并代入注入的高频信号可得
[0033][0034]取其包络线并归一化得：
[0035][0036]进一步地，所述步骤(3)实现过程如下：
[0037][0038][0039]G
cos
＝F
cos
*r+E
cos
(1
‑
r)
[0040]G
sin
＝F
sin
*r+E
sin
(1
‑
r)
[0041]其中，ω
d
和ω
u
为切换过程的开始速度和结束速度,G
cos
、G
sin
分别为转子角度的正余弦信号，λ>0用于控制过渡阶段的切换速度，λ越大，切换越快。
[0042]进一步地，所述步骤(4)实现过程如下：
[0043][0044]Δ2ω(k)＝η1e(k)+η2e(k
‑
1)+η3e(k
‑
2)+η4e2(k)+η5e2(k
‑
1)+η6e2(k
‑
2)+η7e(k)*e(k
‑
1)+η8e(k)e(k
‑
2)+η9e(k
‑
1)e(k
‑
2)
[0045]Δω(k)＝Δω(k
‑
1)+Δ2ω(k)
[0046]ω(k)＝ω(k
‑
1)+Δω(k
‑
1)+Δ2ω(k)
[0047][0048]其中，e(k)是第K次计算时的等效误差，η
i
(i＝1
…
9)为估计器参数。
[0049]基于相同的专利技术构思，本专利技术还提出一种电机全速域无传感位置估计与控制系统，包括：速度环控制器、d轴电流环控制器、q轴电流环控制器、逆Park变换模块、空间矢量脉冲宽度调制SVPWM模块、三相逆变器、三相永磁同步电机、电流采样模块本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电机全速域无传感位置估计与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过转子磁链观测器提取电机中高速运行时的转子磁链的归一化信号；(2)基于方波注入估计器提取电机零速、低速运行时的归一化高频电流导数包络线信号；(3)基于归一化磁链和归一化包络线的非线性过渡算法完成零低速到中高速运行的平稳切换；(4)通过加入转子估计误差的高次项，增强电机全速域无传感位置估计与控制系统抗干扰能力、提高估计器收敛速度。2.根据权利要求1所述的电机全速域无传感位置估计与控制方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：(11)建立电机的在两相静止坐标系下的基波数学模型：1)建立电机的在两相静止坐标系下的基波数学模型：1)建立电机的在两相静止坐标系下的基波数学模型：其中，u
α
、u
β
和i
α
、i
β
分别是两相静止轴系下的定子电压和定子电流，R是定子相电阻，L
d
和L
q
分别是定子dq轴相电感，θ
e
是转子电角度，ω
e
是转子电角速度，ψ
f
是转子磁链；(12)建立降阶状态观测器(12)建立降阶状态观测器(12)建立降阶状态观测器其中，γ
i
(i＝1...4)是观测器增益；是转子磁链矢量在静止两相坐标系下的投影；sgn(*)是取符号函数；是转子位置的估计值，是转子速度的估计值；(13)利用降阶状态观测器得到电机转子磁链大小：采用归一化方法对得到转子磁链进行处理得到归一化磁链信号F
cos
、F
sin
：
3.根据权利要求1所述的电机全速域无传感位置估计与控制方法，其特征在于，所述步骤(2)实现过程如下：当注入信号频率较高时，忽略电机定子电阻和反电动势，建立电机高频信号模型：其中，u
dh
、u
qh
和i
dh
、i
qh
分别是转子同步轴系下的定子电压高频分量和定子电流高频分量；在估计的转子同步坐标系下的高频电压信号：其中，V
inj
为注入方波电压的幅值，ΔT为采样时间间隔，n为当前采样次数；激励出的高频电流在静止αβ坐标系下的数学模型：利用差分代替微分，并代入注入的高频信号可得取其包络线并归一化得：4.根据权利要求1所述的电机全速域无传...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙敬滨，鞠锋，汪庆浩，陈柏，吴洪涛，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：