基于自抗扰的无位置传感器超高速永磁同步电机转速控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于自抗扰的无位置传感器超高速永磁同步电机转速控制方法，包括以下步骤：将两相静止坐标系下定子电压和电流共同输入到基于扩展反电动势观测算法的状态观测器，将伴随噪声信号的转子位置信号输入到扩张状态观测器中，实时电机转速与经过跟踪微分器处理过的目标转速共同输入到线性反馈控制器中；输出电磁转矩与负载转矩实时扰动量之和，进行转矩解析得到电流闭环控制所需电流指令。本发明专利技术还公开一种基于自抗扰的无位置传感器超高速永磁同步电机转速控制系统。本发明专利技术不仅能得到精确的电机转子位置观测值，还能准确跟踪快速变化的电机转速，同时兼顾系统的稳态性能和瞬态性能。能和瞬态性能。能和瞬态性能。

【技术实现步骤摘要】
基于自抗扰的无位置传感器超高速永磁同步电机转速控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及电机控制
，具体涉及一种基于自抗扰的无位置传感器超高速永磁同步电机转速控制方法及系统。

技术介绍

[0002]超高速(每分钟10万转级别及以上)永磁同步电机具有体积小、效率高、功率密度高等优点，正广泛应用于驱动燃气轮机、钻孔主轴、车用燃料电池空压机等场景。虽然随着转子动力学、热力学、无油轴承和高效冷却系统等难点的深入研究，超高速永磁同步电机的高转速需求已具备实体硬件层面的技术条件，但是其小转动惯量特性对动态响应能力提出较高要求，这需要在电机软件控制算法层面加以深入研究。由于常规的机械式电机转子位置传感器在高速工况精度变差、可靠性降低，且受安装空间的限制，通常超高速永磁同步电机控制系统采用无位置传感器控制技术。常见的应用于超高速永磁同步电机控制系统的转子位置估计算法大多基于电机数学模型，有滑膜估计法、模型参考自适应法、扩展卡尔曼滤波法等，这些算法虽然能较精确地估计出转子位置，但是在设计过程中较少考虑转速控制环节，使得负载转矩扰动或者大范围调速时，电机的动态响应能力不足易导致目标转速跟踪失败，或实际转速波动较大造成高频噪声影响整车的舒适性。此外，转速指令曲线需针对性进行设计，常用的保持恒定加速度的转速指令曲线存在系统的快速动态响应速度和控制稳定性之间的矛盾。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于自抗扰的无位置传感器超高速永磁同步电机转速控制方法及系统，用于实现提升转子位置精度和转速观测的瞬态响应能力。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于自抗扰的无位置传感器超高速永磁同步电机转速控制方法，包括以下步骤：
[0005]获取逆变器输出的相电流i
a
和i
b
进行Clark变换，将其转换为两相静止坐标系下定子电流i
α
和i
β
；
[0006]根据所述两相静止坐标系下定子电流i
α
和i
β
及两相静止坐标系下定子电压指令和计算得到两相静止坐标系下扩展反电动势估计值和
[0007]对所述两相静止坐标系下扩展反电动势估计值和进行反正切运算，得到转子位置角
[0008]对所述转子位置角进行扩张状态观测，得到转子位置观测值电机转速观测值电机转速微分观测值负载扰动观测值
[0009]利用转子位置观测值对所述两相静止坐标系下定子电流i
α
和i
β
进行Park变换，得到两相旋转坐标系下定子电流；
[0010]获取目标转速ω
cmd
，对其进行过渡处理，得到参考转速v1、参考转速的导数v2；
[0011]对所述电机转速观测值电机转速微分观测值参考转速v1、参考转速的导数v2进行线性反馈计算，得到参考电磁转矩指令初始值T
e0
；
[0012]对参考电磁转矩指令初始值T
e0
和负载扰动观测值进行前馈补偿计算，得到电机电磁转矩指令T
e
；
[0013]对电机电磁转矩指令T
e
进行转矩解析，得到电流指令，根据电流指令控制超高速永磁同步电机的运行。
[0014]优选地，对电机电磁转矩指令T
e
进行转矩解析，得到电流指令，根据电流指令控制超高速永磁同步电机的运行，具体包括以下步骤：
[0015]所述电流指令包括两相旋转坐标系下定子电流指令和
[0016]对所述两相旋转坐标系下定子电流i
d
和i
q
及两相旋转坐标系下定子电流指令和进行PI调节，计算得到两相旋转坐标系下定子电压指令和
[0017]利用转子位置观测值对所述两相旋转坐标系下定子电压指令和进行Park反变换，得到两相静止坐标系下定子电压指令和
[0018]将两相静止坐标系下定子电压指令和发送到空间矢量脉宽调制模块中，得到六路PWM信号输出，并由PWM信号控制逆变器，通过逆变器得到的三相输出电压来驱动超高速永磁同步电机的运行。
[0019]优选地，对所述两相静止坐标系下扩展反电动势估计值和进行反正切运算，得到转子位置角
[0020]计算得到初步估计的转子位置角的公式如下：
[0021][0022]优选地，对所述转子位置角进行扩张状态观测，得到转子位置观测值电机转速观测值电机转速微分观测值负载扰动观测值具体包括以下步骤：
[0023]基于电机的运动方程，将电机的负载转矩作为扰动，设计线性扩张状态观测器，公式如下：
[0024][0025]其中：β1、β2和β3是线性反馈增益，T
e
是电磁转矩，n
p
是电机的极对数，J是电机的转动惯量，是转子位置观测误差；
[0026]优选地，为保证线性扩张观测器收敛，β1、β2和β3需要满足观测误差的状态增益矩阵的特征多项式f(λ)＝λ3+β1λ2+β2λ+β3的特征值均具有负实部，于是将线性反馈增益配置为如下方式：
[0027][0028]其中ω0是系统的带宽；λ代表特征多项式的特征值。
[0029]优选地，获取目标转速ω
cmd
，并对其进行过渡处理，得到参考转速v1、参考转速的导数v2，具体包括以下步骤：
[0030]接收目标转速ω
cmd
，非线性跟踪微分器对其进行过渡处理，得到参考转速v1、参考转速的导数v2，公式如下：
[0031][0032]其中：参考转速v1是目标转速ω
cmd
的跟踪信号，v2是参考转速v1的导数，r0是跟踪速度因子，h0是滤波因子，fhan(v1‑
ω
cmd
,v2,r0,h0)是自抗扰控制系统的最速综合函数，用来使v1以合适、较短的响应时间无震荡地跟踪上ω
cmd
，其具体表达式如下：
[0033][0034]其中sgn是符号函数，其余未进行定义的变量均为中间变量是按照系统调节的参数，无明确意义。
[0035]优选地，对所述电机转速观测值电机转速微分观测值参考转速v1、参考转速的导数v2进行线性反馈计算，得到参考电磁转矩指令初始值T
e0
，具体包括以下步骤：
[0036]计算得到参考电磁转矩指令初始值T
e0
公式如下：
[0037][0038]其中c1和c2是线性正反馈增益；
[0039]优选地，对两相旋转坐标系下定子电流i
d
和i
q
及两相旋转坐标系下定子电流指令和进行PI调节，计算得到两相旋转坐标系下定子电压指令和具体包括以下步骤：
[0040]计算两相旋转坐标系下定子电流i
d
和i
q
及两相旋转坐标系下定子电流指令和的差值；
[0041]将差值进行比例、积分计算，得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于自抗扰的无位置传感器超高速永磁同步电机转速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：获取逆变器输出的相电流i
a
和i
b
进行Clark变换，将其转换为两相静止坐标系下定子电流i
α
和i
β
；根据所述两相静止坐标系下定子电流i
α
和i
β
及两相静止坐标系下定子电压指令和计算得到两相静止坐标系下扩展反电动势估计值和对所述两相静止坐标系下扩展反电动势估计值和进行反正切运算，得到转子位置角对所述转子位置角进行扩张状态观测，得到转子位置观测值电机转速观测值电机转速微分观测值负载扰动观测值利用转子位置观测值对所述两相静止坐标系下定子电流i
α
和i
β
进行Park变换，得到两相旋转坐标系下定子电流；获取目标转速ω
cmd
，对其进行过渡处理，得到参考转速v1、参考转速的导数v2；对所述电机转速观测值电机转速微分观测值参考转速v1、参考转速的导数v2进行线性反馈计算，得到参考电磁转矩指令初始值T
e0
；对参考电磁转矩指令初始值T
e0
和负载扰动观测值进行前馈补偿计算，得到电机电磁转矩指令T
e
；对电机电磁转矩指令T
e
进行转矩解析，得到电流指令，根据电流指令控制超高速永磁同步电机的运行。2.根据权利要求1所述的基于自抗扰的无位置传感器超高速永磁同步电机转速控制方法，其特征在于，对电机电磁转矩指令T
e
进行转矩解析，得到电流指令，根据电流指令控制超高速永磁同步电机的运行，具体包括以下步骤：所述电流指令包括两相旋转坐标系下定子电流指令和对所述两相旋转坐标系下定子电流i
d
和i
q
及两相旋转坐标系下定子电流指令和进行PI调节，计算得到两相旋转坐标系下定子电压指令和利用转子位置观测值对所述两相旋转坐标系下定子电压指令和进行Park反变换，得到两相静止坐标系下定子电压指令和将两相静止坐标系下定子电压指令和发送到空间矢量脉宽调制模块中，得到六路PWM信号输出，并由PWM信号控制逆变器，通过逆变器得到的三相输出电压来驱动超高速永磁同步电机的运行。3.根据权利要求1所述的基于自抗扰的无位置传感器超高速永磁同步电机转速控制方
法，对所述两相静止坐标系下扩展反电动势估计值和进行反正切运算，得到转子位置角其特征在于：计算得到初步估计的转子位置角的公式如下：4.根据权利要求1所述的基于自抗扰的无位置传感器超高速永磁同步电机转速控制方法，其特征在于，对所述转子位置角进行扩张状态观测，得到转子位置观测值电机转速观测值电机转速微分观测值负载扰动观测值具体包括以下步骤：基于电机的运动方程，将电机的负载转矩作为扰动，设计线性扩张状态观测器，公式如下：其中：β1、β2和β3是线性反馈增益，T
e
是电磁转矩，n
p
是电机的极对数，J是电机的转动惯量，是转子位置观测误差。5.根据权利要求4所述的基于自抗扰的无位置传感器超高速永磁同步电机转速控制方法，其特征在于：为保证线性扩张观测器收敛，β1、β2和β3需要满足观测误差的状态增益矩阵的特征多项式f(λ)＝λ3+β1λ2+β2λ+β3的特征值均具有负实部，于是将线性反馈增益配置为如下方式：其中ω0是系统的带宽，λ代表特征多项式的特征值。6.根据权利要求1所述的基于自抗扰的无位置传感器超高速永磁同步电机转速控制方法，其特征在于，获取目标转速ω
cmd
，并对其进行过渡处理，得到参考转速v1、参考转速的导数v2，具体包括以下步骤：接收目标转速ω
cmd
，非线性跟踪微分器对其进行过渡处理，得到参考转速v1、参考转速的导数v2，公式如下：其中：参考转速v1是目标转速ω
cmd
的跟踪信号，v2是参考转速v1的导数，r0是跟踪速度因
子，h0是滤波因子，fhan(v1‑
ω
cmd
,v2,r0,h0...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐垚，邢济垒，庄兴明，
申请(专利权)人：北京理工华创电动车技术有限公司，
类型：发明
国别省市：