一种适用于高速电机的自适应正交锁相环算法制造技术

本发明专利技术公开了一种适用于高速电机的自适应正交锁相环算法，包括以下步骤：采用随机梯度下降法进行自适应调节；通过自适应增益最小化控制器输入的平方误差；获取自适应规则；调整正交锁相环的调优参数，进行带宽调节；本发明专利技术实时调整了正交锁相环带宽，改善了转子位置的动态跟踪，并在低速下具有良好的抗噪声能力；自适应带宽的使用有助于快速最小化位置估计误差，实现正确解耦转子电流，从而获得更高的可用转矩；自适应正交锁相环不改变锁相环的顺序，因此，系统不稳定的风险不会增加，提高电机性能。机性能。机性能。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于高速电机的自适应正交锁相环算法


[0001]本专利技术涉及自动化控制
，尤其涉及一种适用于高速电机的自适应正交锁相环算法。

技术介绍

[0002]高速电机广泛应用于对功率密度和效率有高要求的应用中。因此，此类电机常用于压缩机涡轮分子泵、机床主轴、热电联产发电机等。这些电机的运行速度为每分钟几万到几十万转。通过使用无位置传感器控制技术代替高分辨率传感器，可以进一步提高电机的紧凑性和可靠性。在过去几年中，人们提出了许多无传感器控制技术。最常用的方法是使用观测器估计反电动势，其中锁相环用于跟踪电机角速度和转子位置。虽然锁相环有不同的种类，但通常使用传统的正交锁相环。另一种改进是设计自适应观测器，该观测器对速度估计误差具有良好的鲁棒性。但是这些在固定带宽下运行的正交锁相环往往在抗干扰性能和相位延迟期间进行权衡，并不能很好的提升高速电机的控制性能。
[0003]在传统正交反电动势中，当谐波的滤波随电机频率的变化而变化时，基波反电动势电压频率受影响很小，正交锁相环(quadrature Phase
‑
Locked Loop，QPLL)带宽保持不变。因此，正交锁相环的性能是转子跟踪速度和输入噪声衰减引起的相位延迟幅度之间的折中，所以传统的正交锁相环并不能是转子速度跟踪和相位延迟都达到较好的结果。然而，恒定的带宽的正交锁相环是不适用于高速电机控制的，因为他们在一个宽的速度范围内运行。特别是在电机参考转速变化时，转子跟踪估计过程中的延迟会导致磁场定向控制的不完全解耦，从而导致电机可用转矩的损失，转子动力学的控制变差，电机性能下降。

技术实现思路

[0004]本专利技术主要解决现有的技术中固定带宽的标准正交锁相环对快速动态变化的响应太慢，而高带宽会导致噪声估计的问题；提供一种适用于高速电机的自适应正交锁相环算法，实时调整了正交锁相环带宽，改善了转子位置的动态跟踪，并在低速下具有良好的抗噪声能力。
[0005]本专利技术的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种适用于高速电机的自适应正交锁相环算法，包括以下步骤：采用随机梯度下降法进行自适应调节；通过自适应增益k
p
和k
i
最小化控制器输入的平方误差；获取自适应规则；调整正交锁相环的调优参数，进行带宽调节。
[0006]作为优选，所述的自适应规则的具体获取方法为：进行极点替换：
[0007]k
p
[h]＝2ζρ[h],k
i
[h]＝ρ2[h][0008]其中，ζ是阻尼因子；ρ是固有频率，也是正交锁相环的调优参数。
[0009]作为优选，调整正交锁相环的调优参数的具体方法为：
[0010][0011]其中，式中μ为决定自适应速度的步长参数，ε
e
为QPLL的PI控制器的输入误差。
[0012]作为优选，调优参数的部分解的推导包括第一部分和第二部分，其中，第一部分为：
[0013][0014][0015]作为优选，第二部分为：
[0016][0017]作为优选，为了保持正交锁相环的稳定，对调优参数进行限定，使得ρ>0。
[0018]作为优选，对调优参数进一步进行限定，使得ρ＞ρ
min
，其中ρ
min
是启动过程中成功锁定电机频率所需的最小ρ值。
[0019]本专利技术的有益效果是：实时调整了正交锁相环带宽，改善了转子位置的动态跟踪，并在低速下具有良好的抗噪声能力；自适应带宽的使用有助于快速最小化位置估计误差，实现正确解耦转子电流，从而获得更高的可用转矩；自适应正交锁相环不改变锁相环的顺序，因此，系统不稳定的风险不会增加，提高电机性能。
附图说明
[0020]图1是本专利技术实施例的自适应正交锁相环的算法结构框图。
[0021]图2是本专利技术实施例的电机速度响应仿真结果比较图。
[0022]图3是本专利技术实施例的位置误差估计响应对比图。
[0023]图4是本专利技术实施例的调整因子ρ变化比较图。
具体实施方式
[0024]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本专利技术实施例中的技术方案的进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定专利技术。
[0025]由于本专利技术提出的自适应正交锁相环AQPLL与状态观测器类型无关，因此，可以使用滑模观测器、扩展卡曼滤波器或其他观测器结构来代替。在静止坐标系下表贴式永磁同步电机的数学模型为：
[0026][0027]其中，i
α
,i
β
和v
α
,v
β
分别为定子电流和电压；e
α
和e
β
是反电动势；ω
e
是转子角速度；R
s
是定子电阻；L
s
是定子电感。
[0028]将反电动势表示为转子位置的函数：
[0029][0030]其中，是转子永磁体磁链；θ
e
是实际转子位置。
[0031]观测器的状态方程如下所示：
[0032][0033]其中，定子电压输入矢量为表示PWM的参考电压；估计向量是定子电流的估计误差为系统矩阵如下所示
[0034][0035]为保证观测器渐进稳定，增益矩阵中k1>0且k2＝1/L
s
。
[0036]PMSM的参数随电机运行的变化而变化，因此，自适应滤波器可以在将估计的反馈电动势反馈给QPLL之前使用。
[0037]观测器之后是正交锁相环，可以从估计的反电动势得到估计的转子电角速度ω
e
和位置一般来说，估计的反电动势直接从观测器的输出反馈到QPLL的输入，且QPLL的输入都等于估计反电动势的幅值的额外增益来补充，改增益传递函数可表示为：
[0038][0039]其中，k
p
和k
i
分别是比例系数和积分系数；为反电动势幅值。
[0040]为了在整个电机转速范围内实现恒定的QPLL带宽，需要输入归一化，因此归一化后的估计反电动势为：
[0041][0042]其中，反电动势归一化后的向量为这种情况下，QPLL的带宽不在和转速相关，传递函数变为下式所示：
[0043][0044]由于本专利技术主要研究的是AQPLL，因此cf被设定为常数，只补偿线性数字延迟，这足以使电机取得满意的运行性能。
[0045]由于归一化消除了反电动势振幅随转子转速变化的影响，QPLL的带宽必须设计得足够宽，以覆盖高速永磁同步电机的整个动态范围。然而带宽过宽会影响其抗干扰性能；若带宽较窄，则对不能对快速动态变化作出及时的响应。因此可以对AQPLL进行设计，实时调整其带宽，在跟踪快速动态变化的同时不影响其抗扰性能，其结构如图1所示。
[0046]实施例：一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于高速电机的自适应正交锁相环算法，其特征在于，包括以下步骤：采用随机梯度下降法进行自适应调节；通过自适应增益k
p
和k
i
最小化控制器输入的平方误差；获取自适应规则；调整正交锁相环的调优参数，进行带宽调节。2.根据权利要求1所述的一种适用于高速电机的自适应正交锁相环算法，其特征在于，所述自适应规则的具体获取方法为：进行极点替换：k
p
[h]＝2ζρ[h],k
i
[h]＝ρ2[h]其中，ζ是阻尼因子；ρ是固有频率，也是正交锁相环的调优参数。3.根据权利要求1所述的一种适用于高速电机的自适应正交锁相环算法，其特征在于，调整正交锁相环的调优参数的具体方法为：其中，式中μ为决定自适应速度的步长参数，ε
e

【专利技术属性】
技术研发人员：武新章，张冬冬，于军勇，郭平辉，罗涛，
申请(专利权)人：浙江超精电机科技有限公司，
类型：发明
国别省市：