方波弱磁下永磁同步电机无传感器全局延时补偿策略制造技术

本发明专利技术公开了方波弱磁下永磁同步电机无传感器全局延时补偿策略，具体为：以滑模观测器作为位置观测模型来获取实际的转子位置估计值，构成转速环；基于理想和实际的估计转子位置角进行坐标变换，计算得到交直轴反馈电流理想信号与滞后信号的对应关系；获取交直轴反馈电流理想信号与实际信号，并进行误差修正，将得到的相位滞后角的估计误差进行在线PI调节；基于单q轴电流调节器的电压矢量角控制，得到最终电压输出指令，实现全局延时补偿。本发明专利技术的方法，以单电流调节的无位置传感器闭环结构为基础，在坐标变换中完成对转子位置的实时补偿，改善了方波调制中的无位置传感器的弱磁控制性能，进一步提高了位置估计精度。进一步提高了位置估计精度。进一步提高了位置估计精度。

【技术实现步骤摘要】
方波弱磁下永磁同步电机无传感器全局延时补偿策略


[0001]本专利技术属于交流电机传动控制
，具体涉及方波弱磁下永磁同步电机无传感器全局延时补偿策略。

技术介绍

[0002]动车组牵引传动单元具有高电压、大电流、宽运行速度范围的特点，同时要求牵引电机具有在低开关频率及方波工况下的运行能力。随着高速轨道列车的快速发展，具有宽调速范围、高功率密度及低能耗的永磁同步电机成为当前动车组牵引领域的研究热点，而现有的动车组列车牵引系统均是采用机械位置/速度传感器来获取电机的位置或转速信号。在高速列车实际运行过程中，电磁环境复杂、振动剧烈，易导致机械式传感器失效，进而引发牵引系统故障，造成大转矩冲击，严重时损伤轴承、齿轮、电机等关键部件，危害列车运行安全。无位置传感器驱动技术可以从根本上消除这一安全隐患，且具有抗干扰能力强、集成度高及使用周期长等优势。
[0003]在永磁牵引驱动系统中，矢量闭环控制中的系统延时主要包括：逆变器非线性延时、采样滤波延时及算法的执行时间，且后两者可统称为计算延时。为了在低开关频率(<＝500Hz)下获得良好的逆变器电压输出性能，并充分利用母线电压，通常在电机进入弱磁区，即转速大于额定转速及端电压幅值饱和时使用单脉冲方波调制，此时，死区时间等逆变器非线性延时在一个基波电压周期的影响可忽略不计。随着电机在弱磁区的转速逐渐升高，计算延时所带来的磁场定向误差会造成转子位置估计偏差，降低无位置传感器控制性能。特别是当逆变器工作在方波调制区后，使用电机模型法进行转子位置估算，而单脉冲低载波比下的计算延时会使基波信号出现较严重的幅值衰减和相位滞后。在这种情况下，位置观测器的动态性和稳定性会受到电流调节器动态耦合的影响。因此，在永磁牵引系统中，结合单q轴电流调节弱磁控制及方波调制的特点，对计算延时进行补偿，对于无位置传感器控制性能的提升具有重要的实际意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供方波弱磁下永磁同步电机无传感器全局延时补偿策略，通过q轴电流误差对电流滞后相位角进行估计，从而对估计的转子位置角进行补偿，结合对电流幅值的误差修正实现方波调制下无位置传感器弱磁控制性能的提升。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，方波弱磁下永磁同步电机无传感器全局延时补偿策略，具体按照以下步骤实施：
[0006]步骤1，以旋转坐标系下的滑模观测器作为位置观测模型来获取实际的转子位置估计值从而构成转速环；
[0007]步骤2，基于理想和实际的估计转子位置角进行坐标变换，计算得到交直轴反馈电流理想信号与滞后信号的对应关系；
[0008]步骤3，通过单q轴电流调节无位置传感器闭环结构获取交直轴反馈电流理想信号
与实际信号；
[0009]步骤4，对反馈电流进行幅值误差修正，计算得到相位滞后角的估计误差；
[0010]步骤5，设计自适应PI补偿器，对相位滞后角的估计误差进行在线PI调节，从而消除相位滞后误差；
[0011]步骤6，基于单q轴电流调节器的电压矢量角控制，得到最终电压输出指令，实现全局延时补偿。
[0012]本专利技术的特点还在于，
[0013]步骤1中，具体为：
[0014]步骤1.1，建立dq滑模观测器模型，如式(1)所示；
[0015][0016]其中，和分别为定子d轴和q轴电流观测值，ωre为转子角速度，D为微分算子，Rs为定子电阻，L
d
是定子电感直轴分量，L
q
是定子电感交轴分量，u
d
是定子电压直轴分量，u
q
是定子电压交轴分量；Vd和Vq分别为滑模观测器控制输入；是定子电压交轴分量；Vd和Vq分别为滑模观测器控制输入；i
d
是定子电流直轴分量，i
q
是定子电流交轴分量。
[0017]步骤1.2，通过PI模块进行低通滤波，得到转子估计角速度如式(2)所示；
[0018][0019]其中，Kpo为比例增益，Kio为积分增益；
[0020]对转子估计角速度进行积分运算，即可得到实际的转子位置估计值从而构成转速环。
[0021]步骤2中，具体为：
[0022]步骤2.1，不考虑计算延时，理想定子三相电流如式(3)所示；
[0023][0024]其中，i
A
为A相电流，i
B
为B相电流，i
C
为C相电流，I
m
为电流矢量的模值，θ
ph
为理想电流矢量角；
[0025]此时，无位置传感器控制中，ABC相到dq坐标系的变化矩阵R如式(4)所示；
[0026][0027]其中，为理想的估计转子位置角；
[0028]根据式(4)对式(3)进行坐标变换，得到理想的交直轴反馈电流，如式(5)所示；
[0029][0030]其中，σ为电流矢量I与d轴的夹角；
[0031]步骤2.2，在考虑计算延时后，电流矢量角和估计的转子位置角都存在一个的滞后角度，将式(3)变换为式(6)，将式(4)变换为式(7)；
[0032][0033]其中，I
m_delay
为考虑延时后的电流矢量模值，为电流相位滞后角；
[0034][0035]其中，为估计的电流相位滞后角；
[0036]根据式(7)对式(6)进行坐标变换，得到实际的交直轴反馈电流如式(8)所示；
[0037][0038]其中，i
d_delay
为实际的直轴反馈电流；i
q_delay
为实际的交轴反馈电流；
[0039]步骤2.3，联立式(5)和式(8)，可得交直轴电流理想信号与实际信号的对应关系如式(9)所示；
[0040][0041]其中，M
err
为延时带来的幅值误差，在dq坐标系下写作式(10)；
[0042][0043]步骤3中，具体为：
[0044]步骤3.1，对三相电流i
A
、i
B
、i
C
进行采样，进行Clark变换，再通过步骤1得到的转子位置估计值进行Park变换，得到实际的交直轴反馈电流idq_delay；
[0045]步骤3.2，通过单q轴电流调节器弱磁控制电流轨迹规划环节来获取弱磁约束下的交直轴反馈电流理想信号；
[0046]步骤3.3，将弱磁约束下的dq轴电流指令代入式(9)和式(10)可得式(15)和(16)；
[0047][0048][0049]步骤3.2中，具体为：
[0050]步骤3.2.1，通过MTPA控制关系计算出初步d轴电流指令如式(11)所示；
[0051][0052]其中，ψ
f
是电机永磁体磁链，为q轴电流指令；
[0053]步骤3.2.2，根据弱磁控制目标调节电流指令；具体为：
[0054]步骤3.2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.方波弱磁下永磁同步电机无传感器全局延时补偿策略，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1，以旋转坐标系下的滑模观测器作为位置观测模型来获取实际的转子位置估计值从而构成转速环；步骤2，基于理想和实际的估计转子位置角进行坐标变换，计算得到交直轴反馈电流理想信号与滞后信号的对应关系；步骤3，通过单q轴电流调节无位置传感器闭环结构获取交直轴反馈电流理想信号与实际信号；步骤4，对反馈电流进行幅值误差修正，计算得到相位滞后角的估计误差；步骤5，设计自适应PI补偿器，对相位滞后角的估计误差进行在线PI调节，从而消除相位滞后误差；步骤6，基于单q轴电流调节器的电压矢量角控制，得到最终电压输出指令，实现全局延时补偿。2.根据权利要求1所述的方波弱磁下永磁同步电机无传感器全局延时补偿策略，其特征在于，所述步骤1中，具体为：步骤1.1，建立dq滑模观测器模型，如式(1)所示；其中，和分别为定子d轴和q轴电流观测值，ωre为转子角速度，D为微分算子，R
s
为定子电阻，L
d
是定子电感直轴分量，L
q
是定子电感交轴分量，u
d
是定子电压直轴分量，u
q
是定子电压交轴分量；V
d
和V
q
分别为滑模观测器控制输入；分别为滑模观测器控制输入；i
d
是定子电流直轴分量，i
q
是定子电流交轴分量；步骤1.2，通过PI模块进行低通滤波，得到转子估计角速度如式(2)所示；其中，Kpo为比例增益，Kio为积分增益；对转子估计角速度进行积分运算，即可得到实际的转子位置估计值从而构成转速环。3.根据权利要求2所述的方波弱磁下永磁同步电机无传感器全局延时补偿策略，其特征在于，所述步骤2中，具体为：
步骤2.1，不考虑计算延时，理想定子三相电流如式(3)所示；其中，i
A
为A相电流，i
B
为B相电流，i
C
为C相电流，I
m
为电流矢量的模值，θ
ph
为理想电流矢量角；此时，无位置传感器控制中，ABC相到dq坐标系的变化矩阵R如式(4)所示；其中，为理想的估计转子位置角；根据式(4)对式(3)进行坐标变换，得到理想的交直轴反馈电流，如式(5)所示；其中，σ为电流矢量I与d轴的夹角；步骤2.2，在考虑计算延时后，电流矢量角和估计的转子位置角都存在一个的滞后角度，将式(3)变换为式(6)，将式(4)变换为式(7)；其中，I
m_delay
为考虑延时后的电流矢量模值，为电流相位滞后角；其中，为估计的电流相位滞后角；根据式(7)对式(6)进行坐标变换，得到实际的交直轴反馈电流如式(8)所示；
其中，i
d_delay
为实际的直轴反馈电流；i
q_delay
为实际的交轴反馈电流；步骤2.3，联立式(5)和式(8)，可得交直轴电流理想信号与实际信号的对应关系如式(9)所示；其中，M
err
为延时带来的幅值误差，在dq坐标系下写作式(10)；4.根据权利要求3所述的方波弱磁下永磁同步电机无传感器全局延时补偿策略，其特征在于，所述步骤3中，具体为：步骤3.1，对三相电流i
A
、i
B
、i
C
进行采样，进行Clark变换，再通过步骤1得到的转子位置估计值进行Park变换，得到实际的交直轴反馈电流i
dq
_delay；步骤3.2，通过单q轴电流调节器弱磁控制电流轨迹规划环节来获取弱磁约束下的交直轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：张航，高林雨，雷昱坤，张辉，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：