一种新型永磁同步电机的无位置传感器控制方法技术

本发明专利技术公开了一种新型永磁同步电机的无位置传感器控制方法，涉及电机控制技术领域，包括以下步骤：采集永磁同步电机的直流母线电压、占空比信号和αβ轴电流，输入至降阶准谐振扩张状态观测器，得到反电动势信息；将反电动势信息输入至基于牛顿迭代法的有限位置集锁相环，得到估计的转子位置；对估计的转子位置微分与滤波，得到估计的转子转速；将估计的转子转速和给定的转子转速输入至电机闭环控制系统，实现对永磁同步电机的无位置传感器闭环控制。本发明专利技术提供了一种降阶准谐振扩张状态观测器，保证提取的电机反电动势成分不存在幅值衰减以及相位滞后，设计基于牛顿迭代法的有限位置集锁相环，显著提高传统锁相环的动态性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种新型永磁同步电机的无位置传感器控制方法


[0001]本专利技术涉及电机控制
，特别是涉及一种新型永磁同步电机的无位置传感器控制方法。

技术介绍

[0002]永磁同步电机凭借其高效、高功率密度与优异的调速性能在各工业领域均受到广泛关注。而在永磁同步电机的高性能控制系统中，通过按照机械位置传感器获取电机转子位置信息通常是不可缺少的。但机械位置传感器的安装会增加电机驱动系统的体积与成本，降低系统的鲁棒性。无位置传感器控制技术能够从根本上解决这些问题，其备受工业界与学术界关注，主要可分为两类：第一类为高频注入法，其通过额外注入电压或者电流信号至电机定子进而产生与电机转子位置相关的高频响应信号，主要用于零、低速域。另一类为基频模型法，其原理是通过构建观测器获取电机的反电动势或磁链信息，进而提取转子转速与位置信息，主要适用于中、高速域。其主要包括：模型参考自适应法、扩展卡尔曼滤波法、滑模观测器法与扩张状态观测器法。
[0003]模型参考自适应法观测精度高，但依赖于电机参数，鲁棒性差。扩展卡尔曼滤波法具有较强的自适应与抗扰动能力，但需要通过大量复杂的矩阵运算，增加数字控制器的计算负担。滑模观测器法结构简单，具备强鲁棒性，但其存在不可避免的抖振问题。扩张状态观测器为自抗扰控制器的核心环节，不依赖于被控对象的精确数学模型，观测精度高且易于数字实施，但传统的扩张状态观测器具有低通滤波器特性，而电机反电动势的频率与电机的运行频率相同，当电机在高速运行时，可以视为一种快速变化的高频扰动，低通滤波特性会导致估计的反电动势存在相位滞后与幅值衰减，进而导致出现显著的位置误差直流偏滞成分。虽然高带宽扩张状态观测器可以减小观测反电动势成分的稳态误差，但同时也提高了扩张状态观测器对噪声的敏感性。因此，在有限观测器带宽条件下，如何提高扩张状态观测器在电机高速运行时电机转子位置观测精度还有待进一步研究。此外，在通过基频观测器获取反电动势信息后，通常采用正交锁相环提取反电动势的相位进而获取转子位置信息。然而，由于传统的正交锁相环采用具有固定参数的PI控制器，难以满足电机频繁变化的工况，同时需要重复的实验以整定PI参数，其是一个耗时的过程。因此，改善正交锁相环的动态性能同时避免锁相环参数的整定具有重要的研究意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供了一种新型永磁同步电机的无位置传感器控制方法，解决了现有技术中基于扩张状态观测器的永磁同步电机无位置传感器控制因低通滤波特性导致估计的转子位置存在直流偏置误差以及传统锁相环无法满足电机频繁工况变化的问题。
[0005]本专利技术提供一种新型永磁同步电机的无位置传感器控制方法，包括以下步骤：
[0006]采集永磁同步电机的直流母线电压、占空比信号和αβ轴电流；
[0007]将直流母线电压、占空比信号和αβ轴电流输入至降阶准谐振扩张状态观测器，得
到反电动势信息；其中，在传统的扩张状态观测器的内模插入准谐振控制器，得到所述降阶准谐振扩张状态观测器；
[0008]将反电动势信息输入至基于牛顿迭代法的有限位置集锁相环，得到估计的转子位置；
[0009]对估计的转子位置进行微分与滤波处理，得到估计的转子转速；
[0010]将估计的转子转速和给定的转子转速输入至电机闭环控制系统，实现对永磁同步电机的无位置传感器闭环控制；
[0011]将反电动势信息输入至基于牛顿迭代法的有限位置集锁相环，得到估计的转子位置，包括：
[0012]根据反电动势信息定义新型等效位置误差，根据新型等效位置误差得到新型代价函数；
[0013]通过位置四分法将转子的位置空间分为四个有限位置集；
[0014]根据新型代价函数计算四个有限位置集的每个位置的代价函数值，选取最小代价函数值对应的位置为迭代初值；
[0015]通过牛顿迭代法对迭代初值进行迭代，得到估计的转子位置。
[0016]优选的，所述转子的转速为电角速度。
[0017]优选的，所述永磁同步电机的数学模型如下所示：
[0018][0019]其中，
[0020][0021]式中，u
α
与u
β
分别为α轴与β轴电压，i
α
与i
β
分别为d轴与q轴电流，L
s
为定子电感，R为定子电阻，p为微分算子，e
α
与e
β
分别为α轴与β轴反电动势，E
ex
为反电动势幅值，ω
e
为转子电角速度，为永磁磁链，θ
e
为转子位置。
[0022]优选的，所述准谐振控制器的传递函数如下所示：
[0023][0024]式中，s为复变量，x
αβ
＝[x
α
x
β
]T
与y
αβ
＝[y
α
y
β
]T
分别为准谐振控制器的输入与输出，k
r
为谐振增益，ω
c
为控制器带宽，ω0为谐振频率；
[0025]所述降阶准谐振扩张状态观测器的状态空间方程如下所示：
[0026][0027]式中，z1为状态变量估计，z2为总扰动估计，u为系统输入，b0为系统输入系数，β1与β2为线性扩张状态观测器的可调增益。
[0028]优选的，所述新型等效位置误差如下所示：
[0029][0030]式中，E
errδ
为估计的q轴与真实d轴之间的等效位置误差，^为观测值，为α轴的反
电动势信息，为β轴的反电动势信息，为估计的转子位置信息，θ
err
为位置估计误差。
[0031]优选的，四个有限位置集如下所示：
[0032][0033]式中，θ0和θ1分别为四个有限位置集，k为当前电流采样时刻。
[0034]优选的，所述牛顿迭代法如下式所示：
[0035][0036]式中，j为牛顿迭代次数，为第j次迭代后的转子位置信息，为第j
‑
1次迭代后的转子位置信息，为关于的牛顿迭代函数，为E
errγ
关于的表达式，为E
errδ
关于的表达式。
[0037]优选的，通过下式对估计的转子位置进行微分与滤波处理：
[0038][0039]式中，为估计的转子电角速度，k为当前控制周期数，为第n周期的电机位置，为第n
‑
1周期的电机位置，T
c
为控制周期。
[0040]优选的，所述将估计的转子转速和给定的转子转速输入至电机闭环控制系统，实现对永磁同步电机的无位置传感器闭环控制，包括以下步骤：
[0041]将估计的转子电角速度和给定的转子电角速度作差，得到速度差值；
[0042]将速度差值输入至PI控制器，得到dq轴给定电流；
[0043]通过A/D采样获取永磁同步电机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：采集永磁同步电机的直流母线电压、占空比信号和αβ轴电流；将直流母线电压、占空比信号和αβ轴电流输入至降阶准谐振扩张状态观测器，得到反电动势信息；其中，在传统的扩张状态观测器的内模插入准谐振控制器，得到所述降阶准谐振扩张状态观测器；将反电动势信息输入至基于牛顿迭代法的有限位置集锁相环，得到估计的转子位置；对估计的转子位置进行微分与滤波处理，得到估计的转子转速；将估计的转子转速和给定的转子转速输入至电机闭环控制系统，实现对永磁同步电机的无位置传感器闭环控制；将反电动势信息输入至基于牛顿迭代法的有限位置集锁相环，得到估计的转子位置，包括：根据反电动势信息定义新型等效位置误差，根据新型等效位置误差得到新型代价函数；通过位置四分法将转子的位置空间分为四个有限位置集；根据新型代价函数计算四个有限位置集的每个位置的代价函数值，选取最小代价函数值对应的位置为迭代初值；通过牛顿迭代法对迭代初值进行迭代，得到估计的转子位置。2.如权利要求1所述的一种新型永磁同步电机的无位置传感器控制方法，所述转子的转速为电角速度。3.如权利要求2所述的一种新型永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，所述永磁同步电机的数学模型如下所示：其中，式中，u
α
与u
β
分别为α轴与β轴电压，i
α
与i
β
分别为d轴与q轴电流，L
s
为定子电感，R为定子电阻，p为微分算子，e
α
与e
β
分别为α轴与β轴反电动势，E
ex
为反电动势幅值，ω
e
为转子电角速度，为永磁磁链，θ
e
为转子位置。4.如权利要求3所述的一种新型永磁同步电机的无位置传感器控制方法，其特征在于，所述准谐振控制器的传递函数如下所示：式中，G
ROQR
(s)为准谐振控制器的传递函数，s为复变量，x
αβ
＝[x
α
x
β
]
T
与y
αβ
＝[y
α
y
β
]
T
分别为准谐振控制器的输入与输出，k
r
为谐振增益，ω
c
为控制器带宽...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁文，陈硕，霍鲁杰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：