CN106549619A - 一种基于速度精确辨识的永磁同步电机控制*** - Google Patents

一种基于速度精确辨识的永磁同步电机控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***，在启动至低速阶段，采用旋转高频电压注入法，通过外加高频激励源以显示电机凸极性，并且不受电机运行工况的影响，对电机参数变化不敏感，有较好的鲁棒性，有效地解决了电机在启动至低速状态下转子位置检测不准的问题。本发明在高速段的无传感器控制通过速度辨识观测器实现，与普通观测器相比，本发明具有更好的抗负载扰动能力。本发明从低速到高速过渡的模糊区域，两种方法的转换过程同时考虑转速和转子位置误差两个因素，保证了转换过程的平稳过渡。

Description

一种基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***
技术领域
本发明涉及永磁同步电机的控制***，特别是涉及一种基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***。
背景技术
永磁电机最显著的性能特点是高性能、高效节能和轻型化。它与电力电子技术和微电子控制技术相结合，可以制造出许多新型的、性能优异的机电一体化产品和装备，它代表二十一世纪电机发展的方向。随着永磁同步电机应用领域范围拓广，永磁同步电机的控制需要获得可靠的转子信息，目前，多采用光电码盘、霍尔传感器、电涡流传感器等速度传感器来进行转速检测，并将检测到的转速作为反馈转速信号。精度越高的电机***对速度控制的要求越高，相应的对于传感器的要求也就越高。
但是，速度传感器在电机***中的存在不仅阻碍了电机向高速化、小型化的方向发展，同时其安装也给***带来了以下问题：
（1）***的成本大大增加，精度越高的码盘价格也就越贵。
（2）码盘在电机轴上安装，存在同心度问题，安装不当将影响转速检测。
（3）使电机轴向上体积增大，而且给电机的维护带来一定困难，降低了***的机械鲁棒性；
（4）在高温、高湿的恶劣环境下无法工作，并且码盘工作精度易受环境影响。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的一种基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***，包括永磁同步电机，永磁同步电机的三相电流端连接Clark变换器的三相电流输入端，永磁同步电机的三相电流端还连接abc-dq变换器的三相电流输入端，Clark变换器的输出端分别连接速度辨识观测器的输入端和滤波器的输入端，滤波器的输出端连接角度观测器的输入端，角度观测器的输出端分别连接极性判别角度补偿器的输入端和加法器的一个输入端，极性判别角度补偿器的输出端连接加法器的另一个输入端，加法器的输出端分别连接第一微分器的输入端和第一判断器的输入端，速度辨识观测器的输出端分别连接第二微分器的输入端和第一判断器的输入端，第一微分器的输出端和第二微分器的输出端分别连接第二判断器的输入端，第二判断器的输出端连接第一减法器的一个输入端，电机转子速度给定值输入第一减法器的另一个输入端，第一减法器的输出端连接PI速度调节器的输入端，PI速度调节器的输出端连接第二减法器的一个输入端，第一判断器的输出端分别连接abc-dq变换器的输入端和Park逆变换器的输入端，abc-dq变换器的q轴电流输出端连接第二减法器的另一个输入端，abc-dq变换器的d轴电流输出端连接第三减法器的一个输入端，d轴电流给定值输入第三减法器的另一个输入端，第二减法器的输出端连接PI交轴电流调节器的输入端，第三减法器的输出端连接PI直轴电流调节器的输入端，PI交轴电流调节器的输出端和PI直轴电流调节器的输出端分别连接Park逆变换器的输入端，Park逆变换器的输出端分别连接Svpwm调制器的输入端和速度辨识观测器的输入端，高频电压发生器也连接Svpwm调制器的输入端，Svpwm调制器的输出端连接逆变器的输入端，逆变器的输出端连接永磁同步电机的三相定子绕组。
进一步，所述Clark变换器输出的误差信号ε为：
式（1）中，Iip为定子电流，ωi为角速度，Iin为转子电流，t为时间，θr为转子实际位置，为转子位置的估计值。
进一步，所述极性判别角度补偿器用于对转子初始位置进行检测以及对极性进行跟踪，得到极性判别项ipol：
式（2）中，id为直轴电流，Ψd为直轴磁链，Ψf为交轴磁链，usi为输出电压，ωi为角速度，θr为转子实际位置，为转子位置的估计值。
进一步，所述***采用模糊区域控制方法，该方法为：
如果转子转速估计值ω0为切换转速，则转子位置和速度信号由角度观测器和极性判别角度补偿器提供，得到转子位置估计值转速估计值 为加法器的输出信号，为第一微分器的输出信号；
如果转子转速估计值则判断是否低于5°，为速度辨识观测器的输出信号：如果低于5°，则切换到速度辨识观测器和第二微分器工作状态，也即转子位置估计值转速估计值 为第二微分器的输出信号；否则，则进入模糊区域，转子位置估计值转速估计值
进一步，所述abc-dq变换器根据转子位置估计值将永磁同步电机的三相静止的abc相电流转换为两相静止的dq轴电流，也即d轴电流估计值和q轴电流估计值。
进一步，所述PI速度调节器根据电机转子速度给定值与转速估计值之间的差值控制PI速度调节器输出的q轴电流给定值，使电机转子速度给定值与转速估计值之间的差值为零。
进一步，所述PI交轴电流调节器根据PI速度调节器输出的q轴电流给定值与abc-dq变换器输出的q轴电流估计值之间的差值控制PI交轴电流调节器输出的q轴电压，使PI速度调节器输出的q轴电流给定值与abc-dq变换器输出的q轴电流估计值之间的差值为零。
进一步，所述PI直轴电流调节器根据d轴电流给定值与abc-dq变换器输出的d轴电流估计值之间的差值控制PI直轴电流调节器输出的d轴电压，使d轴电流给定值与abc-dq变换器输出的d轴电流估计值之间的差值为零。
进一步，所述Park逆变换器根据第一判断器输出的转子位置估计值将PI交轴电流调节器输出的q轴电压与PI直轴电流调节器输出的d轴电压转换为两相静止的αβ轴电压，也即α轴电压和β轴电压。
进一步，所述Svpwm调制器根据Park逆变换器输出的αβ轴电压产生逆变器的控制信号。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1）本发明在启动至低速阶段，采用旋转高频电压注入法，通过外加高频激励源以显示电机凸极性，并且不受电机运行工况的影响，对电机参数变化不敏感，有较好的鲁棒性，有效地解决了电机在启动至低速状态下转子位置检测不准的问题；
2）本发明在高速段的无传感器控制通过速度辨识观测器实现，与普通观测器相比，本发明具有更好的抗负载扰动能力；
3）本发明从低速到高速过渡的模糊区域，两种方法的转换过程同时考虑转速和转子位置误差两个因素，保证了转换过程的平稳过渡。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的***结构示意图；
图2为本发明具体实施方式的角度观测器的结构示意图；
图3为本发明具体实施方式的第二判断器的算法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***，如图1所示，包括永磁同步电机118，永磁同步电机118的三相电流端连接Clark变换器101的三相电流输入端，永磁同步电机118的三相电流端还连接abc-dq变换器110的三相电流输入端，Clark变换器101的输出端分别连接速度辨识观测器102的输入端和滤波器103的输入端，滤波器103的输出端连接角度观测器104的输入端，角度观测器104的输出端分别连接极性判别角度补偿器105的输入端和加法器119的一个输入端，极性判别角度补偿器105的输出端连接加法器119的另一个输入端，加法器119的输出端分别连接第一微分器106的输入端和第一判断器109的输入端，速度辨识观测器102的输出端分别连接第二微分器107的输入端和第一判断器109的输入端，第一微分器106的输出端和第二微分器107的输出端分别连接第二判断器108的输入端，第二判断器108的输出端连接第一减法器120的一个输入端，电机转子速度给定值输入第一减法器120的另一个输入端，第一减法器120的输出端连接PI速度调节器111的输入端，PI速度调节器111的输出端连接第二减法器121的一个输入端，第一判断器109的输出端分别连接abc-dq变换器110的输入端和Park逆变换器114的输入端，abc-dq变换器110的q轴电流输出端连接第二减法器121的另一个输入端，abc-dq变换器110的d轴电流输出端连接第三减法器122的一个输入端，d轴电流给定值输入第三减法器122的另一个输入端，第二减法器121的输出端连接PI交轴电流调节器的输入端，第三减法器122的输出端连接PI直轴电流调节器的输入端，PI交轴电流调节器的输出端和PI直轴电流调节器的输出端分别连接Park逆变换器的输入端，Park逆变换器的输出端分别连接Svpwm调制器116的输入端和速度辨识观测器102的输入端，高频电压发生器115也连接Svpwm调制器116的输入端，Svpwm调制器116的输出端连接逆变器117的输入端，逆变器117的输出端连接永磁同步电机118的三相定子绕组。角度观测器104的内部结构如图2所示。
其中，Clark变换器输出的误差信号ε为：
式（1）中，Iip为定子电流，ωi为角速度，Iin为转子电流，t为时间，θr为转子实际位置，为转子位置的估计值。
极性判别角度补偿器105用于对转子初始位置进行检测以及对极性进行跟踪，得到极性判别项ipol：
式（2）中，id为直轴电流，Ψd为直轴磁链，Ψf为交轴磁链，usi为输出电压，ωi为角速度，θr为转子实际位置，为转子位置的估计值。
本***采用模糊区域控制方法，该方法为：
如果转子转速估计值ω0为切换转速，则转子位置和速度信号由角度观测器104和极性判别角度补偿器105提供，得到转子位置估计值转速估计值 为加法器119的输出信号，为第一微分器106的输出信号；
如果转子转速估计值则判断是否低于5°，为速度辨识观测器102的输出信号：如果低于5°，则切换到速度辨识观测器102和第二微分器107工作状态，也即转子位置估计值转速估计值 为第二微分器107的输出信号；否则，则进入模糊区域，转子位置估计值转速估计值
abc-dq变换器110根据转子位置估计值将永磁同步电机118的三相静止的abc相电流转换为两相静止的dq轴电流，也即d轴电流估计值和q轴电流估计值。
PI速度调节器111根据电机转子速度给定值与转速估计值之间的差值控制PI速度调节器111输出的q轴电流给定值，使电机转子速度给定值与转速估计值之间的差值为零。
PI交轴电流调节器112根据PI速度调节器111输出的q轴电流给定值与abc-dq变换器110输出的q轴电流估计值之间的差值控制PI交轴电流调节器112输出的q轴电压，使PI速度调节器111输出的q轴电流给定值与abc-dq变换器110输出的q轴电流估计值之间的差值为零。
PI直轴电流调节器113根据d轴电流给定值与abc-dq变换器110输出的d轴电流估计值之间的差值控制PI直轴电流调节器113输出的d轴电压，使d轴电流给定值与abc-dq变换器110输出的d轴电流估计值之间的差值为零。
Park逆变换器114根据第一判断器109输出的转子位置估计值将PI交轴电流调节器112输出的q轴电压与PI直轴电流调节器113输出的d轴电压转换为两相静止的αβ轴电压，也即α轴电压和β轴电压。
Svpwm调制器116根据Park逆变换器114输出的αβ轴电压产生逆变器117的控制信号。

Claims (10)

1.一种基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***，其特征在于：包括永磁同步电机(118)，永磁同步电机(118)的三相电流端连接Clark变换器(101)的三相电流输入端，永磁同步电机(118)的三相电流端连接abc-dq变换器(110)的三相电流输入端，Clark变换器(101)的输出端分别连接速度辨识观测器(102)的输入端和滤波器(103)的输入端，滤波器(103)的输出端连接角度观测器(104)的输入端，角度观测器(104)的输出端分别连接极性判别角度补偿器(105)的输入端和加法器(119)的一个输入端，极性判别角度补偿器(105)的输出端连接加法器(119)的另一个输入端，加法器(119)的输出端分别连接第一微分器(106)的输入端和第一判断器(109)的输入端，速度辨识观测器(102)的输出端分别连接第二微分器(107)的输入端和第一判断器(109)的输入端，第一微分器(106)的输出端和第二微分器(107)的输出端分别连接第二判断器(108)的输入端，第二判断器(108)的输出端连接第一减法器(120)的一个输入端，电机转子速度给定值输入第一减法器(120)的另一个输入端，第一减法器(120)的输出端连接PI速度调节器(111)的输入端，PI速度调节器(111)的输出端连接第二减法器(121)的一个输入端，第一判断器(109)的输出端分别连接abc-dq变换器(110)的输入端和Park逆变换器(114)的输入端，abc-dq变换器(110)的q轴电流输出端连接第二减法器(121)的另一个输入端，abc-dq变换器(110)的d轴电流输出端连接第三减法器(122)的一个输入端，d轴电流给定值输入第三减法器(122)的另一个输入端，第二减法器(121)的输出端连接PI交轴电流调节器的输入端，第三减法器(122)的输出端连接PI直轴电流调节器的输入端，PI交轴电流调节器的输出端和PI直轴电流调节器的输出端分别连接Park逆变换器的输入端，Park逆变换器的输出端分别连接Svpwm调制器(116)的输入端和速度辨识观测器(102)的输入端，高频电压发生器(115)也连接Svpwm调制器(116)的输入端，Svpwm调制器(116)的输出端连接逆变器(117)的输入端，逆变器(117)的输出端连接永磁同步电机(118)的三相定子绕组。
2.根据权利要求1所述的基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述Clark变换器输出的误差信号ε为：
ϵ = I i p sin ( 2 ω i t - 2 θ ^ r ) + I i n sin 2 ( θ r - θ ^ r ) - - - ( 1 )
式(1)中，Iip为定子电流，ωi为角速度，Iin为转子电流，t为时间，θr为转子实际位置，为转子位置的估计值。
3.根据权利要求1所述的基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述极性判别角度补偿器(105)用于对转子初始位置进行检测以及对极性进行跟踪，得到极性判别项ipol：
i p o l = - 1 8 d 2 i d dΨ d 2 ( Ψ f ) ( u s i ω i ) 2 c o s ( 2 θ r - 2 θ ^ r ) c o s ( θ r - θ ^ r ) - - - ( 2 )
式(2)中，id为直轴电流，Ψd为直轴磁链，Ψf为交轴磁链，usi为输出电压，ωi为角速度，θr为转子实际位置，为转子位置的估计值。
4.根据权利要求1所述的基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述***采用模糊区域控制方法，该方法为：
如果转子转速估计值ω0为切换转速，则转子位置和速度信号由角度观测器(104)和极性判别角度补偿器(105)提供，得到转子位置估计值转速估计值 为加法器(119)的输出信号，为第一微分器(106)的输出信号；
如果转子转速估计值则判断是否低于5°，为速度辨识观测器(102)的输出信号：如果低于5°，则切换到速度辨识观测器(102)和第二微分器(107)工作状态，也即转子位置估计值转速估计值 为第二微分器(107)的输出信号；否则，则进入模糊区域，转子位置估计值转速估计值
5.根据权利要求1所述的基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述abc-dq变换器(110)根据转子位置估计值将永磁同步电机(118)的三相静止的abc相电流转换为两相静止的dq轴电流，也即d轴电流估计值和q轴电流估计值。
6.根据权利要求1所述的基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述PI速度调节器(111)根据电机转子速度给定值与转速估计值之间的差值控制PI速度调节器(111)输出的q轴电流给定值，使电机转子速度给定值与转速估计值之间的差值为零。
7.根据权利要求1所述的基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述PI交轴电流调节器(112)根据PI速度调节器(111)输出的q轴电流给定值与abc-dq变换器(110)输出的q轴电流估计值之间的差值控制PI交轴电流调节器(112)输出的q轴电压，使PI速度调节器(111)输出的q轴电流给定值与abc-dq变换器(110)输出的q轴电流估计值之间的差值为零。
8.根据权利要求1所述的基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述PI直轴电流调节器(113)根据d轴电流给定值与abc-dq变换器(110)输出的d轴电流估计值之间的差值控制PI直轴电流调节器(113)输出的d轴电压，使d轴电流给定值与abc-dq变换器(110)输出的d轴电流估计值之间的差值为零。
9.根据权利要求1所述的基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述Park逆变换器(114)根据第一判断器(109)输出的转子位置估计值将PI交轴电流调节器(112)输出的q轴电压与PI直轴电流调节器(113)输出的d轴电压转换为两相静止的αβ轴电压，也即α轴电压和β轴电压。
10.根据权利要求1所述的基于速度精确辨识的永磁同步电机控制***，其特征在于：所述Svpwm调制器(116)根据Park逆变换器(114)输出的αβ轴电压产生逆变器(117)的控制信号。
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