CN108306565A - 一种基于改进型扰动观测器的电机无传感器控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于改进型扰动观测器的电机无传感器控制方法，属于电机控制技术领域。该方法在静止α‑β坐标下，建立内置式永磁同步电机的矢量控制***的动态模型；利用合成反电动势变形为与表贴式永磁同步电机相似的模型，对变换后的电流状态方程进行整理得到时域微分方程；利用中间变量的转换设计扰动观测器，得到合成反电动势的估计值，结合锁相环及相应的相位补偿后得到了准确的转子位置信息；利用MTPA电流指令、PI调节、SVPWM控制，实现内置式永磁同步电机的无传感器控制。本发明模型设计与调试过程简单，转子位置信息估计精确，易于工程实现，具有较高的应用价值。

Description

一种基于改进型扰动观测器的电机无传感器控制方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，特别涉及一种基于改进型扰动观测器实现内置式永磁同步电机无传感器控制的方法。
背景技术
传统的永磁同步电机控制***，通常需要安装位置传感器，以获得转子位置信息。无位置传感器技术，可以通过建立合理的数学模型，替代传统的机械式编码器，获得电机的位置信息。从而，降低***成本，减小电机体积，降低运行环境要求，因此具有很高的研究价值。
永磁同步电机根据转子结构，可以分为表贴式永磁同步电机与内置式永磁同步电机。其中，内置式永磁同步电机是嵌入式转子结构，具有可靠性强、调速范围大、效率高等优点，是目前发展的主流。但是，内置式永磁同步电机存在凸极效应，磁路非线性，电机数学模型相对复杂。在现有的内置式永磁同步电机无位置传感器技术中，用于转子位置信息估计的观测器模型通常需要借助状态的微分进行搭建，导致噪声信号的放大，因此需要添加额外滤波器进行消除，这种观测器设计与调试过程相对复杂，不易于工程实现。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于改进型扰动观测器的电机无传感器控制方法。此方法将合成反电动势作为扰动量，在此基础上建立了内置式永磁同步电机的扰动观测器模型，再利用中间变量转换，在不添加额外滤波器的条件下估算出了合成反电动势。根据估算的结果，经过锁相环并进行相应的相位补偿后得到了准确的转子位置信息。从而，实现高性能的内置式永磁同步电机无传感器控制。
本发明的技术方案：
一种基于改进型扰动观测器的电机无传感器控制方法，包括以下步骤：
所述的在静止α-β坐标下，建立内置式永磁同步电机的矢量控制***的动态模型。
所述的内置式永磁同步电机的状态微分方程，利用合成反电动势变形为与表贴式永磁同步电机相似的模型，对变换后的电流状态方程进行整理得到时域微分方程。
所述的改进型扰动观测器设计，利用中间变量的转换设计扰动观测器，不需添加额外的滤波器，得到合成反电动势的估计值。
所述的转子位置信息估计，利用锁相环及相应的相位补偿后得到了准确的转子位置信息。
所述的内置式永磁同步电机的无传感器控制，利用MTPA电流指令、PI调节、SVPWM控制。
本发明的有益效果为：本发明通过采用改进型扰动观测器，利用中间变量，合成反电动势的估计不用计算状态变量微分，所以不用额外设计滤波器对噪声信号进行消除，从而简化了观测器。模型设计与调试过程简单，转子位置信息估计精确，易于工程实现，具有较高的应用价值。
附图说明
图1是用于转子位置估计的改进型扰动观测器。
图2是基于改进型扰动观测器的电机无传感器控制***结构框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案作详细说明。
本发明提供一种基于改进型扰动观测器的电机无传感器控制方法，包括以下步骤：
步骤1：将内置式永磁同步电机(IPMSM)数学模型变形；
在静止α-β坐标下，IPMSM的电压方程为：
其中，uα、uβ为静止两相坐标下的定子电压分量；iα、iβ为静止两相坐标下的定子电流分量；Rs、ψf分别为定子线圈电阻和转子磁链；ωm、θe分别为转子机械角速度和电角度；Pn为电机极对数；L0为平均电感；L1为半差电感；
定义合成反电动势Esyn为：
定义合成输入电压矢量vαβ为：
其中，esα、esβ为静止两相坐标下的合成反电动势分量；vα、vβ静止两相坐标下的合成输入电压分量；id为直轴电流，为直轴电流对应的导数；
将式(2)和(3)代入IPMSM方程，在α-β坐标系下的IPMSM电压方程变形为：
其中，分别为静止两相坐标下的定子电流分量的导数；
步骤2：对IPMSM电流状态方程进行整理，得到时域微分方程；
扰动信号影响时，时域微分方程表示为：
其中，x为状态变量，u为***输入和d为扰动信号；A、Bu和Bd分别为与x、u和d对应的系数矩阵；
步骤1的IPMSM电压方程式(4)，得到以定子电流为状态变量的IPMSM电流状态方程：
其中，Ld、Lq分别为直轴和交轴电感；
将静止α-β坐标下合成反电动势Esyn作为扰动信号，对IPMSM电流状态方程进行整理得到：
其中，将定子电流矢量作为状态变量x＝iαβ＝(iα,iβ)T，合成后的电压矢量作为***输入u＝vαβ；定义合成反电动势矢量为扰动信号d＝Esyn；对应扰动下的时域微分方程中的系数矩阵分别为A＝-(Rs/Lq)I，Bu＝(1/Lq)I，Bd＝-(1/Lq)I，其中，I为单位矩阵；
步骤3：利用中间变量搭建改进型扰动观测器；
初等扰动观测器变形为：
其中，L为扰动观测器增益矩阵，^表示对应变量的估计值，为扰动信号估计值的导数；
定义中间变量为：
利用中间变量搭建改进型扰动观测器的模型为：
根据步骤2的IPMSM在扰动下的时域微分方程，得到基于合成反电动势的改进型扰动观测器模型：
其中，z＝(z1,z2)T为中间变量,和为其对应的导数；观测器增益矩阵L＝lI，l为反电动势增益；
由图1可知，定子电压和电流经过扰动观测器估算出合成反电动势。由于合成反电动势中包含电机转子位置和速度信息，通过锁相环并进行相应的相位补偿后，能够估算出转子位置和速度。
步骤4：内置式永磁同步电机的无传感器控制***；
基于改进型扰动观测器的电机无传感器控制***结构框图如图2所示。内置式永磁同步电机控制***采用速度、电流双闭环调速结构。
首先通过电流互感器将内置式永磁同步电机的两相定子电流ia、ib，经过CLARKE变换得到iα、iβ，然后将iα、iβ与检测到的反电动势利用步骤3的改进型扰动观测器，得到转子位置和角速度的估计量和将反馈转速与电机给定转速ωm *进行比较，转速差值通过速度PI调节器生成定子电流给定in *，通过MTPA控制器，获得最佳的d、q轴电流分量id *和iq *，并分别将其作为给定电流与反馈电流一同送入电流PI调节器，输出作为PARK逆变换的输入，得到两相给定电压uα *、uβ *，在SVPWM模块中转化为驱动逆变桥的开关信号，从而，完成对电机的矢量控制。

Claims (1)

1.一种基于改进型扰动观测器的电机无传感器控制方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：变形内置式永磁同步电机数学模型
在静止α-β坐标下，IPMSM的电压方程为：
其中，uα、uβ为静止两相坐标下的定子电压分量；iα、iβ为静止两相坐标下的定子电流分量；Rs、ψf分别为定子线圈电阻和转子磁链；ωm、θe分别为转子机械角速度和电角度；Pn为电机极对数；L0为平均电感；L1为半差电感；
定义合成反电动势Esyn为：
定义合成输入电压矢量vαβ为：
其中，esα、esβ为静止两相坐标下的合成反电动势分量；vα、vβ静止两相坐标下的合成输入电压分量；id为直轴电流，为直轴电流对应的导数；
将方程式(2)与(3)代入IPMSM的电压方程，在α-β坐标系下的IPMSM的电压方程变形为：
其中，分别为静止两相坐标下的定子电流分量的导数；
步骤2：对IPMSM电流状态方程进行整理，得到时域微分方程；
扰动信号影响时，时域微分方程表示为：
其中，x为状态变量，u为***输入和d为扰动信号；A、Bu和Bd分别为与x、u和d对应的系数矩阵；
步骤1得到的变形后IPMSM的电压方程式(4)，得到以定子电流为状态变量的IPMSM电流状态方程：
其中，Ld、Lq分别为直轴和交轴电感；
将静止α-β坐标下合成反电动势Esyn作为扰动信号，对IPMSM电流状态方程进行整理得到：
其中，将定子电流矢量作为状态变量x＝iαβ＝(iα,iβ)T，合成后的电压矢量作为***输入u＝vαβ；定义合成反电动势矢量为扰动信号d＝Esyn；对应扰动下的时域微分方程中的系数矩阵分别为A＝-(Rs/Lq)I，Bu＝(1/Lq)I，Bd＝-(1/Lq)I，其中，I为单位矩阵；
步骤3：利用中间变量搭建改进型扰动观测器
初等扰动观测器变形为：
其中，L为扰动观测器增益矩阵，^表示对应变量的估计值，为扰动信号估计值的导数；
定义中间变量为：
利用中间变量搭建改进型扰动观测器的模型为：
根据步骤2的IPMSM在扰动下的时域微分方程，得到基于合成反电动势的改进型扰动观测器模型：
其中，z＝(z1,z2)T为中间变量,和为其对应的导数；观测器增益矩阵L＝lI，l为反电动势增益；
步骤4：内置式永磁同步电机的无传感器控制***
首先通过电流互感器将内置式永磁同步电机的两相定子电流ia、ib经过CLARKE变换得到iα、iβ；再将iα、iβ与检测到的反电动势利用步骤3的改进型扰动观测器，得到转子位置和角速度的估计量和然后将反馈转速与电机给定转速ωm *进行比较，转速差值通过速度PI调节器生成定子电流给定in *，通过MTPA控制器，获得最佳的d、q轴电流分量id *和iq *，并分别将其作为给定电流与反馈电流一同送入电流PI调节器，输出作为PARK逆变换的输入，得到两相给定电压uα *、uβ *，在SVPWM模块中转化为驱动逆变桥的开关信号，完成对电机的矢量控制。
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