CN110112965A - 一种永磁同步电机反电动势观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种永磁同步电机反电动势观测方法，其步骤为：首先采样计算得到电机定子电压和定子电流均在静止坐标系下的电压分量和电流分量；其次，根据电压分量和电流分量计算得到估计的定子电流及高频滑模信号；再将高频滑模信号分别经过两次低通滤波得到估计的实际转子位置角及电机的反电动势幅值；最后，根据估计的实际转子位置角和电机的反电动势幅值计算得到估计的电机反电动势。本发明采用双低通滤波器法，根据第二个低通滤波器对反电动势相位和幅值的影响补偿由第一个低通滤波器引起的反电动势相位延迟和幅值衰减问题，能够实现反电动势的准确观测，本发明无需使用电机的转速信息，能够提高电机反电动势的观测精度，提高电机的动态性能。

Description

一种永磁同步电机反电动势观测方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，特别是指一种永磁同步电机反电动势观测方法。

背景技术

近年来，随着能源危机的不断加剧，光伏发电技术、风力发电技术和新能源电动汽车技术都得到了蓬勃发展。永磁同步电机因具有功率密度大、效率高等诸多优点，在风力发电***和新能源电动汽车驱动***中得到了广泛应用。然而，在运行环境较恶劣，振动、潮湿、低温等环境因素下，往往会导致速度传感器出现断线、脉冲信号丢失等故障，进而导致控制***运行失败。因此，为了提高永磁同步电机控制***的运行可靠性，无速度传感器控制技术在近年来得到广泛研究。在传统的基于二阶滑模观测器的永磁同步电机无速度传感器控制中，常采用计算的方法得到电机的反电动势，且计算过程中需要使用到电机的转速信息，但在电机的无速度传感器控制中，估算的电机转速常常带有一定的转速误差，从而造成计算所得的电机反电动势中也不可避免的具有误差。

目前已存在永磁同步电机的无速度传感器控制技术的方法，比如，申请号为201610631269.9，发明名称为一种基于滑模观测器的无速度传感器控制方法，提出了采用低通滤波器观测反电动势及补偿电机相移角度的方法，并且实现了电机的无速度传感器控制，但是该方法只对产生的角度相移进行了补偿，获得了准确的电机角度，而没有考虑对电机反电动势幅值造成的衰减进行补偿。因此，控制***中使用的电机反电动势存在误差。文献[压缩机用内置式永磁同步电机无位置传感器控制[J].电工技术学报，2013，28(5)：182-187]提出了一种采用低通滤波器串联的方式来实时获得反电动势信息，对低通滤波器引起的相移进行补偿获得准确的电机角度的方法，从而实现电机的无速度传感器控制。然而该方法仅仅对角度进行了相移补偿，没有考虑到滤波器对电机反电动势幅值造成的衰减。文献[王高林,杨荣峰,于泳等.内置式永磁同步电机无位置传感器控制[J].中国电机工程学报，2010，30(30)：93-98.]提出了基于二阶滑模观测器的永磁同步电机无速度传感器控制方法，该方法仅对反电动势的相位延迟进行了补偿，且补偿算法需要使用估计的转速。在电机的无速度传感器控制中，估算的电机转速常常带有一定的转速误差，从而造成计算所得的电机反电动势中不可避免的具有较大的误差。

发明内容

针对现有的永磁同步电机的反电动势的计算方法存在未补偿反电动势的幅值造成电机反电动势的误差较大的技术问题，本发明提出了一种永磁同步电机反电动势观测方法，采用双低通滤波器法对电机反电动势的幅值和相位进行补偿，且该方法无需使用电机的转速信息，从而可以获得更为准确的电机反电动势，提高电机的动态性能。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种永磁同步电机反电动势观测方法，其步骤如下：

步骤一、利用电压传感器对电机定子电压进行采样得到电机定子电压u_AB和u_BC，计算电机的三相相电压u_A、u_B和u_C，并将三相电压u_A、u_B和u_C通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的电压u_α和电压u_β；

步骤二、利用电流传感器对电机定子三相电流进行采样得到电机定子电流i_A、i_B和i_C，并通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的电流i_α和电流i_β；

步骤三、初始化电机的电流和电流计算电流与步骤二得到的电流i_α的差值，计算电流和步骤二得到的电流i_β的差值，并通过符号函数计算得到高频滑模信号s_α和高频滑模信号s_β；

步骤四、利用步骤一得到的电压u_α减去步骤三得到的高频滑模信号s_α得到第一组中间变量E_1α，利用步骤一得到的电压u_β减去步骤三得到的高频滑模信号s_β得到第一组中间变量E_1β；

步骤五、根据步骤四得到的第一组中间变量E_1α、E_1β和电机q轴电感计算得到第二组中间变量E_2α、E_2β；

步骤六、根据步骤三估计的电流电流和电机定子电阻及q轴电感计算得到第三组中间变量E_3α、E_3β；

步骤七、利用步骤五得到的第二组中间变量E_2α减去步骤六得到的第三组中间变量E_3α得到第四组中间变量E_4α，利用步骤五得到的第二组中间变量E_2β减去步骤六得到的第三组中间变量E_3β得到第四组中间变量E_4β；

步骤八、根据步骤七得到的第四组中间变量E_4α、E_4β更新步骤三中的电流和电流进而更新高频滑模信号s_α和高频滑模信号s_β；

步骤九、将更新后的高频滑模信号s_α和高频滑模信号s_β通过第一低通滤波器进行低通滤波分别得到第五组中间变量s_1α、s_1β；

步骤十、将步骤九得到的第五组中间变量s_1α、s_1β通过第二低通滤波器进行低通滤波分别得到第六组中间变量s_2α、s_2β；

步骤十一、据据步骤九得到的第五组中间变量s_1α、s_1β计算有效反电动势q轴偏差

步骤十二、将步骤十一得到的有效反电动势q轴偏差通过比例积分器计算得到估计的转速

步骤十三、将步骤十二得到的转速通过积分调节得到经过第一个低通滤波器产生一次相位延迟后的转子位置角θ₁；

步骤十四、根据步骤十得到的第六组中间变量s_2α、s_2β计算得到经过了第一低通滤波器和第二低通滤波器产生两次相位延迟之后的转子位置角θ₂；

步骤十五、根据步骤十三得到的转子位置角θ₁减去步骤十四得到的转子位置角θ₂得到延迟角度Δθ，再根据转子位置角θ₁和延迟角度Δθ计算得到估计的实际转子位置角θ；

步骤十六、根据步骤九得到的第五组中间变量s_1α、s_1β和步骤十得到的第六组中间变量s_2α、s_2β计算得到第一低通滤波器和第二低通滤波器对电机反电动势幅值产生的衰减比k；

步骤十七、根据步骤九得到的第五组中间变量s_1α、s_1β和步骤十六得到的衰减比k计算得到电机的反电动势幅值e_m；

步骤十八、根据步骤十七得到的反电动势幅值e_m和步骤十五得到的实际转子位置角θ计算得到估计的电机反电动势和

优选地，所述步骤一中的三相电压u_A、u_B和u_C通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的电压u_α和电压u_β的方法为：其中，u_AB和u_BC为电机定子电压。

优选地，所述步骤二中的电机定子电流i_A、i_B和i_C通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的电流i_α和电流i_β的方法为：

优选地，所述步骤三中的高频滑模信号s_α和高频滑模信号s_β的获得方法为：其中，M为滑模增益，sgn()为符号函数。

优选地，所述第一组中间变量E_1α、E_1β的获得方法为：

所述第二组中间变量E_2α、E_2β的获得方法为：其中，L_q为电机q轴电感；

所述第三组中间变量E_3α、E_3β的获得方法为：其中，R_s为电机定子电阻；

所述第四组中间变量E_4α、E_4β的获得方法为：

优选地，所述步骤八中的电流和电流的更新方法为：其中，T_s为采样周期。

优选地，所述第五组中间变量s_1α、s_1β的获得方法为：其中，ω_c是第一低通滤波器和第二低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子；

所述第六组中间变量s_2α、s_2β的获得方法为：

优选地，所述有效反电动势q轴偏差的获得方法为：其中，θ₁为转子位置角；

所述估计的转速的获得方法为：k_p为比例系数，k_i为积分系数；

所述转子位置角θ₁的更新方法为：

所述转子位置角θ₂的获得方法为：θ₂＝arctan(-s_2α/s_2β)；

所述延迟角度Δθ的获得方法为：Δθ＝θ₁-θ₂；

所述估计的实际转子位置角θ的获得方法为：θ＝θ₁+Δθ。

优选地，所述低通滤波器对电机反电动势幅值产生的衰减比k为：

所述电机的反电动势幅值e_m的获得方法为：

优选地，所述步骤十八中的估计的电机反电动势和的获得方法为：

本技术方案能产生的有益效果：采用二阶滑模观测器对永磁同步电机的反电动势进行滚侧，并设计了一种采用双低通滤波器法对反电动势的幅值和相位进行补偿，从而克服了反电动势相位和幅值补偿受转速估计误差影响的问题，提高了反电动势的观测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电流i_α观测器框图。

图2为本发明电流i_β观测器框图。

图3为本发明的整体框图。

图4为本发明所得的反电动势和实际反电动势的关系曲线；e_α和e_β为实际的电机反电动势，和为本发明所得的电机反电动势。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，本发明提出了一种永磁同步电机反电动势观测方法，首先，采样计算得到电机定子电压和定子电流均在静止α-β坐标系下的电压分量和电流分量；其次，根据电压分量和电流分量计算得到估计的定子电流及高频滑模信号；再将高频滑模信号分别经过两次低通滤波得到估计的实际转子位置角及电机的反电动势幅值；最后，根据估计的实际转子位置角和电机的反电动势幅值计算得到估计的电机反电动势。具体步骤如下：

步骤一、利用电压传感器对电机定子电压进行采样得到电机定子电压u_AB和u_BC，根据公式(1)计算电机的三相相电压u_A、u_B和u_C：

再根据公式(2)将三相电压u_A、u_B和u_C通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的电压u_α和电压u_β；

步骤二、利用电流传感器对电机定子三相电流进行采样得到电机定子电流i_A、i_B和i_C，并通过公式(3)的坐标变换得到静止α-β坐标系下的电流i_α和电流i_β：

步骤三、初始化电机的电流和电流如图1和图2所示，计算电流与步骤二得到的电流i_α以及电流与步骤二得到的电流i_β的差值，再根据公式(4)通过符号函数计算得到高频滑模信号s_α和高频滑模信号s_β：

其中，M为滑模增益，电流和电流的初始值均为0，sgn()为符号函数。

步骤四、利用步骤一得到的电压u_α减去步骤三得到的高频滑模信号s_α得到第一组中间变量E_1α，利用步骤一得到的电压u_β减去步骤三得到的高频滑模信号s_α和高频滑模信号s_β得到第一组中间变量E_1β，如公式(5)所示：

步骤五、根据步骤四得到的第一组中间变量E_1α、E_1β和电机q轴电感计算得到第二组中间变量E_2α、E_2β，如公式(6)所示：

其中，L_q为电机q轴电感。

步骤六、根据步骤三估计的电流电流和电机定子电阻及q轴电感计算得到第三组中间变量E_3α、E_3β，如公式(7)所示：

其中，R_s为电机定子电阻，L_q为电机q轴电感。

步骤七、利用步骤五得到的第二组中间变量E_2α减去步骤六得到的第三组中间变量E_3α得到第四组中间变量E_4α，利用步骤五得到的第二组中间变量E_2β减去步骤六得到的第三组中间变量E_3β得到第四组中间变量E_4β，如公式(8)所示：

步骤八、根据步骤七得到的第四组中间变量E_4α、E_4β更新电流和电流如公式(9)所示：

其中，T_s为采样周期，电流和电流的初始值为0。

如图1和图2所示，根据电流i_α观测器和电流i_β观测器的闭合回路，利用更新后的电流和电流进一步更新高频滑模信号s_α、高频滑模信号s_β。

步骤九、将更新后的高频滑模信号s_α和高频滑模信号s_β通过第一低通滤波器进行低通滤波分别得到第五组中间变量s_1α、s_1β，如公式(10)所示：

其中，ω_c为第一低通滤波器和第二低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子。

步骤十、将步骤九得到的第五组中间变量s_1α、s_1β通过第二低通滤波器进行第二次低通滤波分别得到第六组中间变量s_2α、s_2β，如公式(11)所示：

其中，ω_c为第一低通滤波器和第二低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子。

步骤十一、据据步骤九得到的第五组中间变量s_1α、s_1β计算有效反电动势q轴偏差如公式(12)所示：

其中，θ₁为转子位置角，转子位置角θ₁的初始值为0。

步骤十二、将步骤十一得到的有效反电动势q轴偏差通过比例积分器计算得到估计的转速如公式(13)所示：

其中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，s为拉普拉斯算子。

步骤十三、将步骤十二得到的转速通过积分调节得到经过第一个低通滤波器产生一次相位延迟后的转子位置角θ₁，也即对转子位置角θ₁进行更新，如公式(14)所示：

其中，T_s为采样周期。

步骤十四、根据步骤十得到的第六组中间变量s_2α、s_2β计算得到经过了第一低通滤波器和第二低通滤波器产生两次相位延迟之后的转子位置角θ₂，如公式(15)所示：

θ₂＝arctan(-s_2α/s_2β) (15)。

步骤十五、根据公式(16)将步骤十三得到的转子位置角θ₁减去步骤十四得到的转子位置角θ₂得到延迟角度Δθ：

Δθ＝θ₁-θ₂ (16)；

再根据公式(17)利用步骤十三得到的转子位置角θ₁和延迟角度Δθ计算得到估计的实际转子位置角θ：

θ＝θ₁+Δθ (17)。

步骤十六、根据步骤九得到的第五组中间变量s_1α、s_1β和步骤十得到的第六组中间变量s_2α、s_2β计算得到第一低通滤波器和第二低通滤波器对电机反电动势幅值产生的衰减比k，如公式(18)所示：

步骤十七、根据步骤九得到的第五组中间变量s_1α、s_1β和步骤十六得到的衰减比k计算得到电机的反电动势幅值e_m，如公式(19)所示：

其中，k为衰减比。

步骤十八、根据步骤十七得到的反电动势幅值e_m和步骤十五得到的实际转子位置角θ计算得到估计的电机反电动势和如公式(20)所示：

为了验证本发明的有效性，进行了仿真验证。仿真所用逆变器的直流侧电压U_dc为400V，永磁同步电机的额定功率为6.6kW，磁链为0.35Wb，极对数为4，定子电感为12mH，定子电阻R_s为0.5Ω，额定频率为50Hz，额定电压为190V，采样频率为f_s为10kHz。图4给出了本发明计算的反电动势和实际的反电动势值e_α、e_β的关系曲线图，对比可见，本发明在反电动势变化时，可以准确获得估计的反电动势，其幅值和相位均较准确。同时，由于本发明不需要电机的估计转速，因此其方法更加简单、精度更高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机反电动势观测方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤一、利用电压传感器对电机定子电压进行采样得到电机定子电压u_AB和u_BC，计算电机的三相相电压u_A、u_B和u_C，并将三相电压u_A、u_B和u_C通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的电压u_α和电压u_β；

步骤二、利用电流传感器对电机定子三相电流进行采样得到电机定子电流i_A、i_B和i_C，并通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的电流i_α和电流i_β；

步骤三、初始化电机的电流和电流计算电流与步骤二得到的电流i_α的差值，计算电流和步骤二得到的电流i_β的差值，并通过符号函数计算得到高频滑模信号s_α和高频滑模信号s_β；

步骤四、利用步骤一得到的电压u_α减去步骤三得到的高频滑模信号s_α得到第一组中间变量E_1α，利用步骤一得到的电压u_β减去步骤三得到的高频滑模信号s_β得到第一组中间变量E_1β；

步骤五、根据步骤四得到的第一组中间变量E_1α、E_1β和电机q轴电感计算得到第二组中间变量E_2α、E_2β；

步骤六、根据步骤三中的电流电流和电机定子电阻及q轴电感计算得到第三组中间变量E_3α、E_3β；

步骤七、利用步骤五得到的第二组中间变量E_2α减去步骤六得到的第三组中间变量E_3α得到第四组中间变量E_4α，利用步骤五得到的第二组中间变量E_2β减去步骤六得到的第三组中间变量E_3β得到第四组中间变量E_4β；

步骤八、根据步骤七得到的第四组中间变量E_4α、E_4β更新步骤三中的电流和电流进而更新高频滑模信号s_α和高频滑模信号s_β；

步骤九、将更新后的高频滑模信号s_α和高频滑模信号s_β通过第一低通滤波器进行低通滤波分别得到第五组中间变量s_1α、s_1β；

步骤十、将步骤九得到的第五组中间变量s_1α、s_1β通过第二低通滤波器进行低通滤波分别得到第六组中间变量s_2α、s_2β；

步骤十一、根据步骤九得到的第五组中间变量s_1α、s_1β计算有效反电动势q轴偏差

步骤十二、将步骤十一得到的有效反电动势q轴偏差通过比例积分器计算得到估计的转速

步骤十三、将步骤十二得到的转速通过积分调节得到经过第一个低通滤波器产生一次相位延迟后的转子位置角θ₁；

步骤十四、根据步骤十得到的第六组中间变量s_2α、s_2β计算得到经过了第一低通滤波器和第二低通滤波器产生两次相位延迟之后的转子位置角θ₂；

步骤十五、根据步骤十三得到的转子位置角θ₁减去步骤十四得到的转子位置角θ₂得到延迟角度Δθ，再根据转子位置角θ₁和延迟角度Δθ计算得到估计的实际转子位置角θ；

步骤十六、根据步骤九得到的第五组中间变量s_1α、s_1β和步骤十得到的第六组中间变量s_2α、s_2β计算得到第一低通滤波器和第二低通滤波器对电机反电动势幅值产生的衰减比k；

步骤十七、根据步骤九得到的第五组中间变量s_1α、s_1β和步骤十六得到的衰减比k计算得到电机的反电动势幅值e_m；

步骤十八、根据步骤十七得到的反电动势幅值e_m和步骤十五得到的实际转子位置角θ计算得到估计的电机反电动势和

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机反电动势观测方法，其特征在于，所述步骤一中的三相电压u_A、u_B和u_C通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的电压u_α和电压u_β的方法为：其中，u_AB和u_BC为电机定子电压。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机反电动势观测方法，其特征在于，所述步骤二中的电机定子电流i_A、i_B和i_C通过坐标变换得到静止α-β坐标系下的电流i_α和电流i_β的方法为：

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机反电动势观测方法，其特征在于，所述步骤三中的高频滑模信号s_α和高频滑模信号s_β的获得方法为：其中，M为滑模增益，sgn()为符号函数。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机反电动势观测方法，其特征在于，所述第一组中间变量E_1α、E_1β的获得方法为：

所述第二组中间变量E_2α、E_2β的获得方法为：其中，L_q为电机q轴电感；

所述第三组中间变量E_3α、E_3β的获得方法为：其中，R_s为电机定子电阻；

所述第四组中间变量E_4α、E_4β的获得方法为：

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机反电动势观测方法，其特征在于，所述步骤八中的电流和电流的更新方法为：其中，T_s为采样周期。

7.根据权利要求1所述的永磁同步电机反电动势观测方法，其特征在于，所述第五组中间变量s_1α、s_1β的获得方法为：其中，ω_c是第一低通滤波器和第二低通滤波器的截止频率，s为拉普拉斯算子；

所述第六组中间变量s_2α、s_2β的获得方法为：

8.根据权利要求1或7所述的永磁同步电机反电动势观测方法，其特征在于，所述有效反电动势q轴偏差的获得方法为：其中，θ₁为转子位置角；

所述估计的转速的获得方法为：k_p为比例系数，k_i为积分系数；

所述转子位置角θ₁的更新方法为：

所述转子位置角θ₂的获得方法为：θ₂＝arctan(-s_2α/s_2β)；

所述延迟角度Δθ的获得方法为：Δθ＝θ₁-θ₂；

所述估计的实际转子位置角θ的获得方法为：θ＝θ₁+Δθ。

9.根据权利要求8所述的永磁同步电机反电动势观测方法，其特征在于，所述低通滤波器对电机反电动势幅值产生的衰减比k为：

所述电机的反电动势幅值e_m的获得方法为：

10.根据权利要求9所述的永磁同步电机反电动势观测方法，其特征在于，所述步骤十八中的估计的电机反电动势和的获得方法为：