CN111953255A - 无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法及控制装置 - Google Patents

无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法及控制装置 Download PDF

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段晓丽
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范恺
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Abstract

本申请属于发电机控制技术领域，特别涉及一种无位置传感器的一体化永磁同步电机的控制方法，所述控制方法包括：三相电流采样以获得发电机的三相电流；对所述三相电流进行变换得到直轴采样电流和交轴采样电流；通过估算获得发电机转子电角度及转速；给定初始转速，通过初始转速与转速相比较的偏差经PI控制器后得到交轴给定电流，与交轴采样电流相比较的偏差经PI控制器后得到交轴电压；使直轴给定电流
Figure DDA0002603928350000011
并与直轴采样电流相比较的偏差经PI控制器后得到直轴电压；根据交轴电压及直轴电压经变换后得到α轴电压及β轴电压；经PWM模块后生成用于驱动发电机逆变器工作的六路控制信号。本申请的方法可以克服一体化高功重比***永磁同步电机的控制问题。

Description

无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法及控制装置
技术领域
本申请属于电机控制技术领域，特别涉及一种一体化永磁同步电机的控制方法。
背景技术
随着多电飞机技术的发展，未来飞机在高超音速、超常规机动动作过程中，使得传输泵、增压泵、机电作动器(Electro Mechanical Actuator，EMA)、循环风扇、压缩机等机载设备对驱动电机具有更多的需求和更高的要求。由于结构空间的限制，这就要求使用的电动机体积更小、重量更轻、效率更高，也就是要求电机具有更高的功重比。同时，由于电能更多的代替了液压能等二次能源，驱动电机输出转速、转矩的能力以及驱动控制***的控制性能也亟需提高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法，以解决无位置传感器的一体化永磁同步电机的控制问题。
本申请提供的无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法，包括：
一种无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
三相电流采样以获得发电机的三相电流；
对所述三相电流进行Clarke变换及Park变换后得到直轴采样电流iq和交轴采样电流id；
通过估算获得发电机转子电角度θe及转速n；
给定初始转速n*，通过初始转速n*与转速n相比较的偏差经PI控制器后得到交轴给定电流
Figure BDA0002603928330000011
与交轴采样电流iq相比较的偏差经PI控制器后得到交轴电压
Figure BDA0002603928330000012
使直轴给定电流
Figure BDA0002603928330000013
并与直轴采样电流id相比较的偏差经PI控制器后得到直轴电压
Figure BDA0002603928330000014
根据交轴电压
Figure BDA0002603928330000021
及直轴电压
Figure BDA0002603928330000022
经Park变换后得到α轴电压
Figure BDA0002603928330000023
及β轴电压
Figure BDA0002603928330000024
经PWM模块后生成用于驱动发电机逆变器工作的多路控制信号。
进一步的，估算获得发电机转子电角度θe及转速n，包括：
构建一个与真实d-q坐标系的位置误差△θ为零的假设坐标系，并建立假设坐标系与真实坐标系的电压关系式；
利用反变换将所述电压关系式变换到静止坐标系下；
根据静止坐标系下的电压关系式得到相应的电流状态方程；
构建基于滑膜观测器的观测电流状态方程；
使所述电流状态方程及观测电流状态方法做差得到电流误差方程；
构建滑模控制律，根据所述滑膜控制律及所述电流误差方程实现发电机转子位置估测。
进一步的，假设坐标系与真实坐标系的电压关系式为：
Figure BDA0002603928330000025
式中：
Figure BDA0002603928330000026
为
Figure BDA0002603928330000027
轴的电压和电流；
Figure BDA0002603928330000028
为
Figure BDA0002603928330000029
轴的反电动势。
进一步的，利用反变换将所述电压关系式变换到静止坐标系下的关系式为：
Figure BDA00026039283300000210
其中，Eα,Eβ为扩展反电动势。
进一步的，所述扩展反电动势满足条件：
Figure BDA00026039283300000211
式中：p为微分算子，ωe为电机转速，θe为电机转子位置，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感，Rs为定子绕组电阻，ψf为电机转子磁链。
进一步的，根据静止坐标系下的电压关系式得到相应的电流状态方程为：
Figure BDA00026039283300000212
式中，
Figure BDA0002603928330000031
进一步的，构建基于滑膜观测器的观测电流状态方程为：
Figure BDA0002603928330000032
式中，
Figure BDA0002603928330000033
为定子电流的观测值，
Figure BDA0002603928330000034
为扩展反电动势的观测值，uα、uβ为观测器的控制输入。
进一步的，所述电流误差方程为：
Figure BDA0002603928330000035
其中，
Figure BDA0002603928330000036
为电流误差。
进一步的，所述构建滑模控制律，根据所述滑膜控制律及所述电流误差方程实现发电机转子位置估测，包括：
构建滑模控制律：
Figure BDA0002603928330000037
其中：
Figure BDA0002603928330000038
当滑模观测器的状态变量达到滑模面
Figure BDA0002603928330000039
之后，观测器状态将一直保持在滑模面上，根据滑模控制的等效控制原理，此时的控制量具有等效控制量，可得：
Figure BDA00026039283300000310
由于滑模控制在滑动模态下存在高频抖阵，因此估算的反电动势也将存在高频抖阵现象，为了提高***的稳定性，采用锁相环***来提取转子的位置信息；
假设
Figure BDA00026039283300000311
当
Figure BDA00026039283300000312
时，认为
Figure BDA00026039283300000313
成立，根据拓展反电势条件具有如下关系式：
Figure BDA00026039283300000314
最终实现发电机转子的位置估算。
本申请提供的无位置传感器的一体化永磁电机同步控制方法可以提高一体化永磁电机的高功比，提高永磁电机的控制性能。
附图说明
图1是本申请的无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法示意图。
图2是本申请中基于锁相环的滑膜观测器(SMO)示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
为了克服一体化高功重比***永磁同步电机的控制问题，本申请提供了一种一体化永磁同步电机控制方法，本申请的控制方法选择基于无位置传感器的矢量控制中id＝0的控制策略。
电机控制的基本方法就是通过检测电机转子的位置、定子电流、电压，利用矢量控制思想进行坐标变换(d-q坐标系与α-β坐标系)实现定子绕组电流中励磁分量和转矩分量的解耦，再分别对励磁和转矩进行控制，这样就可以得到类似直流电机的控制特性，从而实现了对永磁同步电动机的控制。
本申请中所涉及到的控制电机为隐极同步电机。
具体的，如图1所示的本申请的控制方法，其包括：
首先，通过相电流检测电路对三相电流进行采样，以获得发电机的三相电流；
之后对三相电流进行Clarke变换及Park变换后得到直轴采样电流iq和交轴采样电流id；
同时，通过估算获得发电机转子电角度(也称位置)θe及转速n；
然后，给定初始转速n*，通过初始转速n*与转速n相比较的偏差经PI控制器后得到交轴给定电流
Figure BDA0002603928330000051
与交轴采样电流iq相比较的偏差经PI控制器后得到交轴电压
Figure BDA0002603928330000052
使直轴给定电流
Figure BDA0002603928330000053
并与直轴采样电流id相比较的偏差经PI控制器后得到直轴电压
Figure BDA0002603928330000054
根据交轴电压
Figure BDA0002603928330000055
及直轴电压
Figure BDA0002603928330000056
经Park逆变换后得到α轴电压
Figure BDA0002603928330000057
及β轴电压
Figure BDA0002603928330000058
最后，经PWM模块后生成用于驱动发电机逆变器工作的多路控制信号。
进一步的，在本申请的无位置传感器永磁同步电机控制方法中，速度估测与位置估测是通过滑膜观测器和锁相环的策略完成，具体如下：
首先构建一个假设
Figure BDA0002603928330000059
坐标系，所有的变换都在假设的
Figure BDA00026039283300000510
坐标系上进行，通过适当的控制，可以使假设的
Figure BDA00026039283300000511
坐标系与真实的d-q坐标系的位置误差△θ为零，则假设坐标就可认为是转子真实的d-q坐标。
此时，假设
Figure BDA00026039283300000512
坐标系与d-q真实坐标系具体如下关系式：
Figure BDA00026039283300000513
式中：
Figure BDA00026039283300000514
为
Figure BDA00026039283300000515
轴的电压和电流；
Figure BDA00026039283300000516
为
Figure BDA00026039283300000517
轴的反电动势。
利用反Park变换，将式(1)中的关系式变换到静止α-β坐标系下：
Figure BDA00026039283300000518
其中Eα,Eβ为扩展反电动势(EMF)，且扩展反电动势满足如下条件：
Figure BDA00026039283300000519
式中：p为微分算子，ωe为电机转速，θe为电机转子位置，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感，Rs为定子绕组电阻，ψf为电机转子磁链
上述公式(2)可以写成电流状态方程：
Figure BDA00026039283300000520
其中：
Figure BDA0002603928330000061
为了获得扩展反电动势的观测值，传统SMO的设计方法通常如下：
Figure BDA0002603928330000062
其中，
Figure BDA0002603928330000063
为定子电流的观测值，
Figure BDA0002603928330000064
为扩展反电动势的观测值，uα、uβ为观测器的控制输入。
将式(4)和式(5)做差，可得定子电流的误差方程为：
Figure BDA0002603928330000065
其中，
Figure BDA0002603928330000066
为电流误差。
最后，设计滑模控制律为：
Figure BDA0002603928330000067
其中：
Figure BDA0002603928330000068
当滑模观测器的状态变量达到滑模面
Figure BDA0002603928330000069
之后，观测器状态将一直保持在滑模面上。根据滑模控制的等效控制原理，此时的控制量可以看做等效控制量，可得：
Figure BDA00026039283300000610
由于滑模控制在滑动模态下存在高频抖阵，因此估算的反电动势也将存在高频抖阵现象，为了提高***的稳定性，采用锁相环***来提取转子的位置信息。
假设
Figure BDA00026039283300000611
当
Figure BDA00026039283300000612
时，认为
Figure BDA00026039283300000613
成立，根据图1和式(3)可以得到如下关系式：
Figure BDA00026039283300000614
最终可得到发电机住转子的位置，通过位置与转速的换算关系即可方便的得到发电机转子的转速。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
三相电流采样以获得发电机的三相电流；
对所述三相电流进行Clarke变换及Park变换后得到直轴采样电流iq和交轴采样电流id；
通过估算获得发电机转子电角度θe及转速n；
给定初始转速n*，通过初始转速n*与转速n相比较的偏差经PI控制器后得到交轴给定电流
Figure FDA0002603928320000011
与交轴采样电流iq相比较的偏差经PI控制器后得到交轴电压
Figure FDA0002603928320000012
使直轴给定电流
Figure FDA0002603928320000013
并与直轴采样电流id相比较的偏差经PI控制器后得到直轴电压
Figure FDA0002603928320000014
根据交轴电压
Figure FDA0002603928320000015
及直轴电压
Figure FDA0002603928320000016
经Park变换后得到α轴电压
Figure FDA0002603928320000017
及β轴电压
Figure FDA0002603928320000018
经PWM模块后生成用于驱动发电机逆变器工作的多路控制信号。
2.如权利要求1所述的无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法，其特征在于，估算获得发电机转子电角度θe及转速n，包括：
构建一个与真实d-q坐标系的位置误差△θ为零的假设坐标系，并建立假设坐标系与真实坐标系的电压关系式；
利用反变换将所述电压关系式变换到静止坐标系下；
根据静止坐标系下的电压关系式得到相应的电流状态方程；
构建基于滑膜观测器的观测电流状态方程；
使所述电流状态方程及观测电流状态方法做差得到电流误差方程；
构建滑模控制律，根据所述滑膜控制律及所述电流误差方程实现发电机转子位置估测。
3.如权利要求2所述的无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法，其特征在于，假设坐标系与真实坐标系的电压关系式为：
Figure FDA0002603928320000021
式中：
Figure FDA0002603928320000022
为
Figure FDA0002603928320000023
轴的电压和电流；
Figure FDA0002603928320000024
为
Figure FDA0002603928320000025
轴的反电动势。
4.如权利要求3所述的无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法，其特征在于，利用反变换将所述电压关系式变换到静止坐标系下的关系式为：
Figure FDA0002603928320000026
其中，Eα,Eβ为扩展反电动势。
5.如权利要求4所述的无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述扩展反电动势满足条件：
Figure FDA0002603928320000027
式中：p为微分算子，ωe为电机转速，θe为电机转子位置，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感，Rs为定子绕组电阻，ψf为电机转子磁链。
6.如权利要求5所述的无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法，其特征在于，根据静止坐标系下的电压关系式得到相应的电流状态方程为：
Figure FDA0002603928320000028
式中，
Figure FDA0002603928320000029
7.如权利要求6所述的无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法，其特征在于，构建基于滑膜观测器的观测电流状态方程为：
Figure FDA0002603928320000031
式中，
Figure FDA0002603928320000032
为定子电流的观测值，
Figure FDA0002603928320000033
为扩展反电动势的观测值，uα、uβ为观测器的控制输入。
8.如权利要求7所述的无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述电流误差方程为：
Figure FDA0002603928320000034
其中，
Figure FDA0002603928320000035
为电流误差。
9.如权利要求8所述的无位置传感器的一体化永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述构建滑模控制律，根据所述滑膜控制律及所述电流误差方程实现发电机转子位置估测，包括：
构建滑模控制律：
Figure FDA0002603928320000036
其中：
Figure FDA0002603928320000037
当滑模观测器的状态变量达到滑模面
Figure FDA0002603928320000038
之后，观测器状态将一直保持在滑模面上，根据滑模控制的等效控制原理，此时的控制量具有等效控制量，可得：
Figure FDA0002603928320000039
由于滑模控制在滑动模态下存在高频抖阵，因此估算的反电动势也将存在高频抖阵现象，为了提高***的稳定性，采用锁相环***来提取转子的位置信息；
假设
Figure FDA00026039283200000310
当
Figure FDA00026039283200000311
时，认为
Figure FDA00026039283200000312
成立，根据拓展反电势条件具有如下关系式：
Figure FDA0002603928320000041
最终实现发电机转子的位置估算。
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