CN114172427B - 一种双三相永磁电机无位置传感器直接转矩控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双三相永磁电机无位置传感器直接转矩控制方法。该方法基于两相静止坐标系下的磁链方程，设计了新型磁链观测器来估计定子磁链和转子磁链。利用定子磁链计算定子磁链幅值和电磁转矩，再结合四维电压空间矢量调制策略，构建基于四维电压空间矢量调制的直接转矩控制***；同时，根据转子磁链中包含的转子位置信息，利用归一化的锁相环位置观测器来估计电机转子位置角和转速，最终将电机位置信息加入到直接转矩控制***中。新型磁链观测器具有较强的抗干扰能力，能有效抑制直流偏置、高频噪声、积分器初始值对磁链观测的影响。该方法能有效地降低双三相永磁电机的低阶次谐波电流，实现无位置传感器下电机直接转矩控制。

Description

一种双三相永磁电机无位置传感器直接转矩控制方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机驱动控制应用领域，尤其是涉及一种双三相永磁电机无位置传感器直接转矩控制方法。
背景技术
多相永磁电机不仅具有高效率、高功率密度等优点，而且还在低压大功率驱动、容错控制、复杂控制等方面兼具优势。相对于传统的六相永磁电机，双三相永磁电机具有互差30度的两套三相绕组，在内部消除了5、7次谐波磁势，将转矩脉动的最低阶次数提高至12次，因此其在抑制转矩脉动上具有更大的优势。直接转矩控制由于其结构简单、转矩响应速度快等优点在电机驱动控制领域受到了越来越多的关注。但是，传统的直接转矩控制存在开关频率不固定、转矩脉动大等问题，基于空间矢量调制的直接转矩控制能有效解决这一问题。一般来说，直接转矩控制中定子磁链主要由电压法和电流法计算得到。电压法中含有纯积分器，因此易受到输入信号直流偏置的影响。而采用电流法计算定子磁链也会存在参数敏感、鲁棒性差等问题。因此，如何获得准确的定子磁链对于直接转矩控制至关重要。此外，直接转矩控制还需要位置传感器来提供转速和位置信息。但机械式位置传感器不可避免的会带来***成本、安装、维护等一系列问题，同时在高温、高湿等恶劣情况下工作可靠性会降低。因此，研究双三相永磁电机无位置传感器直接转矩控制，提高转矩输出性能具有重要意义。
国内外学者对无位置传感器直接转矩控制方法的研究已经取得了一定的成果。中国发明专利《一种永磁同步电机无位置传感器直接转矩方法》(专利号：202010908811.7)公开了一种永磁同步电机直接转矩控制方法，采用滑模控制器来调节转矩和磁链的变化值，并利用龙贝格观测器来获得反电势并估计电机转子位置。但该方法中定子磁链直接由电压法求取，容易受到输入信号中直流偏置的影响。中国发明专利《一种面贴式永磁同步电机无位置传感器直接转矩方法》(专利号：201310369424.0)公开了一种面贴式永磁同步电机无位置传感器直接转矩方法，其采用磁链自适应法和SVPWM来实现直接转矩控制，滑模观测器来估算转子位置和转速。但该方法依然会存在滑模观测器固有的抖振问题。而如何来获得精确的磁链信息和位置信息，并将两者结合起来，实现无位置传感器下双三相永磁电机直接转矩控制运行是本发明主要考虑的因素。
发明内容
发明目的：为了提高双三相永磁电机转矩输出性能，采用了直接转矩控制方式。传统直接转矩控制需要转速信息的参与，但机械式位置传感器面临成本高、恶劣环境可靠性差、安装难度高等问题，因此提出一种双三相永磁电机无位置传感器直接转矩控制方法，保证***无位置传感器下的双三相永磁电机转矩控制性能。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供一种双三相永磁电机无位置传感器直接转矩控制方法，实施步骤包括：
步骤1，磁链观测器的设计：根据电机静止坐标系的磁链方程，构建新型磁链观测器，最终输出电机定子磁链和转子磁链；
步骤2，直接转矩控制***的建立：利用估计得到的定子磁链来计算定子磁链幅值和电机电磁转矩，并与磁链幅值和电磁转矩的给定值相比较得到Δψs和ΔT，经比例积分(PI)控制器后得到参考电压矢量；
步骤3，转速与位置角的估计：将估计得到的转子磁链作为输入，利用归一化的锁相环位置观测器来解调转子磁链中包含的位置信息，得到电机位置角和转速；
步骤4，四维电压空间矢量调制：根据参考电压矢量Uα，Uβ和Uz1z2，选择相邻的两个大矢量和与之同方向的两个中矢量来合成参考电压矢量，并计算四个有效矢量的占空比，合成PWM波；
步骤5，无位置传感器下电机直接转矩控制运行：将估计得到的转速作为反馈，与给定转速比较后，经比例积分控制器得到转矩给定值，建立以转速为外环，转矩为内环的双三相永磁电机调速***。
进一步，所述步骤1的具体过程为：
双三相永磁电机在两相静止坐标系的电压方程可表示为
其中，Uα和Uβ为αβ轴的电压，iα和iβ为αβ轴的电流，ψsα和ψsβ为αβ轴的定子磁链，Rs为电机的定子电阻。
电机的磁链方程可表示为
其中，ψfα和ψfβ为转子磁链，Ls为电机定子电感。
因此，电机定子磁链和转子磁链可以进一步表示为
根据上式，设计新型磁链观测器如图2所示。其中，观测器输入为电机αβ轴的电压和电流，观测器输出为αβ轴的定子磁链和转子磁链。G3为反馈增益。G1和G2均为扰动观测器，可表示为
G1(s)＝G2(s)＝1-D(s)
其中，
由上式可知，D(s)可看成是一个陷波器，其中心频率为ω0，带宽为ξ。同时，G1和G2具有相同的频率和带宽。
定子磁链和转子磁链的传递函数可以表示为
设G3＝k，根据劳斯判据，可知当k<Ls时，***是稳定的。根据传递函数可以分析出，该新型磁链观测器具有带通滤波器的特性，能够有效地抑制输入信号中的直流偏置、高频噪声，并且消除积分器初始值对于磁链观测的影响。
进一步，步骤2所述的具体过程为：
根据磁链观测器估计的定子磁链可以计算得到定子磁链的幅值，表示为
其中，|ψs|为定子磁链的幅值，θs为定子磁链角。
同时，计算得到电机的电磁转矩为
Te＝3pn(ψsαiβ-ψsβiα)
其中，pn为电机的极对数。
将计算的定子磁链幅值与电磁转矩与给定值进行比较，即可得到Δψs和ΔT，经比例积分控制器后得到参考电压矢量Ud、Uq。
进一步，所述步骤3的具体过程为：
转子磁链可以看成是永磁磁链在αβ轴的分布，表示为
其中，ψpm为电机的永磁磁链，θe为转子位置角。因此，可知转子磁链中包含了电机位置角信息。
将估计得到的转子磁链作为输入，利用归一化的锁相环位置观测器可以将转子磁链中包含的位置信息解调出来。得到估计位置和真实位置的传递函数为
其中，kp和ki为位置观测器中比例积分控制器的参数，为估计位置角。
进一步，所述步骤4的具体过程为：
双三相永磁电机依靠六相逆变器来驱动运行，其电压矢量分布在基波平面和谐波平面。虽然谐波平面不产生转矩，但由于谐波平面的谐波阻抗较小，容易产生较大的谐波电流，所以需要对谐波平面的电压进行控制。
根据参考电压矢量Uα，Uβ和Uz1z2，选择相邻的两个大矢量和与之同方向的两个中矢量作为有效矢量，先合成中间电压矢量来保证谐波平面电压为0，再进一步合成参考电压矢量，并计算四个有效矢量的占空比，合成PWM波，并输出到六相逆变器中。
进一步，所述步骤5的具体过程为：
采样双三相永磁电机的相电压和相电流，经坐标变换后得到αβ轴的电压和电流，以及谐波电流iz1z2。将谐波电流给定值iz1z2 *与谐波电流反馈值iz1z2比较，经比例积分(PI)控制器后得到谐波电压给定值Uz1z2。同时，将估计得到的转速作为反馈，与给定转速比较后，经比例积分控制器得到转矩给定值，建立以转速为外环，转矩为内环的双三相电机调速***。
本发明的有益效果：
1)本发明提出的新型磁链观测器能输出定子磁链和转子磁链，并有效抑制直流偏置、高频噪声以及积分器初始值对磁链估计结果的影响；
2)本发明采用电压空间矢量直接转矩控制方法，提高了双三相永磁电机的转矩控制性能；
3)本发明利用位置观测器从转子磁链中提取位置信息，省去了机械式位置传感器，降低了***成本且简化了***的硬件结构；
4)本发明采用四维电压空间矢量调制策略，降低了双三相永磁电机的低阶次谐波电流；
5)本发明同时适用于多相的永磁同步电机。
附图说明
图1为双三相永磁电机无位置传感器直接转矩控制原理图
图2为新型磁链观测器结构图
图3为四维空间矢量调制结构图
图4为六相逆变器电压空间矢量分布图
图5为磁链观测器估计的定子磁链
图6为磁链观测器估计的转子磁链
图7为真实转速与估计转速对比图
图8为真实位置角与估计位置角对比图
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提出一种双三相永磁电机无位置传感器直接转矩控制方法。
所提出的一种双三相永磁电机无位置传感器直接转矩控制方法的具体实施步骤包括：
步骤1：磁链观测器的设计
双三相永磁电机在两相静止坐标系的电压方程可表示为
其中，Uα和Uβ为αβ轴的电压，iα和iβ为αβ轴的电流，ψsα和ψsβ为αβ轴的定子磁链，Rs为电机的定子电阻。
电机的磁链方程可表示为
其中，ψfα和ψfβ为转子磁链，Ls为电机定子电感。
因此，电机定子磁链和转子磁链可以进一步表示为
根据上式，设计新型磁链观测器如图2所示。其中，观测器输入为电机αβ轴的电压和电流，观测器输出为αβ轴的定子磁链和转子磁链。G3为反馈增益。G1和G2均为扰动观测器，可表示为
G1(s)＝G2(s)＝1-D(s)
其中，
由上式可知，D(s)可看成是一个陷波器，其中心频率为ω0，带宽为ξ。同时，G1和G2具有相同的频率和带宽。
定子磁链和转子磁链的传递函数可以表示为
设G3＝k，根据劳斯判据，可知当k<Ls时，***是稳定的。根据传递函数可以分析出，该新型磁链观测器具有带通滤波器的特性，能够有效地抑制输入信号中的直流偏置、高频噪声，并且消除积分器初始值对于磁链观测的影响。
步骤2，直接转矩控制***的建立
根据磁链观测器估计的定子磁链可以计算得到定子磁链的幅值，表示为
其中，|ψs|为定子磁链的幅值，θs为定子磁链角。
同时，计算得到电机的电磁转矩为
Te＝3pn(ψsαiβ-ψsβiα)
其中，pn为电机的极对数。
直接转矩控制的结构如图3所示。将计算的定子磁链幅值与电磁转矩与给定值进行比较即可得到Δψs和ΔT，经比例积分控制器后得到参考电压矢量Ud、Uq。根据如下变换矩阵
即可得到αβ轴的参考电压矢量，参与电压空间矢量调制。
步骤3，转速与位置角的估计
转子磁链可以看成是永磁磁链在αβ轴的分布，表示为
其中，ψpm为电机的永磁磁链，θe为转子位置角。因此，可知转子磁链中包含了电机位置角信息。
将估计得到的转子磁链作为输入，利用归一化的锁相环位置观测器可以将转子磁链中包含的位置信息解调出来。得到估计位置和真实位置的传递函数为
其中，kp和ki为位置观测器中比例积分控制器的参数，为估计位置角。
步骤4，四维电压空间矢量调制
双三相永磁电机依靠六相逆变器来驱动运行，其电压矢量分布在αβ基波平面和z1z2谐波平面。如图4所示为六相逆变器的电压矢量分布图，其中大矢量vL＝0.644Udc，中矢量vM＝0.471Udc，基本矢量vB＝0.333Udc，小矢量vS＝0.173Udc(Udc为直流母线电压)。虽然谐波平面不产生转矩，但由于谐波平面的谐波阻抗较小，容易产生较大的谐波电流，所以需要对谐波平面的电压进行控制。
其根据参考电压矢量Uα，Uβ和Uz1z2，选择相邻的两个大矢量和与之同方向的两个中矢量作为有效矢量，先合成中间电压矢量。定义中间电压矢量为V，可得到αβ平面和z1z2平面的中间电压矢量为
其中，Ts为中间电压矢量的控制周期，μ为大矢量作用时间系数。当|Vz1z2|＝0，谐波平面电压为0，即可消除z1z2谐波平面的低阶次谐波电流。再进一步合成参考电压矢量，再计算四个有效矢量的占空比，合成PWM波，并输出到六相逆变器中。
步骤5，无位置传感器下电机直接转矩控制运行
采样双三相永磁电机的相电压和相电流，经坐标变换后得到αβ轴的电压和电流，以及谐波电流iz1z2。将谐波电流给定值iz1z2 *与谐波电流反馈值iz1z2比较，经比例积分(PI)控制器后得到谐波电压给定值Uz1z2。同时，将估计得到的转速作为反馈，与给定转速比较后，经PI控制器得到转矩给定值，建立以转速为外环，转矩为内环的双三相电机调速***。
图5和图6分别为磁链观测器估计的定子磁链和转子磁链；
图7和图8分别为电机实际转速与估计转速、实际位置角与估计位置角的对比图。可知，估计转速能跟随给定转速，且估计位置与实际位置重合度高。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双三相永磁电机无位置传感器直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，磁链观测器的设计：根据电机静止坐标系的磁链方程，构建磁链观测器，最终输出电机定子磁链和转子磁链；
步骤2，直接转矩控制***的建立：利用估计得到的定子磁链计算定子磁链幅值和电机电磁转矩，并与磁链幅值和电磁转矩的给定值相比较得到Δψs和ΔT，经比例积分PI控制器后得到参考电压矢量；
步骤3，转速与位置角的估计：将估计得到的转子磁链作为输入，利用归一化的锁相环位置观测器来解调转子磁链中包含的位置信息，得到电机位置角和转速；
步骤4，四维电压空间矢量调制：根据参考电压矢量Uα，Uβ和Uz1z2，选择相邻的两个大矢量和与之同方向的两个中矢量来合成参考电压矢量，并计算四个有效矢量的占空比，合成PWM波；
步骤5，无位置传感器下电机直接转矩控制运行：将估计得到的转速作为反馈，与给定转速比较后，经比例积分控制器得到转矩给定值，建立以转速为外环，转矩为内环的双三相永磁电机调速***；
步骤1的具体步骤包括：
双三相永磁电机在两相静止坐标系的电压方程可表示为
其中，Uα和Uβ为αβ轴的电压，iα和iβ为αβ轴的电流，ψsα和ψsβ为αβ轴的定子磁链，Rs为电机的定子电阻；
电机的磁链方程可表示为
其中，ψfα和ψfβ为转子磁链，Ls为电机定子电感；
因此，电机定子磁链和转子磁链可以进一步表示为
根据上式，观测器输入为电机αβ轴的电压和电流，观测器输出为αβ轴的定子磁链和转子磁链，G3为反馈增益，G1和G2均为扰动观测器，可表示为
G1(s)＝G2(s)＝1-D(s)
其中，
由上式可知，D(s)可看成是一个陷波器，其中心频率为ω0，带宽为ξ，同时，G1和G2具有相同的频率和带宽；
定子磁链和转子磁链的传递函数可以表示为
其中，uαβ和iαβ分别为αβ轴的电压和电流，ψsαβ和ψfαβ分别为αβ轴的定子磁链和转子磁链；设G3＝k，根据劳斯判据，可知当k<Ls时，***是稳定的，根据传递函数可以分析出，该磁链观测器具有带通滤波器的特性，能够有效地抑制输入信号中的直流偏置、高频噪声，并且消除积分器初始值对于磁链观测的影响；
步骤3的具体步骤包括：
转子磁链可以看成是永磁磁链在αβ轴的分布，可表示为
其中，ψpm为电机的永磁磁链，θe为转子位置角，因此，可知转子磁链中包含了电机位置角信息；
将估计得到的转子磁链作为输入，利用归一化的锁相环位置观测器可以将转子磁链中包含的位置信息解调出来，得到估计位置和真实位置的传递函数为
其中，kp和ki为位置观测器中比例积分控制器的参数，为估计位置角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2的具体步骤包括：
根据磁链观测器估计的定子磁链可以计算得到定子磁链的幅值，表示为
其中，|ψs|为定子磁链的幅值，θs为定子磁链角；
同时，计算得到电机的电磁转矩为
Te＝3pn(ψsαiβ-ψsβiα)
其中，pn为电机的极对数；
将计算的定子磁链幅值与电磁转矩与给定值进行比较即可得到Δψs和ΔT，经比例积分控制器后得到参考电压矢量Ud、Uq。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4的具体步骤包括：
双三相永磁电机依靠六相逆变器来驱动运行，其电压矢量分布在基波平面和谐波平面，虽然谐波平面不产生转矩，但由于谐波平面的谐波阻抗较小，容易产生较大的谐波电流，所以需要对谐波平面的电压进行控制；
根据参考电压矢量Uα，Uβ和Uz1z2，选择相邻的两个大矢量和与之同方向的两个中矢量作为有效矢量，先合成中间电压矢量来保证谐波平面电压为0，再进一步合成参考电压矢量，并计算四个有效矢量的占空比，合成PWM波，并输出到六相逆变器中。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤5的具体步骤包括：
采样双三相永磁电机的相电压和相电流，经坐标变换后得到αβ轴的电压和电流，以及谐波电流iz1z2，将谐波电流给定值iz1z2 *与谐波电流反馈值iz1z2比较，经比例积分(PI)控制器后得到谐波电压给定值Uz1z2，同时，将估计得到的转速作为反馈，与给定转速比较后，经比例积分控制器得到转矩给定值，建立以转速为外环，转矩为内环的双三相永磁电机调速***。
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