[發(fā)明專利]永磁同步電機的無傳感器矢量控制系統(tǒng)和控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310515909.6
• 申請日: 2013-10-28
• 公開（公告）號: CN103532464A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林鶴云;陸婋泉
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: H02P21/13
• 分類號: H02P21/13;H02P25/02
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務(wù)所 32250
• 代理人: 王斌

1.一種永磁同步電機的無傳感器矢量控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：前置電流濾波器（101）、低速轉(zhuǎn)子位置觀測器（102）、低速轉(zhuǎn)子速度觀測器（103）、三相靜止向兩相靜止坐標變換器（104-1）、滑模觀測器（104-2）、微分器（104-3）、模式轉(zhuǎn)換器（105）、三相靜止向兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換器（106）、PI速度控制器（107）、PI交軸電流控制器（108）、PI直軸電流控制器（109）、兩相旋轉(zhuǎn)向兩相靜止坐標變換器（110）、空間矢量脈寬控制器（111）、逆變器（112）、a相電流傳感器（113）和b相電流傳感器（114），該控制系統(tǒng)（100）通過逆變器（112）與被控電機（200）相連，其中：

所述模式轉(zhuǎn)換器（105）輸出的轉(zhuǎn)子速度估計值與一電機轉(zhuǎn)子速度給定值相比較的差值作為PI速度控制器（107）的輸入，PI速度控制器（107）輸出的交軸電流給定值和三相靜止向兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換器（106）輸出的交軸電流反饋值相比較的差值輸入給PI交軸電流控制器（108），直軸電流給定值和三相靜止向兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換器（106）輸出的直軸電流反饋值相比較的差值輸入給PI直軸電流控制器（109），PI直軸電流控制器（109）輸出的直軸電壓給定值u_d和PI交軸電流控制器（108）輸出的交軸電壓給定值u_q共同輸入兩相旋轉(zhuǎn)向兩相靜止坐標變換器（110），兩相旋轉(zhuǎn)向兩相靜止坐標變換器（110）輸出的α軸電壓給定值u_α和β軸電壓給定值u_β共同輸入空間矢量脈寬控制器（111），空間矢量脈寬控制器（111）的輸出作為逆變器（112）的輸入，逆變器（112）的輸出作為驅(qū)動信號與永磁同步電機（200）三相定子繞組相連；

所述永磁同步電機（200）的a相電流通過所述a相電流傳感器（113）采集，所述a相電流傳感器（113）采集到的a相電流信號分別與前置電流濾波器（101）、三相靜止向兩相靜止坐標變換器（104-1）和三相靜止向兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換器（106）的a相電流輸入端相連；

所述永磁同步電機（200）的b相電流通過b相電流傳感器（114）采集，所述b相電流傳感器（114）采集到的b相電流信號分別與三相靜止向兩相靜止坐標變換器（104-1）及三相靜止向兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換器（106）的b相電流輸入端相連；

所述前置電流濾波器（101）的輸出分別與低速轉(zhuǎn)子位置觀測器（102）和低速轉(zhuǎn)子速度觀測器（103）的輸入相連，所述低速轉(zhuǎn)子位置觀測器（102）的輸出與模式轉(zhuǎn)換器（105）的低速轉(zhuǎn)子位置輸入相連，所述低速轉(zhuǎn)子速度觀測器（103）的輸出與模式轉(zhuǎn)換器（105）的低速轉(zhuǎn)子速度輸入相連，所述三相靜止向兩相靜止坐標變換器（104-1）的輸出I_α和I_β、兩相旋轉(zhuǎn)向兩相靜止坐標變換器（110）輸出的α軸電壓給定值u_α和β軸電壓給定值u_β共同送入滑模觀測器（104-2），該滑模觀測器（104-2）的輸出分別與模式轉(zhuǎn)換器（105）的滑模轉(zhuǎn)子位置輸入及微分器（104-3）的輸入相連，該微分器（104-3）的輸出與模式轉(zhuǎn)換器（105）的滑模轉(zhuǎn)子速度輸入相連，該模式轉(zhuǎn)換器（105）輸出的轉(zhuǎn)子角度估計值分別作為三相靜止向兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換器（106）和兩相旋轉(zhuǎn)向兩相靜止坐標變換器（110）的角度輸入；

所述兩相旋轉(zhuǎn)向兩相靜止坐標變換器（110）根據(jù)轉(zhuǎn)子角度估計值將兩相旋轉(zhuǎn)的dq軸電壓轉(zhuǎn)換為兩相靜止的αβ軸電壓，所述空間矢量脈寬控制器（111）根據(jù)所述αβ軸電壓產(chǎn)生逆變器（112）的控制信號，所述逆變器（112）根據(jù)該控制信號控制永磁同步電機（200）的三相定子電流通斷。

2.一種基于權(quán)利要求1所述無傳感器矢量控制系統(tǒng)實現(xiàn)的永磁同步電機的無傳感器矢量控制方法，其特征在于，包括啟動-低速控制、中高速控制和過渡區(qū)域控制，其中：

（1）啟動-低速控制，利用所述前置電流濾波器（101）用于消除電流高頻信號引起的抖震，其實現(xiàn)過程如下：

a）所述前置電流濾波器（101）的傳遞函數(shù)如下：

Ia*=ωcωc+sIa;]]>

b）所述低速轉(zhuǎn)子位置觀測器（102）基于下述數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)模型而建立：

θ^rLPO(t)=Σi=1mβiθexp(IitraIa*(t))]]>

其中，為實時采集到的濾波后a相定子電流，為用于參數(shù)訓(xùn)練時的a相定子電流特征值，為訓(xùn)練得到的低速轉(zhuǎn)子位置觀測器模型參數(shù)，為實時估計得到的轉(zhuǎn)子位置；

在上述模型參數(shù)訓(xùn)練過程中，將a相定子電流作為訓(xùn)練集特征值，將使用外接測量設(shè)備實際測量得到的電機轉(zhuǎn)子位置作為訓(xùn)練集的目標值，根據(jù)所述數(shù)學(xué)模型，通過交叉訓(xùn)練得到最優(yōu)低速轉(zhuǎn)子位置觀測器模型參數(shù)，建立低速轉(zhuǎn)子位置觀測器；

c）低速轉(zhuǎn)子速度觀測器（103）基于如下回歸數(shù)學(xué)模型建立：

ω^rLSO(t)=Σi=1mβiωexp(IitraIa*(t))]]>

其中，為實時采集到的濾波后a相定子電流，為用于參數(shù)訓(xùn)練時的a相定子電流特征值，為訓(xùn)練得到的低速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速觀測器模型參數(shù)，為實時估計得到的轉(zhuǎn)子速度;

在上述回歸數(shù)學(xué)模型參數(shù)訓(xùn)練過程中，將a相定子電流作為訓(xùn)練集特征值，將使用外接轉(zhuǎn)速測量設(shè)備實際測量得到的電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速作為訓(xùn)練集的目標值，根據(jù)所述數(shù)學(xué)模型，通過交叉訓(xùn)練得到最優(yōu)低速轉(zhuǎn)子速度觀測器模型參數(shù)，實現(xiàn)低速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速觀測器的建立；

d）對所述低速轉(zhuǎn)子位置觀測器（102）與低速轉(zhuǎn)子速度觀測器（103）建模，建模過程如下：

第一步：外接轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速測量裝置，為矢量閉環(huán)控制提供相應(yīng)信號，記錄啟動至低速過程中，電機的轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)速和相應(yīng)a相電流執(zhí)行第二步；

第二步：訓(xùn)練低速轉(zhuǎn)子位置觀測器參數(shù)構(gòu)建低速轉(zhuǎn)子位置觀測器（102）并在DSP上實現(xiàn)上述執(zhí)行第四步；

第三步：訓(xùn)練低速轉(zhuǎn)子速度觀測器參數(shù)構(gòu)建低速轉(zhuǎn)子速度觀測器（103）并在DSP上實現(xiàn)上述執(zhí)行第四步；

第四步：測試啟動狀態(tài)下的無傳感器矢量控制系統(tǒng)性能，如果滿足轉(zhuǎn)子位置估計誤差小于最大轉(zhuǎn)子位置估計誤差e_θ＜e_θmax，則進行第五步，如果不滿足，則轉(zhuǎn)至第二步重復(fù)順序執(zhí)行，重新訓(xùn)練低速轉(zhuǎn)子位置觀測器參數(shù){β^θ}_m×1；

第五步：測試啟動狀態(tài)下的無傳感器矢量控制系統(tǒng)性能，如果滿足轉(zhuǎn)子速度估計誤差小于最大轉(zhuǎn)子速度估計誤差e_ω＜e_ωmax，則訓(xùn)練結(jié)束，如果不滿足，則轉(zhuǎn)至第三步重復(fù)順序執(zhí)行，重新訓(xùn)練低速轉(zhuǎn)子速度觀測器參數(shù){β^ω}_m×1；

其中，第二步與第三步為并列執(zhí)行，第二步與第三步執(zhí)行完畢后均轉(zhuǎn)至第四步；

2）所述中高速控制方法：電機的轉(zhuǎn)子位置由滑模觀測器（104-2）估計得到，轉(zhuǎn)子速度通過轉(zhuǎn)子位置微分得到；

3）所述過渡區(qū)域控制方法：在低速向中高速過渡區(qū)域中，不同觀測器的切換過程由模式轉(zhuǎn)換器（105）實現(xiàn)，其實現(xiàn)流程為：

啟動與低速區(qū)域為切換轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子位置和速度信號由低速轉(zhuǎn)子位置觀測器（102）和低速轉(zhuǎn)子速度觀測器（103）提供，即用于角度計算的轉(zhuǎn)子位置估計值和轉(zhuǎn)速反饋值

當轉(zhuǎn)速大于切換轉(zhuǎn)速αω^*后，判斷低速轉(zhuǎn)子速度觀測器（103）與滑模觀測器（104-2）后的微分器（104-3）估計得到的轉(zhuǎn)子角度之差是否低于10°：如果條件不成立，則進入過渡區(qū)域，此時θ^r=θ‾r]]>和ω^r=ω‾r,]]>其中，θ‾r=(θ^rLPO+θ^rSMO)/2]]>且ω‾r=(ω^rLPO+ω^rSMO)/2;]]>如果條件成立，則切換到滑模觀測器（104-2）及微分器（104-3）工作狀態(tài)，此時同時令標志位s＝1，標志位使得從下一次中斷判斷開始，轉(zhuǎn)子位置和速度信號始終由滑模觀測器（104-2）及微分器（104-3）提供；其中

所述三相靜止向兩相旋轉(zhuǎn)坐標變換器（106），根據(jù)轉(zhuǎn)子位置估計值將三相靜止的abc相電流轉(zhuǎn)換為兩相靜止的dq軸電流；

所述PI速度控制器（107），根據(jù)給定速度和轉(zhuǎn)速估計值的差值控制q軸電流給定值，使給定速度和轉(zhuǎn)速預(yù)測值的差值為零；

所述PI交軸電流控制器（108），根據(jù)q軸電流給定值和估計值的差值控制q軸電壓，使q軸電流給定值和估計值的差值為零；

所述PI直軸電流控制器（109），根據(jù)d軸電流給定值和估計值的差值控制d軸電壓，使d軸電流給定值和估計值的差值為零；

所述兩相旋轉(zhuǎn)向兩相靜止坐標變換器（110），根據(jù)轉(zhuǎn)子位置估計值將兩相旋轉(zhuǎn)的dq軸電壓轉(zhuǎn)換為兩相靜止的αβ軸電壓；

所述空間矢量脈寬控制器（111），根據(jù)αβ軸電壓產(chǎn)生逆變器的控制信號；

所述逆變器（112），根據(jù)控制信號控制永磁同步電機三相定子電流通斷。