[發明專利]一種永磁同步電機無位置傳感器的控制方法

在審

• 申請號: 201810797801.3
• 申請日: 2018-07-19
• 公開（公告）號: CN108847795A
• 公開（公告）日: 2018-11-20
• 發明（設計）人: 王高林;肖殿勛;趙楠楠;張國強;劉然;徐殿國
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H02P6/18
• 分類號: H02P6/18;H02P21/18
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 孫莉莉

1.一種永磁同步電機無位置傳感器的控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一：永磁同步電機運行過程中，通過微處理器控制，向永磁同步電機的靜止軸系中注入高頻正交方波電壓；靜止軸系是指電機的αβ坐標系；αβ軸系包括α軸和β軸，α軸指向定子的A相，β軸與α軸垂直；

步驟二：根據在永磁同步電機αβ軸系中提取的高頻電流信息，并通過基于電流離散序列分析的信號處理方法得到轉子的位置信號；

步驟三：根據步驟二得到的轉子的位置信號，設計位置觀測器，得到轉子位置和轉速，用于電機轉速和電流閉環控制，實現無位置傳感器控制。

2.根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步驟一中永磁同步電機運行過程中，通過微處理器控制，向永磁同步電機的αβ軸系中注入高頻正交方波電壓具體為：

在矢量控制系統的αβ軸系中注入高頻正交方波電壓：

其中u_αβh為αβ軸系中注入的高頻正交方波電壓，k為控制序列，且k＝1,2,3,....，V_h為注入電壓的幅值；

當進行電機控制時，αβ軸系下的參考電壓為原用于電機正常矢量控制的電壓與注入電壓的和；注入電壓的頻率為PWM載波信號的頻率的四分之一；PWM載波信號指的是用于控制逆變器的控制信號；逆變器為電機的運行供電。

3.根據權利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述步驟二具體為：

永磁同步電機dq軸系方程為：

式中u_d和u_q分別為d軸和q軸的定子電壓，式中i_d和i_q分別為d軸和q軸的定子電流，R_s為定子電阻，L_d和L_q分別為d軸和q軸的定子電感，ω_e為電機的電轉速，ψ_f為轉子磁鏈；

將式(2)通過坐標變換到αβ軸系下，因為注入電壓的頻率和幅值高，(2)中除了電流的微分項外均可忽略，公式(2)簡化為：

式中：L₀為均值電感，L₁為差值電感，L₀＝(L_d+L_q)/2，L₁＝(L_d-L_q)/2，u_αh和u_βh分別為α軸和β軸注入的定子電壓，i_αh和i_βh為α軸和β軸高頻的電流，θ_e為轉子位置角；

將式(3)中的電流提取出來，得到：

將式(1)注入的高頻電壓進行傅里葉分解，得到

式中：ω_h為注入電壓的頻率；

只考慮注入電壓式(5)中的基波成分，如式(6)所示：

式中：u_αh1和u_βh1分別為α軸和β軸注入的定子電壓的基波；

將式(6)代入式(4)，得到：

式中：i_αh1和i_βh1分別為α軸和β軸注入的定子電壓的基波激勵出的高頻電流，

使用高通濾波器得到靜止軸系的高頻電流，表示為：

式中：δ為高通濾波器帶來的相位超前；

考慮數字控制系統的延時τ，將式(8)分別乘以解調信號sin(ω_ht+τ)和cos(ω_ht+τ)，得到:

式中：i_{αh_sin},i_{αh_cos},i_{βh_sin},i_{βh_cos}分別為α和β軸系下的高頻電流與正余弦解調信號相乘的結果；

將ω_ht替換為0.5πx，其中x為離散時間序列，則變換后的公式可以表示為：

i₁[n]＝i_{αh_sin}-i_{βh_cos}＝K_h[L₀cos(πn+τ+δ)+L₁cos(2θ_e-τ+δ)] (13)

i₂[n]＝i_{αh_cos}+i_{βh_sin}＝K_h[-L₀sin(πn+τ+δ)+L₁sin(2θ_e-τ+δ)] (14)

i₃[n]＝i_{αh_cos}-i_{βh_sin}＝K_h[L₁sin(πn+τ+2θ_e+δ)-L₀sin(τ-δ)] (15)

i₄[n]＝i_{αh_sin}+i_{βh_cos}＝K_h[-L₁cos(πn+τ+2θ_e+δ)-L₀cos(τ-δ)] (16)

式中：i₁[n],i₂[n],i₃[n],i₄[n]為經過解調后的公式；

將式(13)-(16)的前后兩個序列的量相加，得到：

i₁＝A₁cos(2θ_e-τ+δ) (17)

i₂＝A₁sin(2θ_e-τ+δ) (18)

i₃＝A₂sin(τ-δ) (19)

i₄＝A₂cos(τ-δ) (20)

式中：i₁,i₂,i₃,i₄為經過加減運算后的簡化公式，A₁＝2K_hL₁，且A₂＝-2K_hL_.0；

采取歸一化方法：i_{1_pu}＝i₁/A₁，i_{2_pu}＝i₂/A₁，i_{3_pu}＝i₃/A₂，i_{4_pu}＝i₄/A₂，即得到歸一化后的公式為：

i_{1_pu}＝cos(2θ_e-τ+δ) (21)

i_{2_pu}＝sin(2θ_e-τ+δ) (22)

i_{3_pu}＝sin(τ-δ) (23)

i_{4_pu}＝cos(τ-δ) (24)

通過三角函數變換消除τ和δ的影響，得到：

sin(2θ_e)＝sin(2θ_e-τ+δ)·cos(τ-δ)+cos(2θ_e-τ+δ)·sin(τ-δ) (25)

cos(2θ_e)＝cos(2θ_e-τ+δ)·cos(τ-δ)-sin(2θ_e-τ+δ)·sin(τ-δ) (26)

轉子位置由反正切函數得到：

θ_e＝0.5·tan^-1[sin(2θ_e)/cos(2θ_e)] (27) 。

4.根據權利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述步驟三具體為：

永磁同步電機的電磁轉矩T_e方程為：

其中P為極對數，ψ_f為轉子磁鏈；

忽略粘滯摩擦系數，機械運動方程為：

其中J為轉動慣量，T_L為負載轉矩；

負載轉矩的變化率近似為0，得到：

將式(28)至(31)寫為狀態方程的形式，以θ_e,ω_e,T_L為狀態變量，T_e為輸入變量，得到如下狀態方程：

式中：

x為狀態矩陣，為x的導數，u為輸入矩陣，y為輸出變量，A、B、C為中間變量矩陣；

由方程(32)得到帶有全階狀態反饋矩陣的狀態方程：

為估計的狀態矩陣，為的估計值，L為參數矩陣；

即：

其中為估計的負載轉矩，是的一階導數，是的一階導數，是的一階導數，l₁、l₂、l₃為PID環節參數；

通過對公式(34)極點配置，得到l₁、l₂、l₃參數的值為：

式中：λ為極點的值；

將式(27)得到的轉子位置帶入式(34)，得到估計的轉子的位置和轉速，用于電機的閉環控制。