[發(fā)明專利]永磁同步電機的混合位置觀測器及無位置傳感器伺服系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811209489.8
• 申請日: 2018-10-17
• 公開（公告）號: CN109302111B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉錦波
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: H02P21/13
• 分類號: H02P21/13;H02P21/18;H02P21/28;H02P27/08
• 代理公司: 濟南圣達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 李琳

本發(fā)明公開了一種永磁同步電機的混合位置觀測器及無位置傳感器伺服系統(tǒng)，通過電流檢測模塊采集永磁同步電機的三相電流，并將其轉(zhuǎn)換為d?q坐標(biāo)系下的實際電流，輸入到混合位置觀測器；混合位置觀測器對實際電流進(jìn)行處理，得到角速度加權(quán)律，經(jīng)過加權(quán)模塊加權(quán)處理后，得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的反饋值和轉(zhuǎn)子位置角，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的反饋值與設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速做差并調(diào)節(jié)，將q軸所需要的電流與基波反饋電流做差并調(diào)節(jié)，得到q軸控制電壓；將d軸所需要的電流和基波反饋電流做差并調(diào)節(jié)，得到得到d軸控制電壓，將d軸控制電壓與高頻方波電壓疊加，并轉(zhuǎn)換為α?β坐標(biāo)系下的電壓，通過SVPWM控制器輸出六路PWM控制三相逆變器的輸出進(jìn)而控制永磁同步電機運行。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及永磁同步電機伺服控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于定子磁鏈觀測器與高頻方波注入法混合的全速范圍運行的永磁同步電機的混合位置觀測器、無位置傳感器矢量控制伺服系統(tǒng)及死區(qū)補償方法。

背景技術(shù)

永磁同步電機組成的伺服系統(tǒng)(Permanent magnet synchronous motor，PMSM)在航空航天、工業(yè)領(lǐng)域、電動汽車以及家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。眾所周知，位置信息在伺服系統(tǒng)中起到了舉足輕重的作用。按照是否采用光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器，伺服系統(tǒng)可分為有位置伺服系統(tǒng)和無位置伺服系統(tǒng)。本公開涉及無位置傳感器的PMSM矢量控制伺服系統(tǒng)。無位置傳感器PMSM矢量控制伺服系統(tǒng)可分為兩類：一類是基于定子觀測器的方案；另一類是基于高頻注入(High frequency injection,HFI)的方案。

定子磁鏈觀測器的方案是通過定子電壓與電流以及PMSM的基波數(shù)學(xué)模型，間接獲得轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信息。由于是基于反電勢原理來估計位置和轉(zhuǎn)速，一旦系統(tǒng)起動或低速運行時，反電勢較小甚至為零，則觀測器方案失效。因此，基于定子磁鏈觀測器的方案主要適應(yīng)于中、高速運行區(qū)，無法滿足零、低速區(qū)運行；與之相反，HFI方案是通過在定子繞組中注入高頻電壓所產(chǎn)生的高頻電流響應(yīng)提取轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信息，它利用的是因磁路結(jié)構(gòu)不對稱所引起的定子電感隨轉(zhuǎn)子位置的變化信息，這種方案適用于零速和低速運行。

為了確保無位置傳感器PMSM矢量控制系統(tǒng)能夠在全速范圍內(nèi)運行，一種有效措施是將HFI方案和定子磁鏈觀測器方案結(jié)合。如何實現(xiàn)HFI方案與定子磁鏈觀測器方案的結(jié)合，確保零、低速與中、高速區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速的平滑過渡是實現(xiàn)系統(tǒng)全速范圍內(nèi)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。本公開所提出的混合位置觀測器方案就是圍繞這一問題展開的。

針對PMSM無位置傳感器矢量控制系統(tǒng)，現(xiàn)有HFI方案和定子磁鏈觀測器結(jié)合的方案有：(1)單純轉(zhuǎn)子位置角估計值的加權(quán)方案：這種方案低速時采用HFI脈振注入方法，所采用的信息是與轉(zhuǎn)子位置角實際值和估計值之間偏差有關(guān)的(高頻)電流信息，以及位置跟蹤觀測器獲得低速區(qū)的轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速估計值；而中高速時采用直接采用滑模觀測器方案獲得轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速的信息。在低速與中速重疊區(qū)則通過估計轉(zhuǎn)子位置角的加權(quán)實現(xiàn)低速到高速的切換。這種方案在重疊區(qū)的選擇以及轉(zhuǎn)速的平滑切換等存在一定的問題；(2)同一位置跟蹤觀測器方案：與上述方案不同，這種方案雖然也采用了位置跟蹤觀測器和轉(zhuǎn)子位置角估計值的加權(quán)，但低、高速區(qū)所利用的信息均為與轉(zhuǎn)子位置角實際值和估計值之間偏差有關(guān)的(高頻和低頻)電流信息，然后，通過同一位置跟蹤觀測器獲得全速范圍內(nèi)最終的轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速估計值。該方案的好處是位置角的平滑性較好。但由于兩種方案的差異，同一位置跟蹤觀測器難以同時兼顧低速和高速對轉(zhuǎn)子位置偏差角收斂速度的要求；(3)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值的加權(quán)方案：這種方案將由HFI方法所獲得的轉(zhuǎn)子位置角估計值作為低速時轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康慕嵌龋⒔Y(jié)合永磁磁鏈的幅值得到低速時的轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚鴮τ谥小⒏咚贂r的轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶縿t采用電流和電壓混合模型計算獲得。然后，通過轉(zhuǎn)子磁鏈的加權(quán)間接實現(xiàn)高、低速轉(zhuǎn)子位置估計角的切換；(4)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)的定子磁鏈觀測器融合方案：這種方案將低速由HFI方法所估計的轉(zhuǎn)速融合至定子磁鏈觀測器中的轉(zhuǎn)速自適應(yīng)律中，由此獲得全速范圍的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角和估計。該方案需要同時兼顧HFI方案中的位置跟蹤觀測器帶寬和定子磁鏈觀測器方案中的轉(zhuǎn)速自適應(yīng)律的帶寬，容易引起兩種方案的耦合，導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)性能下降。此外，該方案在切換過程中易出現(xiàn)“失步”現(xiàn)象。