[發明專利]一種新型具有動態誤差補償的永磁同步電機位置觀測方法

在審

• 申請號: 202110249690.4
• 申請日: 2021-03-08
• 公開（公告）號: CN113037163A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 范平清;張琳;郭輝;馬西沛;牛曉威
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學;華域皮爾博格泵技術有限公司
• 主分類號: H02P21/13
• 分類號: H02P21/13;H02P21/00;H02P21/18;H02P21/30
• 代理公司: 北京保識知識產權代理事務所(普通合伙) 11874
• 代理人: 汪浩

本發明公開了一種新型具有動態誤差補償的永磁同步電機位置觀測方法，屬于同步電機位置自感知的觀測技術領域；一種新型具有動態誤差補償的永磁同步電機位置觀測方法，利用滑模觀測器來估計等效電動勢，提取轉子位置。采用動態誤差補償器抑制定子在直軸電流變化引起的轉子位置估計誤差，提高凸極永磁同步電機無傳感直接轉矩控制系統的位置估計性能；與沒有動態誤差補償器的觀測器相比，該觀測器具有以下優點：(1)對于快速轉矩響應，轉速和負載瞬態狀態下的位置觀測精度有很大提高；(2)對于高諧波電流的直接轉矩控制，通過減小電流諧波引起的觀測誤差，使轉速穩定狀態下的位置觀測精度得到很大提高。

技術領域

本發明涉及同步電機位置自感知的觀測技術領域，特別是涉及一種新型具有動態誤差補償的永磁同步電機位置觀測方法。

背景技術

永磁同步電機具有結構簡單、體積小、損耗低、效率高等優點。它被廣泛應用于工業生產、國防、日常生活等領域。在永磁同步電機的控制系統中，在電機軸上安裝速度傳感器或位置傳感器是必不可少的，它帶來了以下問題：(1)傳感器受溫度、濕度、檢測距離、振動等工作條件的影響，特別是在一些傳感器檢測精度較高的應用場合，限制了PMSM調速系統在這些特殊領域的應用；(2)傳感器增大了電機的尺寸，增大了控制系統的慣量；(3)為了保證檢測精度，傳感器的安裝和維護需要在較高的水平上進行，這增加了驅動系統的復雜性，降低了系統的可靠性，增加了成本。因此，永磁同步電機的無傳感控制在電機控制領域中具有重要的作用，特別是在國防等現代機電控制系統中。無傳感矢量控制和無傳感直接轉矩控制已經進行了大量的研究，尤其是后者。近年來，直接轉矩控制以其快速的動態轉矩響應和結構簡單的特點引起了研究人員的廣泛關注。它已應用于運載火箭的“旋翼6004”推力矢量控制致動器和美國國家航空航天公司研制的航空器飛行面控制致動器以及ABB公司開發的“AZIPOD”電吊艙推進系統。

由于無傳感直接轉矩控制的關鍵技術，是通過電流位置模型精確估計定子磁鏈和轉矩，因此轉子位置觀測器必須具有良好的動態和穩態觀測精度。一些轉子位置和轉速的估計方法已經被提出，如定子磁鏈估計方法、模型參考自適應方法、狀態觀測方法、高頻注入方法、人工智能估計方法等。總的來說，它們可以分為兩類：基于電機數學模型的方法和基于外部激勵的方法。前者可以通過觀察電機的反電動勢來判斷轉子位置，廣泛應用于非凸極永磁同步電動機的中高速無傳感控制。然而，凸極永磁同步電動機的轉子位置估計，如內嵌式永磁同步電動機，由于凸極效應的存在，比無凸極效應的永磁同步電動機的轉子位置估計更為復雜。為了實現基于電機模型的IPMSM轉子位置估計，通常將模型重構轉化為等效的隱極永磁同步電動機模型(無凸極效應)。在以往的文獻中，重構模型分為擴展反電動勢模型、磁鏈模型和等效電動勢模型。EEMF模型受轉子轉速和定子電阻、定子電感等電機參數以及q軸定子電流變化率的影響。因此，設計這種對負載擾動和電機參數不確定性具有魯棒性的觀測器是困難的。

在有源磁鏈模型中，一般采用積分器計算定子磁鏈，這導致了一些實際和困難的問題，如電流傳感器的穩態偏置、累積誤差和積分器的初始狀態。相比之下，EEMF模型和AF模型，等效EMF模型與轉子轉速無關，對電機參數的不確定性不敏感，不受積分器誤差的影響。然而，在推導過程中忽略了d軸定子電流的微分項。因此，當電機在轉速、負載瞬態或存在電流諧波運行時，基于等效電動勢模型的轉子位置觀測器的動態精度將會降低。直接轉矩控制具有快速的動態轉矩響應，導致d軸定子電流差分較大，但較大的定子磁鏈畸變和轉矩脈動導致定子電流次諧波較大。因此，直接轉矩控制在負載和轉速瞬態或穩態轉速運行時，d軸定子電流差動引起的位置觀測誤差較大。

為了通過無傳感直接轉矩控制，實現高速調速系統的高性能，提出了一種基于等效電動勢模型的動態誤差補償轉子位置觀測器。建立滑模觀測器來估計等效電動勢，從而提取轉子位置。利用動態誤差補償器抑制定子電流在直軸方向變化引起的轉子位置估計誤差，提高內嵌式永磁同步電動機直接轉矩控制系統的位置估計性能。

發明內容