[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于新息自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼的PMSM無(wú)位置傳感器控制方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210479783.0
• 申請(qǐng)日: 2022-05-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114944801A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蘭志勇;李延昊
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 湘潭大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H02P21/14
• 分類(lèi)號(hào): H02P21/14;H02P21/18;H02P21/20;H02P21/22;H02P21/24;H02P21/13;H02P25/022;H02P27/12;H02P6/18;H02P6/34
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本發(fā)明提供了一種基于新息自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼的PMSM無(wú)位置傳感器控制方法，首先利用靜止坐標(biāo)系下的電流、電壓信號(hào)，作為擴(kuò)展卡爾曼(EKF)的輸入，再通過(guò)迭代計(jì)算獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速。為了提高EKF的抗擾性能，在EKF的新息序列計(jì)算上設(shè)置加權(quán)系數(shù)，并將加權(quán)得到的新息值導(dǎo)入到卡爾曼增益的計(jì)算。本發(fā)明在輸入?yún)?shù)與噪聲統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)偏差情況，降低了誤差信號(hào)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，保證了擾動(dòng)下觀測(cè)器的魯棒性，提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置的預(yù)測(cè)精度，在永磁同步電機(jī)的無(wú)位置傳感器中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于永磁同步電機(jī)控制領(lǐng)域，涉及一種基于新息自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼的PMSM無(wú)位置傳感器控制方法，具體涉及一種在永磁同步電機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器控制的系統(tǒng)模型。

背景技術(shù)

與直流電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)(PMSM)具備高可靠性、低成本、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在高性能調(diào)速系統(tǒng)中，如電動(dòng)汽車(chē)主驅(qū)電機(jī)、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、起重機(jī)等。在電機(jī)控制算法上，傳統(tǒng)電機(jī)控制系統(tǒng)通常采用光電編碼器或霍爾傳感器來(lái)獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，使用傳感器在增加成本的同時(shí)，還帶來(lái)低可靠性、維護(hù)復(fù)雜等問(wèn)題。因此，無(wú)傳感器控制方式成為電機(jī)控制系統(tǒng)的重要研究方向。

要實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的無(wú)位置傳感器控制，常有滑模觀測(cè)器和擴(kuò)展卡爾曼濾波兩種方法。滑模觀測(cè)器主要觀測(cè)動(dòng)態(tài)模型中的反電動(dòng)勢(shì)信息來(lái)提取轉(zhuǎn)子位置信息，在電機(jī)運(yùn)行在中高速時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)才較為明顯，利于觀測(cè)和提取，因此在低速下，常采用基于高頻信號(hào)注入的方法。擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)是一種基于最小方差的迭代算法，近年來(lái)，高速浮點(diǎn)型處理器的發(fā)展解決了EKF計(jì)算量大的問(wèn)題，并廣泛應(yīng)用在無(wú)傳感器矢量控制系統(tǒng)中。作為一種迭代形式的離散計(jì)算方法，EKF結(jié)合系統(tǒng)的狀態(tài)先驗(yàn)估計(jì)與測(cè)量反饋，再調(diào)整卡爾曼增益矩陣，得到該時(shí)刻下無(wú)限逼近系統(tǒng)狀態(tài)真值的后驗(yàn)估計(jì)值。相比其他觀測(cè)算法，EKF具備適用轉(zhuǎn)速范圍寬，抗擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而成為電機(jī)狀態(tài)估計(jì)研究的熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決擴(kuò)展卡爾曼濾波在輸入信號(hào)受到干擾或噪聲統(tǒng)計(jì)偏差情況下，濾波器觀測(cè)性能下降引起轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差大的問(wèn)題。本發(fā)明提供了一種基于新息序列的自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，通過(guò)對(duì)新息序列設(shè)置計(jì)算規(guī)則，調(diào)整新息協(xié)方差的計(jì)算方法，最終影響卡爾曼增益矩陣的計(jì)算，提高擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對(duì)轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速估計(jì)的估計(jì)性能。本發(fā)明具有魯棒性強(qiáng)、精度更高、穩(wěn)定性更好的優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于新息自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波的無(wú)位置傳感器控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)建立擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，輸入為靜止坐標(biāo)系的電壓與電流信號(hào)，輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置，此部分包括：

(A)在靜止坐標(biāo)系下，建立永磁同步電機(jī)模型，可表示為如下：

其中R_s為定子電阻，L_s為定子電感，i_α、i_β、u_α、u_β分別為估計(jì)靜止坐標(biāo)系下的電流與電壓分量，ω_e與θ分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置。

(B)擴(kuò)展卡爾曼濾波是卡爾曼濾波在非線性系統(tǒng)上的應(yīng)用，為了更好的控制永磁同步電機(jī)，先對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行線性化與離散化處理，并建立擴(kuò)展卡爾曼濾波的狀態(tài)方程，狀態(tài)方程表示如下：

其中x為狀態(tài)變量，y為輸出量，B為系統(tǒng)輸入矩陣，H為輸出矩陣，v為高斯白噪聲，T_s為采樣周期，上標(biāo)“^”代表估計(jì)值，k|k-1表示從k-1時(shí)刻到k時(shí)刻的狀態(tài)遷移。

(C)建立擴(kuò)展卡爾曼算法的實(shí)現(xiàn)模型，主要包括：狀態(tài)預(yù)測(cè)估計(jì)、協(xié)方差估計(jì)、卡爾曼增益計(jì)算、狀態(tài)估計(jì)值校正、誤差協(xié)方差陣更新，主要包含如下：