永磁同步电机定子磁链和电磁转矩观测方法及装置

本发明涉及永磁同步电机控制，尤其涉及一种永磁同步电机定子磁链(stator flux)和电磁转矩(electromagnetic torque)观测方法及装置。

背景技术：

1、永磁同步电机以永磁体提供励磁，省去了易出问题的集电环和电刷，结构简单，提高了电机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。因此，永磁同步电机目前已广泛应用于伺服驱动和电动汽车电驱等领域。直接转矩控制是目前永磁同步电机的主要控制技术之一，其控制性能依赖永磁同步电机定子磁链和电磁转矩的观测准确度，而定子磁链和电磁转矩通常无法直接测量。

2、因此，如何设计出高准确度高鲁棒性的定子磁链和电磁转矩的观测方法及观测装置对提高直接转矩控制性能非常重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种永磁同步电机定子磁链和电磁转矩观测方法及装置，能够有效地观测难以直接测量的定子磁链和电磁转矩，具有很强的参数鲁棒性，为永磁同步电机的直接转矩控制提供有效参考，进而提高控制性能。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种永磁同步电机定子磁链观测方法，包括以下步骤：

3、获取永磁同步电机在当前控制周期三相静止坐标系下的控制电压和定子电流的测量值；

4、将所述三相静止坐标系下的控制电压和定子电流的测量值分别变换为同步旋转坐标系下的控制电压和定子电流的测量值；

5、将所述控制电压和定子电流的测量值代入定子电流观测模型，计算定子电流观测值，其中，所述定子电流观测模型定义了所述定子电流观测值与所述控制电压和定子电流的测量值、定子电流观测误差、以及系统扰动的关系，其中，所述定子电流观测误差根据所述定子电流观测值与所述定子电流的测量值确定，所述系统扰动根据所述定子电流观测误差迭代获得；

6、根据所述定子电流观测值和所述系统扰动获得所述定子电流观测模型的误差反馈；

7、从所述定子电流观测模型的误差反馈中提取定子磁链的观测误差并进行低通滤波；

8、将进行低通滤波后的定子磁链的观测误差代入定子磁链观测模型，计算定子磁链观测值以实现定子磁链的观测，其中，所述定子磁链观测模型定义了所述定子磁链观测值与所述定子磁链的观测误差、以及所述定子电流观测值的关系。

9、可选的，采用clarke变换和park变换将所述三相静止坐标系下的控制电压和定子电流的测量值分别变换为同步旋转坐标系下的控制电压和定子电流的测量值。

10、可选的，所述定子电流观测模型为：

11、

12、其中，iod和ioq为定子电流观测值，id和iq为定子电流的测量值，ud和uq为控制电压，eid和eiq为定子电流观测误差，dd和dq为系统扰动，下标d和q分别表示同步旋转坐标系的d轴和q轴，(k)和(k+1)分别表示第k和第k+1个控制周期，ld和lq为定子电流观测模型使用的定子电感参数，rs为定子电流观测模型使用的定子电阻参数，ψpm为定子电流观测模型使用的永磁磁链参数，ωr为电机电角速度，ts为控制周期，β1为电流误差补偿系数；

13、所述定子电流观测误差为：

14、

15、所述系统扰动的迭代公式为：

16、

17、其中，β2为扰动迭代系数。

18、可选的，所述定子电流观测模型的误差反馈为：

19、

20、所述定子磁链的观测误差表示为：

21、

22、从式(1)的所述定子电流观测模型的误差反馈中提取定子磁链的观测误差并进行低通滤波，再与式(2)联立得到：

23、

24、其中，eψd和eψd为定子磁链的观测误差，ld0和lq0为电机实际电感值，ψpm0为电机实际永磁磁链值，lpf为低通滤波器。

25、可选的，计算定子磁链观测值如下：

26、

27、其中，ψdo和ψqo为定子磁链观测值。

28、基于同一发明构思，本发明还提供了一种永磁同步电机电磁转矩观测方法，包括以下步骤：

29、采用根据如上所述的方法获得定子磁链观测值；以及，

30、根据定子电流观测值和所述定子磁链观测值计算电磁转矩观测值。

31、可选的，计算电磁转矩观测值如下：

32、

33、其中，teo(k+1)电磁转矩观测值，pn为电机的极对数。

34、基于同一发明构思，本发明还提供了一种永磁同步电机定子磁链观测装置，包括：

35、获取模块，用于获取永磁同步电机在当前控制周期三相静止坐标系下的控制电压和定子电流的测量值；

36、变换模块，用于将所述三相静止坐标系下的控制电压和定子电流的测量值分别变换为同步旋转坐标系下的控制电压和定子电流的测量值；

37、定子电流观测模型，用于根据所述控制电压和定子电流的测量值计算定子电流观测值，其中，所述定子电流观测模型定义了所述定子电流观测值与所述控制电压和定子电流的测量值、定子电流观测误差、以及系统扰动的关系，其中，所述定子电流观测误差根据所述定子电流观测值与所述定子电流的测量值确定，所述系统扰动根据所述定子电流观测误差迭代获得；

38、误差反馈模块，用于根据所述定子电流观测值和所述系统扰动获得所述定子电流观测模型的误差反馈；

39、提取模块，用于从所述定子电流观测模型的误差反馈中提取定子磁链的观测误差并进行低通滤波；

40、定子磁链观测模型，用于根据进行低通滤波后的定子磁链的观测误差计算定子磁链观测值以实现定子磁链的观测，其中，所述定子磁链观测模型定义了所述定子磁链观测值与所述定子磁链的观测误差、以及所述定子电流观测值的关系。

41、基于同一发明构思，本发明还提供了一种永磁同步电机电磁转矩观测系统，包括电磁转矩观测模型以及如上所述的永磁同步电机定子磁链观测装置，所述电磁转矩观测模型用于根据所述永磁同步电机定子磁链观测装置获得的定子磁链观测值和定子电流观测值计算电磁转矩观测值。

42、在本发明提供的永磁同步电机定子磁链和电磁转矩观测方法及装置中，至少具有以下有益效果之一：

43、1)鲁棒性强：传统的观测模型可能对系统参数的变化敏感，而基于扰动观测和误差反馈原理的设计能够更好地适应参数变化，通过实时估计和补偿系统扰动，提高了系统的鲁棒性；

44、2)实时性好：本发明通过将电流预测误差作为反馈，能够快速响应系统的动态变化。这种设计使得观测模型在实时控制系统中表现出色。计算效率高，通过使用扩展状态观测模型和扰动观测的思想，本发明能够在不显著增加计算复杂度的情况下，提供更准确的估计结果，这对于资源受限的系统(如微控制器)尤为重要；

45、3)低噪声处理，使用低通滤波来处理观测结果，减少了噪声的影响，提高了观测的准确性，这对于需要高精度控制的系统非常有用；

46、4)多目标控制能力，本发明不仅能够估计磁链和转矩，还能提供系统扰动的实时反馈。这使得控制算法能够在多个控制目标之间进行有效的平衡。灵活性高，观测模型的设计允许在不同的控制策略中进行灵活应用，如直接转矩控制(dtc)和死区控制等，这种灵活性使得观测模型在多种电机控制应用中都能发挥重要作用。此外，本发明在参数变化和存在未建模干扰的情况下能够有效地提高系统的鲁棒性和控制性能。