永磁同步电机全速域无位置传感器控制方法与流程

1.本发明属于电机控制领域，涉及永磁同步电机的无位置传感器控制方法，具体涉及永磁同步电机全速域无位置传感器控制方法。


背景技术：

2.永磁同步电机因其大功率因数、高转矩惯量比、高功率密度、高效率、结构简单便于维护、具有良好的瞬态特性、响应速度快等优点，目前国内电动汽车厂商采用永磁同步电机的新能源汽车车型种类繁多。在永磁同步电机的控制系统中，需要在电机的转子轴上安装机械式传感器(轴编码器、旋转变压器、霍尔传感器等)获取电机实时有效的转子位置和转速信息，以实现电机的高性能闭环控制。使用机械式传感器存在以下问题：一、由于机械式传感器的安装，不可避免的带来了控制系统成本增加、电机体积增大。二、增加的电机与控制系统之间的电缆连接线等问题均会导致系统复杂性增加从而使得控制系统的鲁棒性和可实现性下降，并且车用空间的局限性以及电机工作过程中强烈振动或高温等恶劣工况使得机械式传感器难以安装和维修。三、机械式传感器的安装也存在同心度等问题，若安装不当则会影响实际控制的精度甚至造成系统故障。四、机械式传感器对周围环境条件十分苛刻，环境的温度、湿度以及汽车振动都会使它与电机的连接造成极大干扰影响系统控制性能。
3.目前现有技术中永磁同步电机矢量控制方法大致流程如图1所示，永磁同步电机6矢量控制过程需要电流传感器采集三相电流ia、ib、ic以及位置和转速传感器9采集转子位置和转子速度信息。同时将采集到的三相电流ia、ib、ic经过clark坐标变换模块7和park坐标变换模块8转换为旋转坐标系下dq轴电流id、iq；并将指令dq轴电流分别与反馈回来的id、iq做差，再分别通过pi调节器1和pi调节器2得到dq轴电压ud、uq；再根据目标的dq轴电压ud、uq和位置传感器9采集到的转子位置信息进行反park变换模块3得到αβ轴电压u
α
、u
β
；最后，将αβ轴电压u
α
、u
β
进行svpwm模块4处理得到电机逆变器5控制pwm信号控制永磁同步电机电机6运转。从上述的永磁同步电机矢量控制流程中可以看出电机矢量控制需要电机实时的转子位置信息以实现电机的高性能闭环控制。但是由于传统机械式传感器的安装，不可避免的带来了控制系统成本增加、电机体积增大，而且增加的电机与控制系统之间的电缆连接线等问题均会导致系统复杂性增加从而使得控制系统的鲁棒性和可实现性下降。因此，可以利用定子电压、定子电流等容易测量的物理量进行位置估算来获取准确的转子位置信息以取代机械式位置传感器。
4.无位置传感器技术通过检测电机运行时的电压、电流、磁链等物理量进行电机转子位置估计，该技术能够摒弃系统的机械位置传感器，以此避免机械传感器带来的环境适应性、安装维护等问题，提高了系统的可靠性，降低了成本。
5.永磁同步电机全速域无位置传感器控制方法主要包括两个部分，基于电机凸极性高频信号注入的低速无位置控制和基于电机反电势的中高速无位置控制，并将这两部分进行算法融合以达到永磁同步电机的全速域无位置传感器控制。
6.实际上有关凸极电机无位置控制方法和基于反电势观测器的永磁电机无位置控制方法在无位置传感器控制中都已经应用，如专利cn 111130407a永磁同步电机全速域带载运行的无位置传感器控制方法，专利cn 109302114 a基于fpga实现的永磁同步电机全速域无位置传感器控制方法。本发明针对的是算法融合过程中存在的缺陷进行的改进。本发明是基于永磁同步电机低速无位置控制算法脉动高频注入法和中高速无位置控制算法滑模观测器法进行算法融合实现全速域无位置传感器控制。但在传统算法融合时脉动高频注入法需要对电机的估计转子坐标系轴注入一个高频正弦波电压信号，这就会对滑模观测器法的控制效果产生显著的影响。因此，本发明在算法融合区域通过权重系数k来控制脉动高频注入电压的幅值，权重系数k会随着估计转子速度的升高而降低，这样与权重系数k相关联的脉动高频注入电压幅值也会随着估计转子速度的升高而降低，因而可以通过采用这种幅值变化的脉动高频注入电压来降低注入高频电压信号对新型滑模观测器算法的影响，同时能够提高永磁同步电机全速域无位置传感器控制精度和大大降低电机噪声。


技术实现要素：

7.本发明的目的是解决上述现有技术存在的不足，提供一种永磁同步电机全速域无位置传感器控制方法，该方法基于永磁同步电机低速无位置控制算法脉动高频注入法和中高速无位置控制算法滑模观测器法进行算法融合实现全速域无位置传感器控制，在算法融合区域采用幅值变化的脉动高频注入电压来降低注入高频电压信号对新型滑模观测器算法的影响。
8.本发明解决上述现有问题的技术方案是：
9.永磁同步电机全速域无位置传感器控制方法，包括如下步骤：
10.步骤1，采用低速控制算法脉动高频注入法估计转子位置和转子速度
11.在估计转子旋转坐标系中的轴上注入高频电压信号，然后利用电流传感器检测电机转动过程中产生的高频响应电流，并通过信号处理来提取轴上估计出转子位置和转子速度
12.步骤2，采用中高速控制算法滑模观测器法估计转子位置和转子速度
13.步骤3，利用脉动高频注入法和滑模观测法进行算法融合得到最终的转子位置和最终的转子速度
14.脉动高频注入法的权重系数为
15.滑模观测器的权重系数为(1-k)，将上述两种无位置算法融合后得到的估计电机转子位置和转速为：其中ω
rp1
和ω
rp2
分别表示算法融合估计转子速度、低速控制算法切换点转子速度、中高速控制算法切换点转子速度，分别表示脉动高频注入法估计的电机转子位置和转速，分别表示滑模观测器法估计的电机转子位置和转速；
16.步骤4，利用算法融合后的电机转子位置和算法统合权重系数k进行电机矢量控制。进一步地，所述步骤1中，在估计转子旋转坐标系中的轴上注入高频电压信号由高频注入电压引起电流的变化量为：再通过锁相环(pll)提取轴电流中的估计转子位置和转子速度信息，其中，为dq轴平均电感，为dq轴半差电感，ld、lq分别为d轴电感和q轴电感；分别为估计转子旋转坐标系下的轴高频电压分量，分别为估计转子旋转坐标系下的轴电流分量，δθ为估计转子位置和实际转子位置的误差，ui为注入高频信号的幅值，ωi为注入高频信号的频率，t为控制算法运行时间。
17.进一步地，所述步骤2中，滑模观测器法是将电流传感器采集到的三相电流ia、ib、ic经过clark变换得到αβ轴电流i
α
、i
β
和矢量控制环节通过pi调节器1和pi调节器2的ud、uq经过反park变换得到αβ轴电压u
α
、u
β
；再将i
α
、i
β
和u
α
、u
β
作为滑模观测器的输入得到反电势e
α
、e
β
；最后将反电势e
α
、e
β
作为反电势观测器的输入滤除反电势的高频部分，估计得到转子位置和转子速度
18.进一步地，所述步骤4中在电机矢量控制过程中的轴电压加上高频注入电压信号模块得到最终的轴电压，其中为轴注入的幅值可变的高频注入电压，k为脉动高频注入法的权重系数，ui为注入高频信号的幅值，ωi为注入高频信号的频率，t为控制算法运行时间。
19.进一步地，所述方法采用tms320f28335芯片作为电机控制器，以100μs的控制周期进入中断，控制频率为10khz。
20.进一步地，所述的步骤1和步骤2并行运算而相互之间并不影响。
21.本发明的有益效果是：(1)在算法融合区域采用幅值变化的脉动高频注入电压以降低注入高频电压信号对电机中高速无位置控制算法滑模观测器法的影响；(2)提高了电机中高速无位置控制算法估计转子位置和转速的精度，提高了电机全速无位置控制算法估
计转子位置和转速的精度。
附图说明
22.图1是永磁同步电机矢量控制方法流程框图。
23.图2是脉动高频注入法转子位置和转速信息提取流程图。
24.图3是滑模观测器法转子位置和转速提取公式框图。
25.图4是低速和中高速无位置控制算法权重系数图。
26.图5是高频注入信号引起的αβ轴电压傅里叶分析图。
27.图6是永磁同步电机全速域无位置传感器控制方法流程框图。
28.图7是本发明在电机一定负载且升降速工况下目标转速和估计转速仿真波形图。
29.图8是本发明在电机一定转速且变转矩工况下目标转速、估计转速和q轴电流仿真波形图。
30.图9是本发明在电机一定负载且正反转工况下目标转速、估计转速、目标转子位置和估计转子位置仿真波形图。
31.图10是本发明在电机一定负载且升降速工况下实际转速和估计转速实验波形图。
32.图11是本发明在电机一定负载且变转矩工况下实际转速、估计转速、目标转矩和估计转矩实验波形图。
33.图12是本发明在电机一定负载且正反转工况下实际转速、估计转速、实际转子位置和估计转子位置实验波形图。
具体实施方式
34.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以帮助该领域的技术人员进一步理解该发明。
35.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
37.一种永磁同步电机全速域无位置传感器控制方法，包括如下步骤：
38.步骤1，采用低速控制算法脉动高频注入法估计转子位置和转子速度脉动高频注入法是永磁同步电机低速无位置控制方法。电机旋转坐标系下的数学模型由于该方法为低速无位置控制算法，此时电机转速较低，因而反电势可以忽略不计。同时，高频注入信号的频率远大于电机的转速频率，电机电感产生的阻抗要远大于电阻，因而定子电阻也可以忽略不计，因此电机旋转坐标系下
的高频电压和电流数学模型可以简化为同时利用坐标变换公式将简化后数学模型变换为估计转子坐标下高频电压和电流关系式：
[0039][0040]
在估计转子旋转坐标系中的轴上注入高频电压信号由高频注入电压引起电流的变化量为再通过锁相环(pll)提取轴电流中的估计转子位置和转子速度信息。
[0041]
上述公式中：ud、uq、id、iq分别为实际转子旋转坐标系下的dq轴电压和电流分量；ld、lq分别为d轴电感和q轴电感；rs为定子电阻；ωe为转子电角速度；ψf为永磁体磁链；p为微分算子；u
di
、u
qi
、i
di
、i
qi
分别为转子旋转坐标系下的dq轴高频电压和电流分量；δθ为估计转子位置和实际转子位置的误差；ui为注入高频信号的幅值；ωi为注入高频信号的频率；t为控制算法运行时间；为dq轴平均电感，为dq轴半差电感；公式中上标^均表示为对应估计坐标系估计值。
[0042]
步骤2，采用中高速控制算法滑模观测器法估计转子位置和转子速度
[0043]
滑模观测器法是永磁同步电机中高速无位置控制算法，将普通观测器中的控制环替换为滑模变结构，当系统误差达到滑模切换面时，在滑模运行状态下系统的状态点会逐步按照依据数学模型所设计好的滑模运动轨迹趋近于滑模面运动，从而达到实时估计电机转子位置和转子速度的目的。滑模观测器转子位置和转速提取公式框图如图3所示，滑模观测器法是将电流传感器采集到的三相电流ia、ib、ic经过clark变换得到αβ轴电流i
α
、i
β
和矢量控制环节通过pi调节器1和pi调节器2的ud、uq经过反park变换得到αβ轴电压u
α
、u
β
；再将i
α
、i
β
和u
α
、u
β
作为滑模观测器的输入得到反电势e
α
、e
β
；最后将反电势e
α
、e
β
作为反电势观测器的输入滤除反电势的高频部分，估计得到转子位置和转子速度电机旋转坐
标系下的数学模型反电势根据滑模观测器原理设计估计转子位置数学模型基于等效控制方法αβ轴反电势可以表示为同时，设计反电势观测器提取反电势中的转子位置和转速信息：
[0044][0045]
滑模观测器法估计转子位置可以表示为：
[0046]
上述公式中：u
α
、u
β
分别表示两相静止坐标系下的αβ轴电压分量，i
α
、i
β
分别表示两相静止坐标系下的αβ轴电流分量；e
α
、e
β
分别表示两相静止坐标系下的αβ轴反电势分量；ls为定子电感；k表示滑模观测器增益；l表示反电势观测器增益；θe表示转子位置；表示滑模观测器法估计转子位置；表示sigmoid函数，其中a表示调节参数，公式中上标^均表示为对应估计坐标系估计值。
[0047]
步骤3、利用脉动高频注入法和滑模观测法进行算法融合得到最终的转子位置和最终的转子速度
[0048]
脉动高频注入法是永磁同步电机低速无位置控制算法，其在估计转子旋转坐标系中的轴上注入高频电压信号，然后利用电流传感器检测电机转动过程中产生的高频响应电流，并通过特定的信号处理来提取轴上包含的转子位置信息。脉动高频注入法转子位置和转速信息提取流程图如图2所示，脉动高频注入法是将电流传感器采集到的三相电流ia、ib、ic经clark和park坐标变换，再通过带通滤波器(bpf)将注入信号频率下的轴电流信号提取后，对其进行幅值调制，并经低通滤波器(lpf)后便可以得到用于估计转子位置的误差信号δθ，提取得到了转子位置误差信息，还需要构建一个位置跟踪观测器来最终估计出
转子位置和转子速度该位置跟踪观测器由pi调节器和积分环节组成。
[0049]
低速和中高速无位置控制算法权重系数图，如图4所示，当电机运行转速小于ω
rp1
时，此时只有脉动高频电压信号注入法起作用，其加权系数为1；而当转速进入切换区间时，此时的位置估计结果由两种算法共同决定；当电机转速升高超过ω
rp2
时，此时便只有滑模观测器的位置估计结果起到作用。利用脉动高频注入法和滑模观测法进行算法融合，计算出算法融合后的电机转子位置和转子速度。脉动高频注入法的权重系数为滑模观测器的权重系数为(1-k)。将上述两种无位置算法融合后得到的估计电机转子位置和转速为：上述公式中：ω
rp1
和ω
rp2
分别表示算法融合估算转子速度、低速控制算法切换点转子速度、中高速控制算法切换点转子速度，分别表示脉动高频注入法估计的电机转子位置和转速，分别表示滑模观测器法估计的电机转子位置和转速。
[0050]
但当电机转速升高超过ω
rp1
，滑模观测器进行无位置控制时，由于脉动高频注入法的高频注入电压信号的存在会对滑模观测器算法产生影响，从而降低了中高速无位置控制算法估计精度。高频注入电压信号对滑模观测器输入的αβ轴电流影响为：
[0051][0052]
高频注入电压信号对滑模观测器输入的αβ轴电压影响为：
[0053][0054]
上述公式中，i
αi
、i
βi
、u
αi
、u
βi
分别为两相静止坐标系下的αβ轴高频电压和电流分量
[0055]
高频注入信号引起的αβ轴电压傅里叶分析如图5所示，电机极对数为4对极，设置d
轴电压高频注入电压频率为1000hz，同时设置电机机械转速为1000rpm。通过对αβ轴电压进行傅里叶分析u
α
的组成成分，可以看出与上述公式推导出的结果相符。
[0056]
步骤4、利用算法融合后的电机转子位置和算法统合权重系数k进行电机矢量控制。
[0057]
通过电流采集模块采集电机三相电流ia、ib、ic信号，通过clark坐标变化模块7和park坐标变换模块8将三相电流转换为旋转坐标系下dq轴电流id、iq；将指令dq轴电流分别与反馈回来的id、iq做差，并通过pi调节器1和pi调节器2得到d轴电压ud、uq，轴电压加上高频注入电压信号得到最终的轴电压；将根据目标的dq轴电压ud、uq进行反park变换模块3得到αβ轴电压u
α
、u
β
；最后，将αβ轴电压u
α
、u
β
进行svpwm模块4处理得到电机逆变器5控制pwm信号控制电机运转。
[0058]
本发明永磁同步电机全速域无位置传感器控制方法流程如图6所示，将脉动高频注入法模块10和滑模观测器法模块11替代永磁同步电机矢量控制方法流程框图(图1)中的位置和转速传感器9，通过权重系数融合模块12得到转子位置和转子速度并将得到的转子位置传递给模块3和模块8进行坐标变换。模块8输出的dq轴电流包含有高频噪声，因此通过模块13的低通滤波器滤除高频噪声后再作为反馈dq轴电流进行矢量控制。同时，在电机矢量控制过程中的d轴电压加上高频注入电压信号模块得到最终的轴电压。
[0059]
利用本发明永磁同步电机全速域无位置传感器控制方法在不同工作状态下进行分析。(1)在电机一定负载下从0rpm逐步上升至300rpm再逐步降至0rpm对转速进行分析，其目标转速和估计转速仿真结果波形如图7所示，通过电机全速域无位置传感器控制算法估计出的转速能够较好与实际转速相跟随，该融合控制算法可同时满足电机低速和中高速运行工况，且融合控制方法切换较为平滑，融合效果较好。(2)电机零速工况时，2.5s对电机突加负载和7.5s突减负载时的目标转速、估计转速和q轴电流的仿真结果波形如图8所示，电机能够以零速运行，并且在负载扰动的过程中估计转速误差在
±
0.4rpm之内。(3)在电机以50rpm正转，在2.5s以-50rpm反转时，电机目标转速和估计转速、目标转子位置和估计转子位置仿真结果波形图如图9所示，估计转速能够较好与目标转速相跟随，估计转子位置也能够较好与实际转子位置相跟随，因此电机能够在正转和反转状态之间稳定切换及运行。
[0060]
利用电机对拖实验平台进行本发明进行实验验证，其中被测永磁同步电机6的电机参数为：
[0061][0062]
本发明方法在(1)电机从50rpm逐步上升至300rpm再逐步降至50rpm的实际转速和
估计转速实验结果如图10所示，通过电机全速域无位置传感器控制算法估计出的转速能够较好与实际转速相跟随，虽然电机实际转速有些波动，但总体上能实现电机无位置升降速控制。(2)电机零速工况时，2.0s对电机突加负载和7.0s突减负载时的实际转速、估计转速、目标转矩和估计转矩仿实验结果如图11所示，电机能够以零速运行，并且在负载扰动的过程中将估计转速误差控制在一定范围内。(3)在电机以50rpm正转，在2.5s以一定加速度减速并最终以-50rpm反转时，电机实际转速和估计转速、目标转子位置和估计转子位置实验结果如图12所示，估计转速能够较好与实际转速相跟随，估计转子位置也能够较好与实际转子位置相跟随，因此电机能够在正转和反转状态之间稳定切换及运行。