永磁同步电机的无传感器矢量控制系统和控制方法

摘要

本发明提供一种永磁同步电机的无传感器矢量控制系统和控制方法，该方法包括启动-低速控制、中高速控制和过渡区域控制：启动-低速控制基于回归模型分别建立了低速转子位置观测器和低速转子速度观测器；中高速控制通过传统滑模观测器方法实现；过渡区域控制同时考虑转速和转子位置误差两个因素，保证切换过程的平滑。本发明的方案可保证无传感器永磁同步电机在全速范围内的可靠运行，在低速段建模过程与电机数学模型无关且不需要叠加高频信号，估计结果不会受到参数精度的影响，中高速控制仍通过滑模观测器实现，保留滑模观测器鲁棒性强且性能稳定的特点。两种方法的切换过程同时考虑转速和转子位置误差两个因素，保证了切换过程的平滑过渡。

说明书

技术领域

本发明涉及永磁同步电机的控制领域，具体而言涉及一种永磁同步电机的无传感器矢量控制系统和控制方法，可在不使用位置和速度传感器的情况下，实现永磁同步电机在启动、低速、中速至全速范围内的无传感器矢量控制。

背景技术

永磁同步电机由绕线式同步电动机发展而来，具有效率高、结构简单、易于控制、性能优良等优点。其控制过程相比异步电机而言较为简单，随着永磁材料性能不断提高和价格不断下降，永磁同步电机的控制系统应用占据着日益重要的地位。

在普通永磁同步电机的矢量控制调速系统中，为实现电机的速度闭环和矢量变换，需要通过光电编码盘等传感设备测量转子的位置与速度信号。然而，由于光电编码盘的存在，不但增加了成本，还使得电机的轴向体积增大，降低了系统的可靠性。因此，永磁同步电机的无传感器控制逐渐成为重要的研究课题。

工程设计中，永磁同步电机的无传感器矢量控制包括启动-低速控制和中高速控制两个部分。两种控制方法相辅相成，弥补了各自的不足，共同实现了永磁同步电机的全速控制。

常用滑模观测器实现永磁同步电机的中高速无传感器矢量控制{文献《电机现代控制技术》，王成元、夏加宽等编著，机械工业出版社，P272-278}，滑模观测器通过感应电动势实现转子位置和速度估计，由于启动和低速状态下的电机的感应电动势过小，导致滑模观测器无法应用于此区域。

为弥补滑模观测器方法在低速区域中的不足，在这一区域，常用高频注入法替代滑模观测器方法，实现启动和低速下的永磁同步电机无传感器矢量控制{文献《电机现代控制技术》，王成元、夏加宽等编著，机械工业出版社，P279-295}，然而，由于高频注入法向矢量控制系统引入了高频信号，容易对矢量控制系统产生干扰。

另外，电机从低速向中高速过渡的切换过程十分重要，如果不采用可靠的切换方法，极易引起两种控制方法的切换失败，影响矢量控制系统的可靠性。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明旨在提供一种永磁同步电机的无传感器矢量控制系统和控制方法，可在启动、低速至中高速的全速范围内，均能对永磁同步电机实现无传感器矢量控制，可靠性高且低速范围内不会引入高频干扰。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种永磁同步电机的无传感器矢量控制系统，包括：前置电流滤波器（101）、低速转子位置观测器（102）、低速转子速度观测器（103）、三相静止向两相静止坐标变换器（104-1）、滑模观测器（104-2）、微分器（104-3）、模式转换器（105）、三相静止向两相旋转坐标变换器（106）、PI速度控制器（107）、PI交轴电流控制器（108）、PI直轴电流控制器（109）、两相旋转向两相静止坐标变换器（110）、空间矢量脉宽控制器（111）、逆变器（112）、a相电流传感器（113）和b相电流传感器（114），该控制系统（100）通过逆变器（112）与被控电机（200）相连，其中：

所述模式转换器（105）输出的转子速度估计值与一电机转子速度给定值相比较的差值作为PI速度控制器（107）的输入，PI速度控制器（107）输出的交轴电流给定值和三相静止向两相旋转坐标变换器（106）输出的交轴电流反馈值相比较的差值输入给PI交轴电流控制器（108），直轴电流给定值和三相静止向两相旋转坐标变换器（106）输出的直轴电流反馈值相比较的差值输入给PI直轴电流控制器（109），PI直轴电流控制器（109）输出的直轴电压给定值u_d和PI交轴电流控制器（108）输出的交轴电压给定值u_q共同输入两相旋转向两相静止坐标变换器（110），两相旋转向两相静止坐标变换器（110）输出的α轴电压给定值u_α和β轴电压给定值u_β共同输入空间矢量脉宽控制器（111），空间矢量脉宽控制器（111）的输出作为逆变器（112）的输入，逆变器（112）的输出作为驱动信号与永磁同步电机（200）三相定子绕组相连；

所述永磁同步电机（200）的a相电流通过所述a相电流传感器（113）采集，所述a相电流传感器（113）采集到的a相电流信号分别与前置电流滤波器（101）、三相静止向两相静止坐标变换器（104-1）和三相静止向两相旋转坐标变换器（106）的a相电流输入端相连；

所述永磁同步电机（200）的b相电流通过b相电流传感器（114）采集，所述b相电流传感器（114）采集到的b相电流信号分别与三相静止向两相静止坐标变换器（104-1）及三相静止向两相旋转坐标变换器（106）的b相电流输入端相连；

所述前置电流滤波器（101）的输出分别与低速转子位置观测器（102）和低速转子速度观测器（103）的输入相连，所述低速转子位置观测器（102）的输出与模式转换器（105）的低速转子位置输入相连，所述低速转子速度观测器（103）的输出与模式转换器（105）的低速转子速度输入相连，所述三相静止向两相静止坐标变换器（104-1）的输出I_α和I_β、两相旋转向两相静止坐标变换器（110）输出的α轴电压给定值u_α和β轴电压给定值u_β共同送入滑模观测器（104-2），该滑模观测器（104-2）的输出分别与模式转换器（105）的滑模转子位置输入及微分器（104-3）的输入相连，该微分器（104-3）的输出与模式转换器（105）的滑模转子速度输入相连，该模式转换器（105）输出的转子角度估计值分别作为三相静止向两相旋转坐标变换器（106）和两相旋转向两相静止坐标变换器（110）的角度输入；

所述两相旋转向两相静止坐标变换器（110）根据转子角度估计值将两相旋转的dq轴电压转换为两相静止的αβ轴电压，所述空间矢量脉宽控制器（111）根据所述αβ轴电压产生逆变器（112）的控制信号，所述逆变器（112）根据该控制信号控制永磁同步电机（200）的三相定子电流通断。

根据本发明的改进，还提出一种基于上述无传感器矢量控制系统的控制方法，包括启动-低速控制、中高速控制和过渡区域控制，其中：

（1）启动-低速控制，利用所述前置电流滤波器（101）用于消除电流高频信号引起的抖震，其实现过程如下：

a）所述前置电流滤波器（101）的传递函数如下：

$>I_a^{*}=\frac{{\omega }_c}{{\omega }_c+s}{I}_a;$>

b）所述低速转子位置观测器（102）基于下述数学数学模型而建立：

$>{\hat{\theta }}_r^{\mathrm{LPO}}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{\beta }_i^{\theta }\exp \left(I_i^{\mathrm{tra}}{I}_a^{*}\left(t\right)\right)$>

其中，为实时采集到的滤波后a相定子电流，为用于参数训练时的a相定子电流特征值，为训练得到的低速转子位置观测器模型参数，为实时估计得到的转子位置；

在上述模型参数训练过程中，将a相定子电流作为训练集特征值，将使用外接测量设备实际测量得到的电机转子位置作为训练集的目标值，根据所述数学模型，通过交叉训练得到最优低速转子位置观测器模型参数，建立低速转子位置观测器；

c）低速转子速度观测器（103）基于如下回归数学模型建立：

$>{\hat{\omega }}_r^{\mathrm{LSO}}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{\beta }_i^{\omega }\exp \left(I_i^{\mathrm{tra}}{I}_a^{*}\left(t\right)\right)$>

其中，为实时采集到的滤波后a相定子电流，为用于参数训练时的a相定子电流特征值，为训练得到的低速转子转速观测器模型参数，为实时估计得到的转子速度;

在上述回归数学模型参数训练过程中，将a相定子电流作为训练集特征值，将使用外接转速测量设备实际测量得到的电机转子转速作为训练集的目标值，根据所述数学模型，通过交叉训练得到最优低速转子速度观测器模型参数，实现低速转子转速观测器的建立；

d）对所述低速转子位置观测器（102）与低速转子速度观测器（103）建模，建模过程如下：

第一步：外接转子位置与转速测量装置，为矢量闭环控制提供相应信号，记录启动至低速过程中，电机的转子位置{θ^tr}_m×1、转速和相应a相电流{I^tra}_m×1，执行第二步；

第二步：训练低速转子位置观测器参数{β^θ}_m×1，构建低速转子位置观测器（102）并在DSP上实现上述执行第四步；

第三步：训练低速转子速度观测器参数{β^ω}_m×1，构建低速转子速度观测器（103）并在DSP上实现上述执行第四步；

第四步：测试启动状态下的无传感器矢量控制系统性能，如果满足转子位置估计误差小于最大转子位置估计误差e_θ＜e_θmax，则进行第五步，如果不满足，则转至第二步重复顺序执行，重新训练低速转子位置观测器参数{β^θ}_m×1；

第五步：测试启动状态下的无传感器矢量控制系统性能，如果满足转子速度估计误差小于最大转子速度估计误差e_ω＜e_ωmax，则训练结束，如果不满足，则转至第三步重复顺序执行，重新训练低速转子速度观测器参数{β^ω}_m×1；

其中，第二步与第三步为并列执行，第二步与第三步执行完毕后均转至第四步。

进一步，所述中高速控制方法：电机的转子位置由滑模观测器（104-2）估计得到，转子速度通过转子位置微分得到

进一步，所述过渡区域控制方法：在低速向中高速过渡区域中，不同观测器的切换过程由模式转换器（105）实现，其实现流程为：

启动与低速区域为切换转速，转子位置和速度信号由低速转子位置观测器（102）和低速转子速度观测器（103）提供，即用于角度计算的转子位置估计值和转速反馈值

当转速大于切换转速αω^*后，判断低速转子速度观测器（103）与滑模观测器（104-2）后的微分器（104-3）估计得到的转子角度之差是否低于10°：如果条件不成立，则进入过渡区域，此时$>{\hat{\theta }}_r={\bar{\theta }}_r$>和$>{\hat{\omega }}_r={\bar{\omega }}_r,$>其中，$>{\bar{\theta }}_r=({\hat{\theta }}_r^{\mathrm{LPO}}+{\hat{\theta }}_r^{\mathrm{SMO}})/2$>且$>{\bar{\omega }}_r=({\hat{\omega }}_r^{\mathrm{LPO}}+{\hat{\omega }}_r^{\mathrm{SMO}})/2;$>如果条件成立，则切换到滑模观测器（104-2）及微分器（104-3）工作状态，此时同时令标志位s＝1，标志位使得从下一次中断判断开始，转子位置和速度信号始终由滑模观测器（104-2）及微分器（104-3）提供；其中

所述三相静止向两相旋转坐标变换器（106），根据转子位置估计值将三相静止的abc相电流转换为两相静止的dq轴电流；

所述PI速度控制器（107），根据给定速度和转速估计值的差值控制q轴电流给定值，使给定速度和转速预测值的差值为零；

所述PI交轴电流控制器（108），根据q轴电流给定值和估计值的差值控制q轴电压，使q轴电流给定值和估计值的差值为零；

所述PI直轴电流控制器（109），根据d轴电流给定值和估计值的差值控制d轴电压，使d轴电流给定值和估计值的差值为零；

所述两相旋转向两相静止坐标变换器（110），根据转子位置估计值将两相旋转的dq轴电压转换为两相静止的αβ轴电压；

所述空间矢量脉宽控制器（111），根据αβ轴电压产生逆变器的控制信号；

所述逆变器（112），根据控制信号控制永磁同步电机三相定子电流通断。

由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于：

1）本发明方法在低速段不需要叠加高频信号，避免了因此产生的噪声干扰。建模过程与电机数学模型无关，估计结果不会受到参数精度的影响。同时低速观测器计算较小，易于硬件实现

2）中高速无传感器控制仍通过滑模观测器实现，保留滑模观测器鲁棒性强且性能稳定的特点。

3）两种方法的切换过程同时考虑转速和转子位置误差两个因素，保证了切换过程的平滑过渡。

附图说明

图1为本发明的永磁同步电机无传感器矢量控制系统的结构示意图。

图2为低速转子位置观测器与低速转子速度观测器建模过程示意图。

图3为模式转换器的算法流程图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

如图1结合图2、图3所示，根据本发明的较优实施例，一种永磁同步电机无传感器矢量控制方法，该方法实现了永磁同步电机在启动、低速、中速至全速范围内的无传感器矢量控制。

参考图1所述，永磁同步电机的无传感器矢量控制系统包括：前置电流滤波器（101）、低速转子位置观测器（102）、低速转子速度观测器（103）、三相静止向两相静止坐标变换器（104-1）、滑模观测器（104-2）、微分器（104-3）、模式转换器（105）、三相静止向两相旋转坐标变换器（106）、PI速度控制器（107）、PI交轴电流控制器（108）、PI直轴电流控制器（109）、两相旋转向两相静止坐标变换器（110）、空间矢量脉宽控制器（111）、逆变器（112）、a相电流传感器（113）和b相电流传感器（114），该控制系统（100）通过逆变器（112）与被控电机（200）相连，其中：

所述模式转换器（105）输出的转子速度估计值与一电机转子速度给定值相比较的差值作为PI速度控制器（107）的输入，PI速度控制器（107）输出的交轴电流给定值和三相静止向两相旋转坐标变换器（106）输出的交轴电流反馈值相比较的差值输入给PI交轴电流控制器（108），直轴电流给定值和三相静止向两相旋转坐标变换器（106）输出的直轴电流反馈值相比较的差值输入给PI直轴电流控制器（109），PI直轴电流控制器（109）输出的直轴电压给定值u_d和PI交轴电流控制器（108）输出的交轴电压给定值u_q共同输入两相旋转向两相静止坐标变换器（110），两相旋转向两相静止坐标变换器（110）输出的α轴电压给定值u_α和β轴电压给定值u_β共同输入空间矢量脉宽控制器（111），空间矢量脉宽控制器（111）的输出作为逆变器（112）的输入，逆变器（112）的输出作为驱动信号与永磁同步电机（200）三相定子绕组相连；

所述永磁同步电机（200）的a相电流通过所述a相电流传感器（113）采集，所述a相电流传感器（113）采集到的a相电流信号分别与前置电流滤波器（101）、三相静止向两相静止坐标变换器（104-1）和三相静止向两相旋转坐标变换器（106）的a相电流输入端相连；

所述永磁同步电机（200）的b相电流通过b相电流传感器（114）采集，所述b相电流传感器（114）采集到的b相电流信号分别与三相静止向两相静止坐标变换器（104-1）及三相静止向两相旋转坐标变换器（106）的b相电流输入端相连；

所述前置电流滤波器（101）的输出分别与低速转子位置观测器（102）和低速转子速度观测器（103）的输入相连，所述低速转子位置观测器（102）的输出与模式转换器（105）的低速转子位置输入相连，所述低速转子速度观测器（103）的输出与模式转换器（105）的低速转子速度输入相连，所述三相静止向两相静止坐标变换器（104-1）的输出I_α和I_β、两相旋转向两相静止坐标变换器（110）输出的α轴电压给定值u_α和β轴电压给定值u_β共同送入滑模观测器（104-2），该滑模观测器（104-2）的输出分别与模式转换器（105）的滑模转子位置输入及微分器（104-3）的输入相连，该微分器（104-3）的输出与模式转换器（105）的滑模转子速度输入相连，该模式转换器（105）输出的转子角度估计值分别作为三相静止向两相旋转坐标变换器（106）和两相旋转向两相静止坐标变换器（110）的角度输入；

所述两相旋转向两相静止坐标变换器（110）根据转子角度估计值将两相旋转的dq轴电压转换为两相静止的αβ轴电压，所述空间矢量脉宽控制器（111）根据所述αβ轴电压产生逆变器（112）的控制信号，所述逆变器（112）根据该控制信号控制永磁同步电机（200）的三相定子电流通断。

根据本发明的改进，基于上述无传感器矢量控制系统的控制方法包括启动-低速控制、中高速控制和过渡区域控制，其中：

（1）启动-低速控制，利用所述前置电流滤波器（101）用于消除电流高频信号引起的抖震，其实现过程如下：

a）所述前置电流滤波器（101）的传递函数如下：

$>I_a^{*}=\frac{{\omega }_c}{{\omega }_c+s}{I}_a;$>

b）所述低速转子位置观测器（102）基于下述数学数学模型而建立：

$>{\hat{\theta }}_r^{\mathrm{LPO}}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{\beta }_i^{\theta }\exp \left(I_i^{\mathrm{tra}}{I}_a^{*}\left(t\right)\right)$>

其中，为实时采集到的滤波后a相定子电流，为用于参数训练时的a相定子电流特征值，为训练得到的低速转子位置观测器模型参数，为实时估计得到的转子位置；

在上述模型参数训练过程中，将a相定子电流作为训练集特征值，将使用外接测量设备实际测量得到的电机转子位置作为训练集的目标值，根据所述数学模型，通过交叉训练得到最优低速转子位置观测器模型参数，建立低速转子位置观测器；

c）低速转子速度观测器（103）基于如下回归数学模型建立：

$>{\hat{\omega }}_r^{\mathrm{LSO}}\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{\beta }_i^{\omega }\exp \left(I_i^{\mathrm{tra}}{I}_a^{*}\left(t\right)\right)$>

其中，为实时采集到的滤波后a相定子电流，为用于参数训练时的a相定子电流特征值，为训练得到的低速转子转速观测器模型参数，为实时估计得到的转子速度;

在上述回归数学模型参数训练过程中，将a相定子电流作为训练集特征值，将使用外接转速测量设备实际测量得到的电机转子转速作为训练集的目标值，根据所述数学模型，通过交叉训练得到最优低速转子速度观测器模型参数，实现低速转子转速观测器的建立；

d）对所述低速转子位置观测器（102）与低速转子速度观测器（103）建模，建模过程如下：

第一步：外接转子位置与转速测量装置，为矢量闭环控制提供相应信号，记录启动至低速过程中，电机的转子位置转速和相应a相电流{I^tra}_m×1，执行第二步；

第二步：训练低速转子位置观测器参数{β^θ}_m×1，构建低速转子位置观测器（102）并在DSP上实现上述执行第四步；

第三步：训练低速转子速度观测器参数{β^ω}_m×1，构建低速转子速度观测器（103）并在DSP上实现上述执行第四步；

第四步：测试启动状态下的无传感器矢量控制系统性能，如果满足转子位置估计误差小于最大转子位置估计误差e_θ＜e_θmax，则进行第五步，如果不满足，则转至第二步重复顺序执行，重新训练低速转子位置观测器参数{β^θ}_m×1；

第五步：测试启动状态下的无传感器矢量控制系统性能，如果满足转子速度估计误差小于最大转子速度估计误差e_ω＜e_ωmax，则训练结束，如果不满足，则转至第三步重复顺序执行，重新训练低速转子速度观测器参数{β^ω}_m×1；

其中，第二步与第三步为并列执行，第二步与第三步执行完毕后均转至第四步。

进一步，所述中高速控制：电机的转子位置由滑模观测器（104-2）通过传统方式估计得到，转子速度通过转子位置微分得到。例如：文献《电机现代控制技术》，王成元、夏加宽等编著，机械工业出版社，P272-278。

进一步，所述过渡区域控制方法：在低速向中高速过渡区域中，不同观测器的切换过程由模式转换器（105）实现，其实现流程为：

启动与低速区域为切换转速，ω^*为给定转速，α一般取0.2-0.3，转子位置和速度信号由低速转子位置观测器（102）和低速转子速度观测器（103）提供，即用于角度计算的转子位置估计值和转速反馈值

当转速大于切换转速αω^*后，判断低速转子速度观测器（103）与滑模观测器（104-2）后的微分器（104-3）估计得到的转子角度之差是否低于10°：如果条件不成立，则进入过渡区域，此时$>{\hat{\theta }}_r={\bar{\theta }}_r$>和$>{\hat{\omega }}_r={\bar{\omega }}_r,$>其中，$>{\bar{\theta }}_r=({\hat{\theta }}_r^{\mathrm{LPO}}+{\hat{\theta }}_r^{\mathrm{SMO}})/2$>且$>{\bar{\omega }}_r=({\hat{\omega }}_r^{\mathrm{LPO}}+{\hat{\omega }}_r^{\mathrm{SMO}})/2;$>如果条件成立，则切换到滑模观测器（104-2）及微分器（104-3）工作状态，此时同时令标志位s＝1，标志位使得从下一次中断判断开始，转子位置和速度信号始终由滑模观测器（104-2）及微分器（104-3）提供；其中

所述三相静止向两相旋转坐标变换器（106），根据转子位置估计值将三相静止的abc相电流转换为两相静止的dq轴电流；

所述PI速度控制器（107），根据给定速度和转速估计值的差值控制q轴电流给定值，使给定速度和转速预测值的差值为零；

所述PI交轴电流控制器（108），根据q轴电流给定值和估计值的差值控制q轴电压，使q轴电流给定值和估计值的差值为零；

所述PI直轴电流控制器（109），根据d轴电流给定值和估计值的差值控制d轴电压，使d轴电流给定值和估计值的差值为零；

所述两相旋转向两相静止坐标变换器（110），根据转子位置估计值将两相旋转的dq轴电压转换为两相静止的αβ轴电压；

所述空间矢量脉宽控制器（111），根据αβ轴电压产生逆变器的控制信号；

所述逆变器（112），根据控制信号控制永磁同步电机三相定子电流通断。

由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于：

1）本发明方法在低速段不需要叠加高频信号，避免了因此产生的噪声干扰。建模过程与电机数学模型无关，估计结果不会受到参数精度的影响。同时低速观测器计算较小，易于硬件实现

2）中高速无传感器控制仍通过滑模观测器实现，保留滑模观测器鲁棒性强且性能稳定的特点。

3）两种方法的切换过程同时考虑转速和转子位置误差两个因素，保证了切换过程的平滑过渡。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。