专利名称：一种永磁同步电机无传感器控制装置的制作方法
技术领域：
一种永磁同步电机无传感器控制装置技术领域[0001 ] 本实用新型涉及一种永磁同步电机无传感器控制装置，属于交流伺服电机控制技术领域。
背景技术：
[0002]永磁同步电机具有功率密度高、能量转换效率高、调速范围广、体积小、重量轻等优点，在工业、民用、军事等领域得到广泛的应用。[0003]永磁同步电机的控制需要获得电机转子的位置和速度信息，目前应用比较普遍的位置传感器包括光电编码器、旋转变压器等装置，而这些装置的使用不但增加了系统的体积和成本，降低了系统的可靠性，也限制了永磁同步电机在特殊环境下的应用，因此无传感器的控制方法已成为电机控制研究领域的一个研究热点。当电机在中高速范围内运转时， 基于滑模观测器的无传感器控制方法得到广泛的应用。[0004]这种方法首先通过构造滑模观测器首先观测电机的反电动势，然后从反电动势中直接或间接地估算出转子位置和速度，具有原理简单、稳定性好等特点，但是当存在系统参数摄动、负载扰动时，该方法的快速性和抗干扰能力非常有限。实用新型内容[0005]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够在永磁同步电机控制系统存在参数摄动、负载扰动情况下实现对电机反电动势以及转子位置和速度的快速、准确估计，并有效提高系统的抗干扰能力的永磁同步电机无传感器控制装置。[0006]本实用新型采用如下技术方案解决上述技术问题:本实用新型设计了一种永磁同步电机无传感器控制装置，包括电流采集模块、Clark变换模块、PARK变换模块、转速调节模块、第一比较模块、q轴电流调节模块、第二比较模块、d轴电流调节模块、第三比较模块、 PARK逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块、分数阶滑模观测模块、分数阶锁相环模块、三相逆变器和永磁同步电机，其中:[0007]所述三相逆变器的三路输出端分别连接永磁同步电机的三相电压输入端和电流采集模块的电流输入端，所述电流采集模块的电流输出端与Clark变换模块的电流输入端连接，所述Clark变换模块电流输出端分别连接PARK变换模块的电流输入端和分数阶滑模观测模块的电流输入端，所述分数阶滑模观测模块的反电动势输出端与分数阶锁相环模块的反电动势输入端连接，所述分数阶 锁相环模块的输出端分别与第一比较模块的输入端、 PARK变换模块的转子角度输入端和PARK逆变换模块的转子角度输入端连接；[0008]所述第一比较模块的输出端与转速调节模块的误差输入端连接，所述转速调节模块的电流给定值输出端与第二比较模块的实际电流输入端连接，所述第二比较模块的差值输出端与q轴电流调节模块的误差输入端连接，所述q轴电流调节模块的q轴电压输出端与PARK逆变换模块的q轴电压输入端连接，所述第三比较模块差值输出端与d轴电流调节模块的误差输入端连接，所述d轴电流调节模块的d轴电压输出端与PARK逆变换模块的d轴电压输入端连接；所述PARK逆变换模块的电压输出端分别与空间矢量脉宽调制模块的电压输入端和分数阶滑模观测模块的电压输入端连接，所述PARK变换模块的电流输出端分别与第二比较模块的实际电流输入端、第三比较模块的实际电流输入端连接。本实用新型与现有技术相比具有如下优点:1.本实用新型中所提出的分数阶滑模观测器、分数阶锁相环中均包含一个分数阶微积分算子，且算子的分数阶次可调，通过选择合适的分数阶次，可以实现反电动势、电机速度和转子位置的快速准确估计；2.本实用新型对系统扰动、参数摄动等不确定性因素具有鲁棒性，因此可以更好的实现永磁同步电机的无传感器控制；3.本实用新型中的分数阶滑模观测器中采用饱和函数，通过选择合理的边界层厚度可以有效削弱滑模控制存在的抖振现象。
图1是本实用新型的结构原理框图；图2是本实用新型中分数阶滑模观测器计算α _β坐标系下反电动势观测值e的原理框图； 图3是本实用新型中分数阶滑模观测器计算α _β坐标系下反电动势观测值&的原理框图；图4是本实用新型中分数阶锁相环的结构原理框图；图5是系统存在一定参数摄动和负载扰动时，本实用新型中分数阶滑模观测模块输出的反电动势观测值1、&的示意图；图6是系统存在一定参数摄动和负载扰动时，本实用新型中分数阶锁相环模块输出的电机转子位置估计值古与电机实际转子位置的比较示意图；图7是系统存在一定参数摄动和负载扰动时，本实用新型对永磁同步电机的无传感器控制的速度输出示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步的详细说明:如图1所示，本实用新型设计了一种永磁同步电机无传感器控制装置，包括电流采集模块、Clark变换模块、PA RK变换模块、转速调节模块、第一比较模块、q轴电流调节模块、第二比较模块、d轴电流调节模块、第三比较模块、PARK逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块、分数阶滑模观测模块、分数阶锁相环模块、三相逆变器和永磁同步电机，其中:所述三相逆变器的三路输出端分别连接永磁同步电机的三相电压输入端和电流采集模块的电流输入端，所述电流采集模块的电流输出端与Clark变换模块的电流输入端连接，所述Clark变换模块电流输出端分别连接PARK变换模块的电流输入端和分数阶滑模观测模块的电流输入端，所述分数阶滑模观测模块的反电动势输出端与分数阶锁相环模块的反电动势输入端连接，所述分数阶锁相环模块的输出端分别与第一比较模块的输入端、PARK变换模块的转子角度输入端和PARK逆变换模块的转子角度输入端连接；[0024]所述第一比较模块的输出端与转速调节模块的误差输入端连接，所述转速调节模块的电流给定值输出端与第二比较模块的实际电流输入端连接，所述第二比较模块的差值输出端与q轴电流调节模块的误差输入端连接，所述q轴电流调节模块的q轴电压输出端与PARK逆变换模块的q轴电压输入端连接，所述第三比较模块差值输出端与d轴电流调节模块的误差输入端连接，所述d轴电流调节模块的d轴电压输出端与PARK逆变换模块的d 轴电压输入端连接；[0025]所述PARK逆变换模块的电压输出端分别与空间矢量脉宽调制模块的电压输入端和分数阶滑模观测模块的电压输入端连接，所述PARK变换模块的电流输出端分别与第二比较模块的实际电流输入端、第三比较模块的实际电流输入端连接。[0026]其工作原理为:[0027]所述电流采集模块用于采集电机三相定子电流ia、ib和i。，并传输至Clark变换模块和PARK变换模块；[0028]所述Clark变换模块用于将电机三相定子电流ia、i,P i。变换为α - β坐标系下的等效电流1和％，并将α-β坐标系下的等效电流、和％以及α-β坐标系下的等效电压Ua和U0输入至分数阶滑模观测模块；[0029]如图2和图3所示，所述分数阶滑模观测模块用于利用上述α _β坐标系下的等效电压ua、ue和α-β坐标系下的等效电流ia、ie产生α-β坐标系下反电动势观测值和4，并传输至分数阶锁相环模块；[0030]实施方案中，为了进一步滤除反电动势观测值&、&中的高频分量，可以采取常规的做法，就是将4、&先通过一个低通滤波器后再输入给分数阶锁相环，分数阶锁相环输出的位置估计值^加上一个角度补偿即可。[0031]如图4所示，所述分数阶锁相环模块用于利用上述α 坐标系下反电动势观测值<和士产生转子电子角速度估计值 和电机转子位置估计值#并将所述电机转子位置估计值4分别传输至PARK变换模块和PARK逆变换模块，将所述转子电子角速度估计值 传输至第一比较模块；[0032]所述PARK变换模块用于利用接收到的电机转子位置估计值#和α _β坐标系下的等效电流ia、i0产生d-q坐标系下的实际输出电流值id和i,，并将所述d轴的实际输出电流值id传输至第三比较模块，将q轴的实际输出电流值i,传输至第二比较模块；[0033]所述第一比较器用于将电机运行速度给定值ωΜ 与转子电子角速度的估计值^ 比较后的差值e传输至转速调节模块，转速调节器用于输出d-q坐标系下q轴电流给定值 C，所述q轴电流给定值^与q轴实际输出电流值i,经过第二比较模块比较后的差值输入给 q轴 电流调节模块，所述q轴电流调节模块产生q轴电压输出值Uq，并将q轴电压输出值Uq 传输至PARK逆变换模块；[0034]d轴电流给定值^与d轴实际输出电流值id经过第三比较器比较后的差值输入至 d轴电流调节模块，所述d轴电流调节模块产生d轴电压输出值Ud，并将d轴电压输出值Ud 传输至PARK逆变换模块；[0035]所述PARK逆变换模块利用接收到的q轴电压输出值Uq和d轴电压输出值Ud产生 α-β坐标系下的等效电压控制给定值<和\并将所述等效电压控制给定值<和<传输至空间矢量脉宽调制模块；[0036]所述空间矢量脉宽调制模块利用接收到的坐标系下的等效电压控制给定值《I和4产生PWM信号，所述PWM信号用于控制三相逆变器产生三相电压信号，并利用所述三相电压信号控制永磁同步电机运行。[0037]在具体的实施例中，所述分数阶滑模观测模块和分数阶锁相环模块都可以使用硬件电路去实现。[0038]图5是系统存在一定参数摄动和负载扰动时，本实用新型中分数阶滑模观测器输出的反电动势观测值4、&的示意图；图中alfa轴反电动势观测值定义力t图中beta轴反电动势观测值定义为4。[0039]图6是系统存在一定参数摄动和负载扰动时，本实用新型中分数阶锁相环模块输出的电机转子位置估计值点与电机实际转子位置的比较示意图。[0040]图7是系统存在一定参数摄动和负载扰动时，本实用新型对永磁同步电机的无传感器控制的速度输出示意图。[0041]从图5-7中可以看出，当系统存在一定参数摄动以及在0.2秒存在负载扰动时，本实用新型可以正确估计反电动势观测值，也可以准确输出电机转子位置估计值灸且速度输出响应快，超调量小，在扰动发生时能够及时进行转速调节，保持速度跟随给定值。[0042]以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落 入本实用新型保护范围之内。
权利要求1.一种永磁同步电机无传感器控制装置，其特征在于，包括电流采集模块、Clark变换模块、PARK变换模块、转速调节模块、第一比较模块、q轴电流调节模块、第二比较模块、d轴电流调节模块、第三比较模块、PARK逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块、分数阶滑模观测模块、分数阶锁相环模块、三相逆变器和永磁同步电机，其中: 所述三相逆变器的三路输出端分别连接永磁同步电机的三相电压输入端和电流采集模块的电流输入端，所述电流采集模块的电流输出端与Clark变换模块的电流输入端连接，所述Clark变换模块电流输出端分别连接PARK变换模块的电流输入端和分数阶滑模观测模块的电流输入端，所述分数阶滑模观测模块的反电动势输出端与分数阶锁相环模块的反电动势输入端连接，所述分数阶锁相环模块的输出端分别与第一比较模块的输入端、PARK变换模块的转子角度输入端和PARK逆变换模块的转子角度输入端连接； 所述第一比较模块的输出端与转速调节模块的误差输入端连接，所述转速调节模块的电流给定值输出端与第二比较模块的实际电流输入端连接，所述第二比较模块的差值输出端与q轴电流调节模块的误差输入端连接，所述q轴电流调节模块的q轴电压输出端与PARK逆变换模块的q轴电压输入端连接，所述第三比较模块差值输出端与d轴电流调节模块的误差输入端连接，所述d轴电流调节模块的d轴电压输出端与PARK逆变换模块的d轴电压输入端连接； 所述PARK逆变换模块的电压输出端分别与空间矢量脉宽调制模块的电压输入端和分数阶滑模观测模块的电压输入端连接，所述PARK变换模块的电流输出端分别与第二比较模块的实际电流输入端、第三比较模块的实际电 流输入端连接。
专利摘要本实用新型公开了一种永磁同步电机无传感器控制装置，包括电流采集模块、Clark变换模块、PARK变换模块、转速调节模块、第一比较模块、q轴电流调节模块、第二比较模块、d轴电流调节模块、第三比较模块、PARK逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块、分数阶滑模观测模块、分数阶锁相环模块、三相逆变器和永磁同步电机；本实用新型所设计的一种永磁同步电机无传感器控制装置能够在永磁同步电机控制系统存在参数摄动、负载扰动情况下实现对电机反电动势以及转子位置和速度的快速、准确估计，并有效提高系统的抗干扰能力。
文档编号H02P21/14GK203151429SQ201320068969
公开日2013年8月21日 申请日期2013年2月5日 优先权日2013年2月5日
发明者黄家才, 徐庆宏, 郭婧, 刘娣, 施昕昕 申请人:南京工程学院