一种永磁同步电机、控制方法、控制器及存储介质与流程

本发明属于电机控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机、控制方法、控制器及存储介质。

背景技术：

目前，永磁同步电机的结构简单，效率高，功率因数高，且具有优越的调速性能，被广泛应用于空调，机车等众多领域。机械式传感器容易受外部环境的影响而导致测速性能降低，进而导致电机系统的可靠性降低，最终影响电机的高精度控制。因此，无速度传感器的控制方法广受关注，为电机的控制系统节约了成本，也减少了外部环境对电机转速测量的影响。

专利号为CN201910878418.5的专利提供一种基于自适应滑模观测器无位置传感器永磁同步电机的控制方法，该方法设计自适应滑模观测器，并设计反电势自适应估计环节，并采用锁相环技术估算转子位置和转速，但此方法是基于两相静止坐标系设计观测器的且无转矩控制。

专利号为CN201810342250.1的专利提供了一种基于转速自适应滑模观测器的无传感器控制方法，该专利基于两相静止坐标系得到两相静止坐标系下的扩展反电动势，在扩展反电动势等效控制量的基础上构建位置观测器，并设计转速自适应观测率用于速度的反馈，但此方法是基于两相禁止坐标系且无转矩控制。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的永磁电机控制方法无法实现转速和转矩及电流三闭环控制系统，同时不能进行磁链预警。电机的稳定控制效果差。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种永磁同步电机、控制方法、控制器及存储介质。

本发明的实现方式是这样的，一种永磁同步电机的控制方法，包括：

通过采样电阻及芯片得到永磁同步电机的三相电流实际值及母线电压的实际值；

对所述永磁同步电机三相电流实际值及母线电压的实际值变换得到永磁同步电机的两相旋转电流值及两相旋转的电压值；

基于得到的所述永磁同步电机的两相旋转电流值及两相旋转的电压值通过观测器，对磁链进行重构估算得到磁链估计值，以及依据自适应率得到转速的估计值；并且依据电机转矩方程计算得到转矩的估计值；

所述观测器对得到的所述转速的估计值、转矩的估计值进行反馈；控制器根据反馈的所述转速的估计值、转矩的估计值进行永磁同步电机的控制。

进一步，所述观测器为自适应非奇异快速终端滑模观测器与龙伯格观测器相结合的永磁同步电机无速度传感器。

进一步，依据所述转速的估计值得到电机位置角的估计值。

进一步，所述对磁链进行重构估算得到磁链估计值中，通过估算磁链的值，判断电机是否失磁，对电机失磁情况进行预警；具体包括：

将得到的估算磁链的值与磁链额定值进行比较，判断磁链是否正常；如果磁链正常，则对电机正常控制，控制电机正常运行；如果磁链失磁，则进行示警，电机运行于故障状态。

进一步，所述永磁同步电机的控制方法具体包括以下步骤：

步骤一，通过采样电阻及芯片得到永磁同步电机的三相电流实际值ia、ib、ic及母线电压的实际值Udc；

步骤二，永磁同步电机三相电流ia、ib、ic通过PARK，CLARK变换得到永磁同步电机的两相旋转电流id、iq；

步骤三，通过所述的永磁同步电机母线电压Udc得到两相旋转的电压ud、uq；

步骤四，通过所述永磁同步电机旋转的两相电流值id、iq、电压值ud、uq及相关电机参数，依据观测器，得到磁链估计值，依据自适应率得到转速的估计值

步骤五，依据电机转矩方程计算得到转矩的估计值依据转速的估计值得到位置角的估计值

步骤六，依据所述永磁同步电机转速的估计反馈值转矩的估计反馈值进行永磁同步电机的控制。

进一步，所述步骤四中，通过所述永磁同步电机旋转的两相电流值id、iq、电压值ud、uq及相关电机参数，依据观测器，得到磁链估计值的方法包括：

其中，

其中，R为定子电阻，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，ψrd为直轴磁链分量，ψrq为交轴磁链分量；

所述永磁同步电机观测器包括：

其中，L为待设计的矩阵，为非奇异快速终端滑模观测器的控制输入量；

所述永磁同步电机观测器还包括：

构造Lyapunov函数：

为非奇异快速终端滑模滑模面，m为待设计系数。

进一步，所述步骤五中，所述步骤五中，永磁同步电机估算转矩方程如下：

其中，np为极对数，为磁链估计值；

所述步骤六具体包括：

(1)将永磁同步电机转速给定值与估算的永磁同步电机反馈转速的差值进行iPI调节控制，得到转矩的给定值将永磁同步电机转矩给定值与估算的永磁同步电机反馈转矩的差值进行iPI调节控制，得到交轴电流给定值并通过最大转矩电流比计算出直轴电流给定值

(2)将永磁同步电机交轴电流给定值与永磁同步电机交轴电流反馈值iq的差值进行iPI调节控制，得到给定交轴电压uq；将永磁同步电机直轴电流给定值与永磁同步电机交轴电流反馈值id的差值进行iPI调节控制，得到给定直轴电压ud；

(3)将永磁同步电机交轴电压给定值uq与直轴电压给定值ud通过IPARK变换得到两相静止电压uα、uβ；通过两相静止电压uα、uβ进行空间电压矢量脉宽调制生成SVPWM调制波，控制逆变电路开关管的开通与关断，进行永磁同步电机的控制。

本发明的另一目的在于提供一种永磁同步电机控制器，所述永磁同步电机控制器实施所述永磁同步电机的控制方法。

本发明的另一目的在于提供一种搭载永磁同步电机控制器的永磁同步电机。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

通过采样电阻及芯片得到永磁同步电机的三相电流实际值及母线电压的实际值；

对所述永磁同步电机三相电流实际值及母线电压的实际值变换得到永磁同步电机的两相旋转电流值及两相旋转的电压值；

基于得到的所述永磁同步电机的两相旋转电流值及两相旋转的电压值通过观测器，对磁链进行重构估算得到磁链估计值，以及依据自适应率得到转速的估计值；并且依据电机转矩方程计算得到转矩的估计值；

所述观测器对得到的所述转速的估计值、转矩的估计值进行反馈；控制器根据反馈的所述转速的估计值、转矩的估计值进行进行永磁同步电机的控制。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过所述状态观测器得到磁链估计值，进而计算获得转矩估计值，进行转矩闭环控制；通过转速自适应率得到转速估计值，实现转速闭环控制，实现无速度传感器控制；最终效果是通过转速和转矩及电流三闭环控制系统，实现电机的稳定控制。

采用本发明中的自适应非奇异快速终端滑模观测器与龙伯格观测器相结合的永磁同步电机无速度传感器控制方法及系统可降低测速所需成本及外部环境对测速的影响。永磁同步电机转速、转矩、电流均采用iPI控制器，形成三闭环控制可提高所述电机控制系统控制性能。利用观测器估算磁链，知晓磁链是否失磁。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的永磁同步电机的控制方法原理图。

图2是本发明实施例提供的电机控制流程图。

图3是本发明实施例提供的磁链示警流程图。

图4是本发明实施例提供的永磁同步电机的控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种永磁同步电机的控制方法、系统及电机，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1-图2所示，本发明实施例提供的永磁同步电机的控制方法包括：

通过采样电阻及芯片得到永磁同步电机的三相电流实际值及母线电压的实际值；

对所述永磁同步电机三相电流实际值及母线电压的实际值变换得到永磁同步电机的两相旋转电流值及两相旋转的电压值；

基于得到的所述永磁同步电机的两相旋转电流值及两相旋转的电压值通过观测器，对磁链进行重构估算得到磁链估计值，以及依据自适应率得到转速的估计值；并且依据电机转矩方程计算得到转矩的估计值；

所述观测器对得到的所述转速的估计值、转矩的估计值进行反馈；控制器根据反馈的所述转速的估计值、转矩的估计值进行永磁同步电机的控制。

在本发明中，所述观测器为自适应非奇异快速终端滑模观测器与龙伯格观测器相结合的永磁同步电机无速度传感器。

在本发明中，依据所述转速的估计值得到电机位置角的估计值。

如图3所示，所述通过估算磁链的值，判断电机是否失磁，对电机失磁情况进行预警包括：

将得到的估算磁链的值与磁链额定值进行比较，判断磁链是否正常；如果磁链正常，则对电机正常控制，控制电机正常运行；如果磁链失磁，则进行示警，电机运行于故障状态。

如图4所示，本发明实施例提供的永磁同步电机的控制方法包括以下步骤：

S101，通过采样电阻及芯片得到永磁同步电机的三相电流实际值ia、ib、ic及母线电压的实际值Udc；

S102，永磁同步电机三相电流ia、ib、ic通过PARK，CLARK变换得到永磁同步电机的两相旋转电流id、iq；

S103，通过所述的永磁同步电机母线电压Udc得到两相旋转的电压ud、uq；

S104，通过所述永磁同步电机旋转的两相电流值id、iq、电压值ud、uq及相关电机参数，依据观测器，得到磁链估计值，依据自适应率得到转速的估计值

S105，依据电机转矩方程计算得到转矩的估计值依据转速的估计值得到位置角的估计值

S106，依据所述永磁同步电机转速的估计反馈值转矩的估计反馈值进行永磁同步电机的控制。

本发明步骤S104中，永磁同步电机考虑失磁的两相旋转坐标系下的电流状态方程如下：

其中，

其中，R为定子电阻，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，ψrd为直轴磁链分量，ψrq为交轴磁链分量。

本发明步骤S104中，提供的永磁同步电机观测器方程如下：

其中，L为待设计的矩阵，为非奇异快速终端滑模观测器的控制输入量。

所述永磁同步电机观测器还包括：

构造Lyapunov函数如下：

为非奇异快速终端滑模滑模面，m为待设计系数。

本发明步骤S105中，永磁同步电机估算转矩方程如下：

其中，np为极对数，为磁链估计值。

步骤S106中，本发明实施例提供的依据所述永磁同步电机转速的估计反馈值转矩的估计反馈值进行永磁同步电机的控制包括：

(1)将永磁同步电机转速给定值与估算的永磁同步电机反馈转速的差值进行iPI调节控制，得到转矩的给定值将永磁同步电机转矩给定值与估算的永磁同步电机反馈转矩的差值进行iPI调节控制，得到交轴电流给定值并通过最大转矩电流比计算出直轴电流给定值

(2)将永磁同步电机交轴电流给定值与永磁同步电机交轴电流反馈值iq的差值进行iPI调节控制，得到给定交轴电压uq；将永磁同步电机直轴电流给定值与永磁同步电机交轴电流反馈值id的差值进行iPI调节控制，得到给定直轴电压ud；

(3)将永磁同步电机交轴电压给定值uq与直轴电压给定值ud通过IPARK变换得到两相静止电压uα、uβ；通过两相静止电压uα、uβ进行空间电压矢量脉宽调制生成SVPWM调制波，控制逆变电路开关管的开通与关断，进行永磁同步电机的控制。

下面结合具体实施例对本发明的技术效果作进一步描述。

实施例1：

依据电机的两相旋转坐标系下的数学模型推导自适应非奇异快速终端滑模观测器与龙伯格观测器相结合的观测器，对磁链进行重构估算，并通过转速自适应率估算转速，进一步估算转矩和位置角，同时对转速、转矩、电流进行控制。

通过估算磁链的值，判断电机是否失磁，对电机失磁情况进行预警。

实施例2：

本发明包括一种永磁同步电机的控制方法、系统及电机。

附图1说明：PMSM系统控制框图，如图1所示。

三相桥式逆变电路输出有规律的ABC三相电压控制永磁同步电机。

通过采样电阻及芯片得到永磁同步电机的三相电流实际值ia、ib、ic及母线电压的实际值Udc。

永磁同步电机三相电流经过PARK，CLARK变换得到永磁同步电机的两相旋转电流id、iq。

通过永磁同步电机母线电压Udc得到两相旋转的电压ud、uq。

通过永磁同步电机两相旋转的电流反馈值id、iq、电压值ud、uq及相关电机参数，依据状态观测器和转速自适应率，得到电机转速的估计值

进一步地，依据电机转矩方程计算得到得到转矩的估计值依据转速的估计值得到位置角的估计值

将永磁同步电机转速给定值与估算的永磁同步电机反馈转速的差值进行iPI调节控制，得到转矩的给定值

将永磁同步电机转矩给定值与估算的永磁同步电机反馈转矩的差值进行iPI调节控制，得到交轴电流给定值并通过最大转矩电流比(MTPA)计算出直轴电流给定值

将永磁同步电机交轴电流给定值与永磁同步电机交轴电流反馈值iq的差值进行iPI调节控制，得到给定交轴电压uq；将永磁同步电机直轴电流给定值与永磁同步电机交轴电流反馈值id的差值进行iPI调节控制，得到给定直轴电压ud。

将永磁同步电机交轴电压给定值uq与直轴电压给定值ud通过IPARK变换得到两相静止电压uα、uβ。

通过两相静止电压uα、uβ进行空间电压矢量脉宽调制生成SVPWM调制波，控制逆变电路开关管的开通与关断，进而控制永磁同步电机。

永磁同步电机考虑失磁的两相旋转坐标系下的电流状态方程如下：

其中，

R为定子电阻，Ld为直轴电感，Lq为交轴电感，ψrd为直轴磁链分量，ψrq为交轴磁链分量。

永磁同步电机估算转矩方程如下：

其中，np为极对数，为磁链估计值。

永磁同步电机观测器方程如下：

其中，L为待设计的矩阵，为非奇异快速终端滑模观测器的控制输入量。

构建Lyapunov函数如下：

为非奇异快速终端滑模滑模面，m为待设计系数。

通过所述观测器及滑模等值原理可估算出磁链，并根据转速自适应率估算出转速进一步地计算出转矩估计值的估算式与位置角估计值。

本发明中的iPI指的是“intelligent”PI，一种智能PI控制器，能有效提升调试控制器的简便性。

在本发明中，图2是提供的电机控制流程，包括：

1)、通过采样电阻及芯片得到永磁同步电机的三相电流实际值ia、ib、ic及母线电压的实际值Udc。

2)、所述的永磁同步电机三相电流ia、ib、ic通过PARK，CLARK变换得到永磁同步电机的两相旋转电流id、iq。

3)、通过所述的永磁同步电机母线电压Udc得到两相旋转的电压ud、uq。

4)、通过所述的永磁同步电机旋转的两相电流值id、iq、电压值ud、uq及相关电机参数，依据观测器，得到磁链估计值，依据自适应率得到转速的估计值

5)、进一步地，计算获得转矩的估计值及位置角的估计值

6)、依据所述永磁同步电机转速的估计反馈值转矩的估计反馈值进行控制所述永磁同步电机。

在本发明中，如图3，包括：

依据观测器可获得磁链估计值。

将估计值与磁链额定值进行比较，判断磁链是否正常。

如果磁链正常，利用控制系统对电机正常控制，电机正常运行。

如果磁链失磁，则对系统进行示警，电机运行于故障状态。

磁链的估计值由状态观测器方程进行相关计算获得，磁链的额定值是由电机的出厂参数所决定，在电机的控制程序中，用相关程序语句将两个值进行比较大小。如果磁链的估计值在磁链额定值的上下某个范围内(即a为设定的一个正常数)，则判定磁链正常，如果小于这个范围，则判定磁链不正常，电机发生失磁。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。