一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法
【专利摘要】本发明公开了永磁电机领域内的一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法，以常规假定旋转坐标法为基础，结合模型电机法，采用滑模控制方法将估计转速直接作为控制量，再通过Lyapunov非线性设计法得到估计转速的自适应律，大大简化算法，提高系统响应速度快，同时能实现电机正反转，可用于永磁同步电机中。
【专利说明】
一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种永磁电机，特别涉及一种永磁同步电机。
【背景技术】
[0002] 在高性能永磁同步电机伺服系统中，通常需要安装速度传感器来反馈转速信号， 从而实现闭环控制。但是，随着对控制精度的要求越来越高，使用速度传感器所带来的成本 升高、安装困难、系统体积变大、无法适应恶劣环境等问题极大地制约了永磁同步电机的应 用。
[0003] 到目前为止，全世界的研究人员提出了很多无速度传感器的控制方法，大多是从 电机的数学模型角度出发来设计辨识算法，算法复杂、计算量大、无法实现电机的正反转控 制，而且没有考虑电力电子逆变器的死区时间对估计算法的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法，提高永磁同步 电机检测转速的精度。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法，包括 以下步骤：
[0006] 1)采集电机定子A相、B相电流和逆变器直流母线电压，并计算对应C相电流；
[0007] 2)将A相、B相和C相电流进行Clark变换，得到永磁同步电机定子电流在αβ坐标系 下的α轴分量和β轴分量；
[0008] 3)建立基于旋转坐标系的自适应滑模观测器；
[0009] 4)利用公式（1)求得考虑死区的电机估计转速的自适应律；
[0011] 其中，t=id -fd、（ 气为电流误差，RS为电机定子相电阻，1^为电机同步电感，如 为转子励磁磁链，k为滑模增益，ki为电流观测误差积分项系数，sig(x)为sigmoid函数，Δ Uq 为由于死区而损失的电机定子三相电压在dq坐标系下的q轴分量；
[0012] 5)对由公式(1)求得的估计转速积分，求得电机转子位置角的估计值；
[0013] 6)将转速设定值与估计转速相减，求得电机转速的差值，并作为转速外环PI控制 器的输入，求得电机定子电流在dq坐标系下d轴分量和q轴分量的设定值；
[0014] 7)利用电机转子位置角估计值，将电机定子电流在αβ坐标系下的α轴分量和β轴分 量进行Park变换，求得电机定子电流在dq坐标系下d轴分量和q轴分量的实际值；
[0015] 8)将电机定子电流在dq坐标系下d轴分量和q轴分量的实际值进行低通滤波，进行 Park反变换和Clark反变换，求得滤波后的A相、B相和C相电流；
[0016] 9)对滤波后的A相、B相和C相电流进行电流极性判断，并根据电流极性求得由于死 区而损失的定子三相电压；
[0017] 10)将损失的定子三相电压进行Clark变换和Park变换，求得损失的定子三相电压 在dq坐标系下d轴分量和q轴分量；
[0018] 11)将得到的电机定子电流在dq坐标系下d轴分量和q轴分量的设定值和实际值作 为内环电流控制器的输入，求得实际控制量在dq坐标系下d轴分量和q轴分量；
[0019] 12)将实际控制量在dq坐标系下d轴分量和q轴分量进行Park反变换，求得实际控 制量在邱坐标系下的*^分量和β轴分量；
[0020] 13)将实际控制量在αβ坐标系下的α轴分量和β轴分量进行SVPWM，求得六路PWM信 号；
[0021 ] 14)计算电机定子电流在dq坐标系下d轴分量和q轴分量的估计值，返回步骤1)，进 行循环控制。
[0022]作为本发明的进一步限定，步骤3)中基于旋转坐标系自适应滑模观测器中的模型 电机的数学模型满足公式(2);
[0024]其中，令为转子估计旋转角速度；ωτ为转子实际旋转角速度;Ud、Uq为定子电压在d 轴和q轴上的分量;id、iq为定子实际电流在d轴和q轴上的分量;ζ、ξ为定子估计电流在d轴 和q轴上的分量;如为转子励磁磁链；Α Θ为模型电机所在假定旋转坐标系和实际PMSM所在 dq坐标系之间的相位差;Rs为电机定子相电阻;Ls为电机同步电感；为逆变器死区 引起的ud、uq损失电压;u为模型电机的控制量，同时，将也看成模型电机的控制量。
[0025]作为本发明的进一步限定，步骤4)中的sigmoid函数满足公式(3);
[0027]其中，a为sigmoid 常数。
[0028] 作为本发明的进一步限定，步骤8)中的电流内环控制器采用Lyapunov直接法进 行设计，所选取的Lyapunov函数满足公式(4);
[0029]
[0030] 其中，L为积分系数，?为电流设定值在d轴上的分量，<为电流设定值在q轴上的分 量。
[0031] 作为本发明的进一步限定，步骤9)中的损失的定子三相电压满足公式(5);
[0033] 其中，Td为死去时间，Ts为P丽波周期，sign(x)为符号函数，iA、iB、ic为滤波后的A 相、B相和C相电流，ud。为逆变器直流侧母线电压。
[0034] 作为本发明的进一步限定，sign函数满足公式(6);
[0036]与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明利用考虑死区的基于旋转坐标 系的自适应滑模观测器来估计永磁同步电机的转速信息，以常规假定旋转坐标法为基础， 结合模型电机的电流控制，在dq坐标系中进行滑模辨识，再利用Lyapunov非线性控制设计 法直接得到估计转速的自适应律，电机电流控制采用Lyapunov法进行，保证全局收敛，在模 型电机中考虑了逆变器死区引起的电压变化，消除了存在死区时间情况下的相位辨识误 差，响应速度快，并能实现电机的正反转，提高了转速检测的精度。本发明可用于永磁同步 电机中。
【附图说明】
[0037]图1为本发明控制原理框图。
[0038]图2为本发明控制流程图。
[0039]图3为本发明工作时转速曲线图。
[0040]图4为本发明中转子位置角曲线图。
【具体实施方式】
[0041]下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
[0042 ] -种永磁同步电机的无速度传感器控制方法，包括以下步骤：
[0043] 1)设计自适应滑模观测器
[0044] 建立实际电机模型：
[0048]其中，％为转子估计旋转角速度；为转子实际旋转角速度;ud、Uq为定子电压在d 轴和q轴上的分量;id、iq为定子实际电流在d轴和q轴上的分量;〖、{为定子估计电流在d轴 和q轴上的分量;如为转子励磁磁链；Α Θ为模型电机所在假定旋转坐标系和实际所在dq坐 标系之间的相位差;Rs为电机定子相电阻;Ls为电机同步电感；为逆变器死区引起 的Ud、uq损失电压;U为模型电机的控制量，同时，将也看成模型电机的控制量。
[0049]用式(1)减去式(2)，如果两式中电机参数完全一致，得电流误差方程：
[0051] 其中，m <为电流误差，[0052] 为保证式(3)中的电流误差为0,引入电流观测误差积分项，取Lyapunov函数：
[0054]式中，1^为电流观测误差积分项系数。[0055] 对式(4)求导，得：
[0061 ] 式中，k为滑模增益。
[0062] 比较式（1 )和式（2 )，同时由式（3 )可知，当系统稳定时，id = 0、ξ = 0，且 油于引入了电流误差积分项，因此pddi = 0,式(7)中u的平均值将等于0， 从而Δ θ = 〇,两电机完全同步，此时，式(3)满足：
[0064] 于是，由式(8)可得估计转速的自适应律为：
[0065]
[0066] 则，估计转子位置角即为：
[0067] 0.. = J ?υ.? (. 1.1.):
[0068] 2)设计电流内环控制器
[0069] 整个控制系统的目标是使id收敛到设定值收敛到设定值iq%为消除稳态误 差，引入误差积分项，于是，定义Lyapunov函数：
[0070]
[0071] 由式(2)可知，若将^和^用来进行控制，由于ξ和ξ的状态方程中含有控制量，而控 制量采用滑模控制，因此，势必会将抖振引入控制器，影响控制器的稳定性。
[0072] 但是，一旦模型电机和实际PMSM完全同步，即&、ldPid、i q完全相同，那么，控制器 中的就可以用实际id、iq来代替，因此，式(12)定义的Lyapunov函数即变为：
[0073]
[0074] 其中，I为积分系数j为电流设定值在d轴上的分量，ζ为电流设定值在q轴上的分 量。
[0075]
[0076] 对式(13)求导，得：
[0077]
[0078] 由于两电机完全同步时，有Δ Θ = 〇、<&.=叫.，因此，式（1)变成：
[0079]
[0080] 将式(15)代入式(14)，得： 「00811
[0084] 其中，KP为比例系数。
[0085] 则，式(14)变为：
[0086] -if(1:8:)
[0087] 显然，当x辛0时J? S 〇，满足Lyapuno v意义下的稳定。同时，将式（17)变形可得到 实际控制律为：
[0088]
[0089]本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技 术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一 些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 采集电机定子A相、B相电流和逆变器直流母线电压，并计算对应C相电流； 2) 将A相、B相和C相电流进行Clark变换，得到永磁同步电机定子电流在αβ坐标系下的α 轴分量和β轴分量； 3) 建立基于旋转坐标系的自适应滑模观测器； 4) 利用公式(1)求得考虑死区的电机估计转速的自适应律；(I) 其中，4 = (-1、（ = ?-?为电流误差，id、iq为定子实际电流在d轴和q轴上的分量； 4、二 L为定子估计电流在d轴和q轴上的分量，Rs为电机定子相电阻，Ls为电机同步电感，为 转子励磁磁链，k为滑模增益，ki为电流观测误差积分项系数，sig(X)为sigmoid函数，Δ Uq为 由于死区而损失的电机定子三相电压在dq坐标系下的q轴分量； 5) 对由公式(1)求得的估计转速积分，求得电机转子位置角的估计值； 6) 将转速设定值与估计转速相减，求得电机转速的差值，并作为转速外环PI控制器的 输入，求得电机定子电流在dq坐标系下d轴分量和q轴分量的设定值； 7) 利用电机转子位置角估计值，将电机定子电流在αβ坐标系下的α轴分量和β轴分量进 行Park变换，求得电机定子电流在dq坐标系下d轴分量和q轴分量的实际值； 8) 将电机定子电流在dq坐标系下d轴分量和q轴分量的实际值进行低通滤波，进行Park 反变换和Clark反变换，求得滤波后的A相、B相和C相电流； 9) 对滤波后的A相、B相和C相电流进行电流极性判断，并根据电流极性求得由于死区而 损失的定子三相电压； 10) 将损失的定子三相电压进行Clark变换和Park变换，求得损失的定子三相电压在dq 坐标系下d轴分量和q轴分量； 11) 将得到的电机定子电流在dq坐标系下d轴分量和q轴分量的设定值和实际值作为内 环电流控制器的输入，求得实际控制量在dq坐标系下d轴分量和q轴分量； 12) 将实际控制量在dq坐标系下d轴分量和q轴分量进行Park反变换，求得实际控制量 在αβ坐标系下的α轴分量和β轴分量； 13) 将实际控制量在αβ坐标系下的α轴分量和轴分量进行SVPWM，求得六路PffM信号； 14) 计算电机定子电流在dq坐标系下d轴分量和q轴分量的估计值，返回步骤1 )，进行循 环控制。2. 根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法，其特征在于，步 骤3)中基于旋转坐标系自适应滑模观测器中的模型电机的数学模型满足公式(2);其中，令为转子估计旋转角速度；为转子实际旋转角速度;Ud、Uq为定子电压在d轴和q 轴上的分量；id、iq为定子实际电流在d轴和q轴上的分量；?；、I为定子估计电流在d轴和q 轴上的分量;如为转子励磁磁链；A Θ为模型电机所在假定旋转坐标系和实际PMSM所在dq坐 标系之间的相位差;Rs为电机定子相电阻;L s为电机同步电感；AutKAuq为逆变器死区引起 的Ud、uq损失电压;u为模型电机的控制量，同时，将也看成模型电机的控制量。3. 根据权利要求1或2所述的一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法，其特征在 于，步骤4)中的sigmoid函数满足公式(3);(3) 其中，a为sigmoid常数。4. 根据权利要求1或2所述的一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法，其特征在 于，步骤8)中的电流内环控制器采用Lyapunov直接法进行设计，所选取的Lyapunov函数满 足公式(4);C4) 其中，K1为积分系数，ζ为电流设定值在d轴上的分量，ζ为电流 设定值在q轴上的分量。5. 根据权利要求1或2所述的一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法，其特征在 于，步骤9)中的损失的定子三相电压满足公式(5);(5) 其中，Td为死去时间，TAPffM波周期，S i gn (X)为符号函数，iA、iB、ic为滤波后的A相、B相 和C相电流，ud。为逆变器直流侧母线电压。6. 根据权利要求5所述的一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法，其特征在于， sign函数满足公式(6);(6) 0
【文档编号】H02P21/18GK106026834SQ201610620917
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】史旺旺, 杜佳玮
【申请人】扬州大学