永磁同步电机转子位置角度的控制方法及控制系统与流程

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机转子位置角度的控制方法及控制系统。

背景技术：

交流永磁同步电机由于其高效的能量利用率、优良的机械性能等优点，在工业控制、航空航天等诸多领域获得了广泛的应用。永磁同步电机通常采用矢量控制的方式，该方式需要时刻检测转子位置角度用于运算控制，转子位置角度一般采用机械式位置传感器获得，但机械传感器的存在增加了电机的体积和成本，降低了系统的可靠性，也限制了在一些特殊场合的推广应用。

而且现有的逻辑控制中主要依靠软件进行保护，当软件出现问题时则容易产生此生灾害。

滑模观测器是一种利用电机定子参数、电流电压等电气信息，观测电机反电势，通过反电势得到电机转子位置角度的软件算法，该算法具有鲁棒性强、控制简单、易于工程实现的优点。由于滑模观测器中存在抖振现象，需要对观测结果进行低通滤波才可得到反电势，但在消除抖振的同时，被观测信号也将产生相位滞后，影响了检测精度，。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种永磁同步电机转子位置角度的控制系统。

本发明的另一个目的是，提供一种永磁同步电机转子位置角度的控制系统的控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种永磁同步电机转子位置角度的控制方法，包括以下步骤，

建立滑模模型，得到位置角估计方程

式中为估算的电机α、β轴反电势；

za,zβ为α、β轴滑模等效控制函数；

为估算的电机转子位置角；

ωc为低通滤波器的截止频率。

在上述技术方案中，还包括对上述位置角进行偏移角补偿的步骤，所述的偏移角计算方法为采用速度参考值ω^*代替实际速度ω，截止频率ωc选择速度参考值ω^*的n倍。

在上述技术方案中，若速度参考值ω^*远大于当前速度ω，采用分段策略逐步使当前速度ω接近速度参考值ω^*；使速度参考值与当前速度值保持一定差值，直到与最终参考值ω^*一致。

在上述技术方案中，永磁同步电机采用无传感器控制方式时，当电机转速达到一定转速ωq时，需要切换到转速电流双闭环的方式，在控制方式切换前，滤波器截止频率固定为切换速度ωq的n倍。

在上述技术方案中，转速达到其额定转速20％以上时再进行所述的偏移角补偿。

在上述技术方案中，pmsm在α-β坐标系下的电压方程表示为：

式中is为定子电流，is＝(iα,iβ)^t；

us为定子电压，us＝(uα,uβ)^t；

es为电机反电动势，es＝(eα,eβ)^t；

a为系数矩阵，a＝(-rs/ls)i；

b为系数矩阵，b＝(1/ls)i；

i为单位矩阵；

rs为定子电阻；

ls为定子电感；

由于pmsm的电气时间常数非常小，把反电势看成系统的扰动量，得到的滑模观测器方程如下：

式中为定子电流估计值，

k为k＝k.i，其中k为滑模增益；

式(1)、(2)相减便可获得电机的电流观测误差方程:

式中为滑模平面；

如果满足条件s^t.s＜0，则观测器将进入滑模状态，此时有定义等效控制：

为保证式(4)的收敛性，滑模增益k需满足k＞max(|eα|,|eβ|)；

由于z变量中含有反电动势信息，对其滤波后再反正切变换便可获得位置角的估计值。

在上述技术方案中，包括整流桥、逆变桥、pwm驱动模块，控制板，输出与控制板电连接的用以检测整流桥输出电压的直流电压检测电路，输出与控制板电连接的用以检测永磁同步电机定子电流的电流检测电路，以及与所述的直流电压检测电路的输出及电流检测电路的输出连接的保护电路，所述的保护电路的输出分别与控制板和pwm驱动模块连接。

在上述技术方案中，所述的整流桥的正极输出串接充电电阻后接入三相逆变桥的输入端，在所述的充电电阻上并接有直流接触器，所述的直流接触器由控制板驱动导通或断开。

在上述技术方案中，电压采样模块用以采集整流器输出电压，其包括正极和负极输入端与电压采集端的第一运算放大器、所述的第一运算放大器的输出经信号调整单元后连接至信号处理模块，同时，所述的第一运算放大器的输出经电阻r4与输入端连接；电流采样模块用以采集整流器输出电流，其包括设置在负极输出的互感器，正极和负极对应与所述的互感器两端对应电连接的第二运算放大器、同时，所述的第二运算放大器的输出经电阻r8与输入端连接，所述的第二运算放大器的输出经电阻r10后接入第三运算放大器的正极，所述的第三运算放大器的输出与负极连通，所述的第三运算放大器的输出经信号调整单元后连接至信号处理模块，所述的信号调整单元包括两个依次正极和负极连通的二极管，所述的二极管的负极接正电压，正极接地，所述的第一运算放大器或第三运算放大器的输出与两二极管间电连通。

在上述技术方案中，所述的保护信号电路包括正极分别所述的第一运算放大器或第三运算放大器的输出的比较器，所述的负极分别与参考电压和参考电流连接，两输入端与所述的两个比较器的输出连接的与或门，以及与所述的与或门的输出连接的反相器，所述的反相器的输出端连接至pwm驱动模块。

在上述技术方案中，所述的主保护电路包括基极与所述的反相器的输出端的三极管，所述的三极管的发射极接地，继电极串联对应线圈后接正电源，以及与所述的线圈并接且负极与正电源连接的二极管。

本发明的优点和有益效果为：

根据前文所述的改进滑模观测器方法，本发明利用dsp28335控制板进行了软件编程，实现了上述控制算法,并进行了电机试验，试验结果表明，采用改进的滑模观测器算法有效提高了转子位置角度的检测精度，变频器的功率因数也得到了进一步的提高。

通过采集永磁同步电机定子电流信号，可以有效进行转子位置的计算，实现无传感器设置，而且，在采集电流和电压后输入保护电路，利用硬件上实现额外的保护，其中，保护电路10与控制器电连接或者将保护信号直接输入到pwm驱动模块9中，控制pwm信号的使能，一旦出现故障信号，便直接封锁pwm信号，实现硬件保护功能，采用直接驱动的方式，减少控制板故障干扰中断的可能。

附图说明

图1为永磁同步电机控制系统结构图；

图2为二极管整流桥内部结构图；

图3为三相逆变桥内部结构图；

图4为直流电压采集电路图；

图5为电流采集电路图；

图6为保护电路图；

图7改进滑模观测器算法流程图。

其中：

1、三相交流电源2、二极管整流器

3、三相逆变桥4、永磁同步电机

5、触摸屏6、dsp控制板

7、直流电压检测电路8、电流检测电路

9、pwm驱动模块10、保护电路

11、充电电阻12、直流接触器

13、母线电容14、第一运算放大器

15、第二运算放大器16、第三运算放大器

17、比较器18、比较器

19、或门20、反相器

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，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

一种永磁同步电机转子位置角度的控制系统，包括输入端与三相交流电1的uvw三相对应接通的整流桥2、以及输出端abc三相与永磁同步电机4对应连通的三相逆变桥3，以及pwm驱动模块9和dsp控制板9，以及分别与控制板电连接的用以检测整流桥输出电压的直流电压检测电路7，用以检测永磁同步电机定子电流的电流检测电路8，以及保护电路10，所述的保护电路10的输入接所述的直流电压检测电路的输出及电流检测电路的输出，所述的保护电路的输出分别与控制板和pwm驱动模块连接。

通过采集永磁同步电机定子电流信号，可以有效进行转子位置的计算，实现无传感器设置，而且，在采集电流和电压后输入保护电路，利用硬件上实现额外的保护，其中，保护电路10与控制器电连接或者将保护信号直接输入到pwm驱动模块9中，控制pwm信号的使能，一旦出现故障信号，便直接封锁pwm信号，实现硬件保护功能，采用直接驱动的方式，减少控制板故障干扰中断的可能。

所述的整流桥的正极输出串接充电电阻11后接入三相逆变桥的输入端，所述的直流接触器12由控制板6的输出驱动导通或断开。本发明充电电阻在控制系统上电时就已经串接在充电回路里，只有在电容电压达到设定值，充电完毕后，控制器即控制板会发出信号让直流接触器12闭合，将充电电阻短接。充电电阻是控制系统充电电路不可或缺的一部分，防止充电时过流损坏系统器件，尤其适用于大转动惯量的永磁同步电机驱动.

其中，pwm驱动模块选用塞米控公司的skhi22ah4r模块，该模块集成驱动和保护电路功能，外围电路简单，无需光耦或变压器隔离，可直接将dsp的pwm信号连接到功率模块，方便应用。

图2为二极管整流桥的内部结构图，具体连接方式如下：二极管整流桥2由六个二极管d1-d6组成，上桥臂的二极管为d1、d3、d5，下桥臂的二极管为d2、d4、d6，其中二极管d1的正极与二极管d2的负极连接构成一个桥臂，二极管d3的正极与二极管d4的负极连接构成一个桥臂，二极管d5的正极与二极管d6的负极连接构成一个桥臂。

图3为三相逆变桥的内部结构图，具体连接方式如下：三相逆变桥3由六个可控硅q1-q6组成，上桥臂由可控硅q1、q3、q5组成，下桥臂由可控硅q2、q4、q6组成，其中可控硅q1的发射极与可控硅q2的集电极连接构成一个桥臂，可控硅q3的发射极与可控硅q4的集电极连接构成一个桥臂，可控硅q5的发射极与可控硅q6的集电极连接构成一个桥臂。

具体地，主电路中二极管整流桥2为将交流电转换为直流电，充电电阻11和直流接触器12在充电时防止电流过流，母线电容13用于稳定直流电压，三相逆变桥3用于永磁同步电机4的矢量控制实现。二极管整流桥2的4端即正极输出端与充电电阻11、直流接触器12的一端连接，二极管整流桥2的5端即负极输出端与母线电容13的负极、三相逆变桥3的2端连接。充电电阻11、直流接触器12的另一端与母线电容13的正极以及三相逆变桥3的1端连接，三相逆变桥3的3、4、5端与永磁同步电机4的a、b、c相连接。

控制板，如dsp控制板6电连接以实现对应电连接。其中dsp控制板6是系统的控制核心，用于电压电流信号的采集、pwm信号输出(脉冲宽度调制)、电机控制算法和保护功能以及人机通讯等功能的实现。

还包括与dsp控制器通讯的触摸屏5，触摸屏5主要用于实现永磁同步电机参数的显示和调节功能。所述的触摸屏5选用北京昆仑通态公司的7寸触摸屏，型号为tpc7062k，触摸屏由24v直流电源供电，采用rs232方式与dsp通讯，集成了液晶显示屏、触摸面板、控制及数据存储等单元。软件分为运行环境画面组态软件和数据通讯协议，两者采用mcgs嵌入版组态软件及其脚本驱动开发工具进行编写。

其中，保护电路10与控制器电连接或者将保护信号输入到pwm驱动模块9中，控制pwm信号的使能，一旦出现故障信号，便直接封锁pwm信号，实现硬件保护功能，采用直接驱动的方式，减少控制板故障干扰中断的可能。

实施例二

本发明的直流电压检测电路7用以采集整流器输出电压，其包括正极和负极输入端与电压采集端的第一运算放大器14、所述的第一运算放大器14的输出经电阻r5后再经信号调整单元后连接至信号处理模块，同时，所述的第一运算放大器的输出经电阻r4与输入端连接，并在电阻r4上并接有电容c2。同时，在第一运算放大器的正极输入端经电容c1后接地，同时，与所述的电容c1并联地还设置有电阻r3。

电流检测电路用以采集电机定子电流，其包括设置在定子上的传感器，正极和负极对应与所述的传感器两端对应电连接的第二运算放大器15、同时，所述的第二运算放大器的输出经电阻r8与输入端连接，同时电阻r8并联有电容c5，所述的第二运算放大器的输出经电阻r10后接入第三运算放大器16的正极，所述的第三运算放大器的正极经电阻r11后接地，所述的第三运算放大器的输出与负极连通，所述的第三运算放大器的输出经信号调整单元后连接至信号处理模块。其中，所述的信号调整单元包括两个依次正极和负极连通的二极管d8和d7，或者d9和d10，所述的二极管d8或d9的负极接正电压，二极管d9或d10的正极接地，所述的第一运算放大器或第三运算放大器的输出与两二极管间电连通并输出至控制板，同时在接地侧的二极管d7或d10上还并接有电容或c3或c6。

所述的保护电路10包括两个正极分别所述的第一运算放大器或第三运算放大器的输出的比较器17、18，两个所述的比较器17、18的负极分别与参考电压和参考电流连接，两输入端与所述的两个比较器的输出连接的与或门19，以及与所述的与或门的输出连接的反相器20，所述的反相器的输出端连接至pwm驱动模块，同时在pwm驱动模块输入端设置有嵌位电阻r12。

为实现直流接触器的动作，可由控制板直接驱动其线圈，控制板输出的线圈驱动电路包括基极经电阻与所述的输出端连通的三极管，所述的三极管的发射极接地，集电极串联对应线圈后接正电源，以及与所述的线圈并接且负极与正电源连接的二极管。

具体地，电阻r1连接反馈电压volinput1端口，另一端与电阻r4、电容c2以及运算放大器14的负端连接，电阻r4、电容c2的另一端与运算放大器14的输出端连接。电阻r2连接反馈电压volinput2端口，另一端与电阻r3、电容c1以及运算放大器14的正端连接，电阻r3、电容c1的另一端与agnd连接。电阻r5的一端与运算放大器14的输出端连接，另一端与电容c3、二极管d7的负极、二极管d8的正极连接。电容c3的另一端、二极管d7的正极与agnd连接，二极管d8的负极与3.3v连接，电压输出信号与二极管d8的正极、二极管d7的负极连接。

图5为电流检测电路图，具体连接关系如下：

电阻r6连接反馈电流curinput1端口，另一端与电阻r8、电容c5以及运算放大器15的负端连接，电阻r8、电容c5的另一端与运算放大器15的输出端连接。电阻r7连接反馈电流curinput2端口，另一端与电阻r9、电容c4以及运算放大器15的正端连接，电阻r9、电容c4的另一端与agnd连接。电阻r10的一端与运算放大器15的输出端连接，另一端与电阻r11、运算放大器16的正端连接，电阻r11的一端与3.3v连接，另一端与运算放大器16的正端连接。运算放大器16的负端与其输出端连接，运算放大器16的输出端与电容c6、二极管d10的负极、二极管d9的正极连接。电容c6的另一端、二极管d10的正极与agnd连接，二极管d9的负极与3.3v连接，电流输出信号与二极管d9的正极、二极管d10的负极连接。

图6为保护电路图，其连接关系如下：

比较器17的负端与反馈电流curfk端口，正端与3.3v连接，输出端和或门19的1脚连接，比较器18的负端与反馈电压volfk端口，正端与3.3v连接，输出端和或门19的2脚连接，或门19的输出端与反相器20的输入端连接，反相器20的输出端与电阻r12、保护信号pro连接，电阻r12的零一端与3.3v连接。

实施例三

(1)滑模观测器的构造原理

pmsm在α-β坐标系下的电压方程可以表示为：

式中is为定子电流，is＝(iα,iβ)^t；

us为定子电压，us＝(uα,uβ)^t；

es为电机反电动势，es＝(eα,eβ)^t；

a为系数矩阵，a＝(-rs/ls)i；

b为系数矩阵，b＝(1/ls)i；

i为单位矩阵；

rs为定子电阻；

ls为定子电感。

由于pmsm的电气时间常数非常小，把反电势看成系统的扰动量，得到的滑模观测器方程如下：

式中为定子电流估计值，

k为k＝k.i，其中k为滑模增益。

式(1)、(2)相减便可获得电机的电流观测误差方程:

式中为滑模平面。

如果满足条件s^t.s＜0，则观测器将进入滑模状态，此时有定义等效控制：

为保证式(4)的收敛性，滑模增益k需满足k＞max(|eα|,|eβ|)。

由于z变量中含有反电动势信息，对其滤波后再反正切变换便可获得位置角的估计值：

式中为估算的电机α、β轴反电势；

za,zβ为α、β轴滑模等效控制函数；

为估算的电机转子位置角；

ωc为低通滤波器的截止频率。

(2)补偿方法

由于采用低通滤波器来获取反电势，引入了相位延迟，相位延迟与低通滤波器截止频率有关，截止频率越低，相位延迟越大，因此需要对相位延迟进行一定补偿，补偿方法通常为两种：

①当低通滤波器的截止频率ωc为固定值时，根据实际运行速度ω计算出相应的偏移角δθ，对进行补偿得到转子位置角估算值θ：

②低通滤波器的截止频率ωc不采用固定值时，其值一般选择为实际运行速度ω的n倍(n值一般取2～5，如3)，由于n值为常数，因此补偿角度δθ为固定值，再根据式(7)得到转子位置角度估算值θ。

上述两种方法中，方法1中由于截止频率固定，当电机处于中低速时补偿效果不明显，因此多采用2中变截止频率的方法，不过两种方法都用实际速度计算补偿值，而采用无位置算法时实际速度的计算值容易受到影响，特别是在电机控制方式切换时，一旦补偿角度计算偏差较大，转子位置角度不准确，会严重影响电机运行，甚至导致保护停机，为此在方法2的基础上进行了以下改进：

(1)计算偏移角时，采用速度参考值ω^*代替实际速度ω，截止频率ωc选择速度参考值ω^*的n倍。

①若速度参考值ω^*远大于当前速度ω，采用分段策略，使速度参考值与当前速度值保持一定差值，直到与最终参考值ω^*一致；

分段策略：若速度参考值ω^*远大于当前速度ω，截止频率ωc不再选择最终速度参考值ω^*的n倍，而是选择与当前转速ω保持一定差值δω的速度参考值的n倍，其中当电机实际转速达到时，若速度依然远小于ω^*，截止频率ωc选择与当前转速保持一定差值δω的速度参考值的n倍，其中以此类推，直到电机转速达到最终设定转速ω^*，截止频率ωc再选择ω^*的n倍。差值δω为设定值。即若速度参考值ω^*远大于当前速度ω，通过阶梯递增的形式逐步提高截止频率ωc，直到其达到速度参考值ω^*的n倍。

其中，根据滑模观测器估算的角度值，对角度值微分后滤波便可得到电机的当前转速速度ω，并与速度参考值ω^*做比较。速度参考值由试验人员通过外部(触摸屏)进行输入设定。

②永磁同步电机采用无传感器控制方式时，当电机转速达到一定转速ωq时，需要切换到转速电流双闭环的方式，因此在控制方式切换前，滤波器截止频率固定为切换速度ωq的n倍。由于切换转速ωq一般为额定转速的10％，通常在电机启动后至切换前这段转速区间内，滤波器截止频率固定为切换速度ωq的n倍，不跟随转速变化而进行调整。

(2)补偿策略方面：永磁同步电机处于中低速时，其反电动势较小，滑模观测器计算不太准确，此时进行偏移角度补偿效果不佳，在电机完成控制方式切换后，转速达到其额定转速20％以上时再进行偏移角补偿效果最佳。

根据前文所述的改进滑模观测器方法，本发明利用dsp28335控制板进行了软件编程，实现了上述控制算法,并进行了电机试验，试验结果表明，采用改进的滑模观测器算法有效提高了转子位置角度的检测精度，变频器的功率因数也得到了进一步的提高。

第四实施例

图7为改进滑模观测器算法流程图，控制算法采用c语言编写在dsp控制板6中运行，图7中(a)为主程序流程图，(b)为定时器中断子程序流程图，定时器中断子程序在主程序中执行，主要完成大转动惯量控制及转速电流双环的矢量控制算法，具体实施方式如下：

主程序具体实施方式如下：

(ⅰ)开始

程序开始，从主程序入口，s1；

(ⅱ)初始化

进行dsp的初始化，完成dsp外设时钟、看门狗、io口(输入输出)以及中断向量表的初始化工作，s2；

(ⅲ)配置寄存器

配置定时器、pwm寄存器、sci寄存器以及中断寄存器，并使能相关中断功能，s3；

(ⅳ)初始化软件参数

初始化定时器、pwm占空比、延时时间、rs232通讯软件等相关参数，s4；

(ⅴ)循环等待

进入主循环，等待定时器中断发生，s5；

(ⅵ)执行中断程序并返回

执行定时器中断子程序，完成后返回主程序，循环等待，s6。

定时器中断子程序具体实施方式如下：

(ⅰ)中断开始

发生定时中断，进入定时器中断程序，s7；

(ⅱ)是否已启动

判断电机是否启动，若已经启动，执行改进滑模观测器算法，否则进入电机定位启动程序，s8；

(ⅲ)电机定位启动

进入电机启动程序后，首先对电机定子绕组通一个足够大的直流电流，使转子定位到给定初始位置，完成电机的预定位，采用i-f控制方式启动，将电机带到设定的切换转速，s9；

(ⅳ)改进滑模观测器

执行滑模观测器算法，计算电机的转子位置角度，并根据当前转速和设定转速参考值，计算补偿角度值，并执行相应的补偿策略，s10；

(ⅴ)是否可以切换

判断电机是否达到设定的切换转速，若满足条件，则执行电机切换策略，否则中断完成返回主程序，等待电机到达设定转速，s11；

(ⅵ)电机切换控制

电机达到设定转速后，执行电机切换策略，切换至转速电流双闭环的矢量控制方式，s12；

(ⅶ)电机双闭环运行

进行矢量坐标变换，执行电机空间矢量控制算法，保证电机切换后或正常运行时都处于转速电流双闭环的矢量控制方式下，s13；

(ⅷ)中断完成返回主程序

完成电机运行控制算法，中断完成返回主程序，s14。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。