改进型模型参考自适应和复矢量解耦的高速电机控制方法

1.本发明涉及了一种高速永磁同步电机控制方法，尤其是涉及了一种基于改 进型模型参考自适应和电流环复矢量解耦的高速永磁同步电机控制方法。


背景技术：

2.高速永磁同步电机具有体积小，功率密度高，效率高以及良好的调速性能 等优点，因而被广泛应用于一些高精度、高动态响应的场合。在控制永磁电机 的过程中，最关键的就是精确的反馈转子位置信息，在传统调速系统中，一般 是利用硬件上的位置传感器来获取电机的估算转速以及位置，但是安装位置传 感器会增加成本和体积，对于应用场合也具有一定的限制，因此研究无位置传 感技术具有很大的使用价值和意义。
3.为了获得转子位置以及估算转速，传统的方法是将波波夫超稳定性原理作 为转速自适应律构造的基础，通过建立一个除了估算转速以外与参考模型一致 的可调模型，再将相同的u
d
、u
q
送入参考模型和可调模型，得到i
d
、i
q
的实际值 与估计值，然后根据自适应律的调节使实际值与估计值的偏差减小到零，从而 可调模型的输出可以跟踪原参考模型。
4.所述的u
d
、u
q
分别为定子d
‑
q坐标系下的电压矢量。
5.为了能够更准确的估算转速，将可调模型的定子电阻也作为待辨识项，根 据推算出的电阻自适应律，观测到定子电阻的变化规律，再将其作为可调模型 反馈项，实时调整可调模型，从而保证估算转速估算精确性。
6.但是传统pi调节器设计前提是忽略不计电流环耦合问题，而在高速电机运 行过程中，速度会达到几万转，这就会使d
‑
q坐标系下电压方程中的耦合项ω
e
l
s
i
q
和ω
e
l
s
i
d
比重增大，会使d、q轴电流相互耦合，影响电机动态响应性能。为解 决这一问题，在工程应用中通常有以下两种解决方式：为减少耦合对电流环的 影响，可以通过合理的选择pi控制器中的参数k
p
和k
i
，提高控制系统的带宽， 改善电流环的控制性能；另外可以通过改进传统pi控制器，增加解耦环节，实 现d、q轴电流独立控制，提高电流环调节能力。但是由于系统的带宽和开关频 率相关，当开关频率比较低时，控制器的带宽受限，方法一对电流环性能的改 进不明显。因此采用方法二中的电压解耦环节对控制器d、q轴进行解耦，使其 能够实现独立控制。
7.所述的i
d
、i
q
分别为高速永磁同步电机定子d、q轴实际电流；l
s
为定子绕组 电感；ω
e
为高速永磁同步电机的电角速度。


技术实现要素：

8.为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于改进型模 型参考自适应和电流环复矢量解耦的高速永磁同步电机控制方法，既能实现高 速永磁电机的无位置传感控制，又能改善系统的动态响应能力，对于系统鲁棒 性与抗干扰能力具有很大的提升。
9.本发明的技术方案如下：
10.本发明的高速永磁同步电机实时控制过程中，初始的估算转速为零，初始 的定子电阻估算值设置为电机自身原始的电阻值，d
‑
q坐标系下定子的初始的d 轴电流为零；具体步骤如下：
11.1)将d
‑
q坐标系下的定子电压、估算转速和定子电阻估算值输入参考模型 与包含待辨识转速的可调模型，获得d
‑
q坐标系下的定子实际电流和定子估算电 流；
12.2)通过转速自适应律以及电阻自适应律对定子估算电流和定子实际电流进 行处理得到估算转速和定子电阻估算值，并根据估算转速进行积分获得转子位 置；
13.3)将步骤2)获得的更新后的估算转速和定子电阻估算值反馈回到可调模 型，以实时校正可调模型保证估算转速估算准确性；同时将步骤2)获得的估算 转速以及转子位置输入到矢量控制系统的复矢量解耦电流pi调节器中，更新获 得更新后的d
‑
q坐标系下的定子电压；再将更新后的d
‑
q坐标系下的定子电压反 馈回到可调模型和参考模型，重新处理获得定子估算电流和定子实际电流。
14.所述步骤1)中，具体地：将d
‑
q坐标系下的定子电压输入参考模型，参考 模型输出d
‑
q坐标系下的定子实际电流；将d
‑
q坐标系下的定子电压、估算转速 和定子电阻估算值输入包含待辨识转速的可调模型，可调模型输出d
‑
q坐标系下 的定子估算电流。
15.所述步骤2)中，具体地：将定子估算电流和定子实际电流输入转速自适应 律处理获得更新后的估算转速；将定子估算电流和定子实际电流输入自行设定 的电阻自适应律处理获得更新后的定子电阻估算值。
16.所述的转速自适应律中，先根据定子估算电流和定子实际电流处理得到估 算转速的偏差值，然后将估算转速的偏差值输入转速自适应pi调节器中，利用 比例系数k
p
和积分系数k
i
调节得到估算转速，将估算转速作为反馈转速输入矢 量控制系统和可调模型中。
17.所述的矢量控制系统包括转速环和电流环，电流环采用复矢量解耦电流pi 调节器，转速环输入预设固定的估算转速减去反馈转速的差值，处理获得q轴电 流的给定值；
18.电流环包含了q轴电流环和d轴电流环，将q轴电流的给定值和q轴电流的反 馈值之间的差值输入到q轴电流环处理获得q轴的定子电压，将d轴电流的零电 流和d轴电流的反馈值之间的差值输入到d轴电流环处理获得d轴的定子电压，由 d轴的定子电压和q轴的定子电压组成了d
‑
q坐标系下的定子电压；
19.上述q轴电流的反馈值和d轴电流的反馈值均是通过三相电流采集得到后经 坐标变换得到。
20.其中在d轴电流环的积分环节中相加上在q轴电流环的积分环节 中相加上同时在q轴电流环输出的量上相加上高速永磁同步电机的扩 展反电动势后输出得到q轴的定子电压u
q
；其中， k
p
为比例环节系数；δi
q
为q轴电流的给定值和q轴电流的反馈值之间的差值，δi
d
为d轴电流的给定值和d轴电流的反馈值之间的差值，为估算转速，表示高 速永磁同步电机永磁体磁链，l
d
为定子d轴电感，l
q
为定子q轴电感，t为时刻， i
d
为d轴实际电流，i
q
为q轴实际电流。
21.所述的电阻自适应律中先根据定子估算电流和定子实际电流处理得到估算 电阻的偏差值ε2：
[0022][0023]
其中，分别为d
‑
q坐标系下的d轴和q轴的定子估算电流，i
d
为高速永 磁同步电机d轴的定子实际电流，i
q
为高速永磁同步电机q轴的定子实际电流；
[0024]
然后将估算电阻的偏差值ε输入定子电阻自适应pi调节器中，利用比例系数 k
p
和积分系数k
i
调节得到定子电阻估算值，将定子电阻估算值作为反馈定子电 阻输入可调模型中。
[0025]
所述的d
‑
q坐标系中，d轴方向为转子磁链方向，q轴落后d轴90度。
[0026]
本发明的有益效果：
[0027]
结合模型参考自适应和复矢量解耦技术，实现高速电机无位置传感控制， 且改善了电流环动态响应能力，估算转速及转子位置完全由电机电压电流计算 得到，同时也作为解耦因子，因此抗干扰能力强，鲁棒性好。
[0028]
本发明推算出基于波波夫超稳定性的定子电阻辨识自适应律，通过pi的调 节观测到定子电阻，从而实时校正可调模型，保证估算转速估算的准确性。
附图说明
[0029]
图1是整体控制框图；
[0030]
图2是定子电阻辨识自适应律的示意图；
[0031]
图3是复矢量解耦电流环pi的示意图；图4是估算转速与实际估算转速曲线示意图；图5是估算转子位置角与实际转子位置角之差示意图；图6是估算定子电阻在电机运行中的变化规律示意图；图7是定子q轴解耦前后的电流波形图示意图。
具体实施方式
[0032]
本发明的技术方案应用于三相逆变器驱动的带风机负载表贴式高速永磁同 步电机，整体控制框图如图1所示。
[0033]
本发明的实施例及其实施过程如下：
[0034]
电流复矢量解耦pi控制器的输出为定子电压矢量d
‑
q轴分量的参考值，因为 在线性调制区内，并且载波频率比较高，可认为实际的定子电压矢量的d
‑
q轴分 量就是这个电压参考值。
[0035]
高速永磁同步电机实时控制过程中，初始的估算转速为零，初始的定子电 阻估算值设置为电机自身原始的电阻值，d
‑
q坐标系下定子的初始的d轴电流为 零；具体实施中，参考模型采用实际的电机模型。
[0036]
首先，将采集得到的d
‑
q坐标系下的定子电压、估算转速和定子电阻估算值 输入参考模型与包含待辨识转速的可调模型。实际的电机模型由于电压启动， 输出定子三相电流，采集定子三相电流，通过对定子三相电流进行帕克变换得 到d
‑
q坐标系下d轴的定子实际电流i
d
和q轴的定子实际电流i
q
。将d
‑
q坐标系 下的定子电压、估算转速和定子电阻估算值输入包含待辨识转速的可调模型， 可调模型直接输出d
‑
q坐标系下d轴的定子估算电流
和q轴的定子估算电流
[0037][0038]
其中，分别为d
‑
q坐标系下的d轴的定子估算电流和q轴的定子估算 电流，u
d
、u
q
分别为d
‑
q坐标系下的d轴的定子实际电压和q轴的定子实际电压， 为定子电阻估算值，l
s
为定子绕组电感，为高速永磁同步电机的电角速度， 即为估算转速，t表示时刻，表示永磁体磁链。
[0039]
将d轴的定子实际电流i
d
和q轴的定子实际电流i
q
分别作为复矢量解耦电流 pi调节器的q轴电流的反馈值和d轴电流的反馈值，同时将d轴的定子实际电 流i
d
和q轴的定子实际电流i
q
以及d轴的定子估算电流和q轴的定子估算电流 输入转速自适应律中，利用下式处理得到估算转速的偏差值ε1：
[0040][0041]
然后将估算转速的偏差值输入转速自适应pi调节器中。由于可调模型需要 估算转速作为旋转电动势项，因此在将估算转速作为转速环的反馈的同时，也 要送入可调模型中参与生成d轴的定子估算电流和q轴的定子估算电流
[0042]
然后将估算转速进行积分得到电机转子估算位置角，电机转子估算位置角 作为矢量控制系统中帕克变换与帕克反变换的参考位置，获得转子位置。
[0043]
一方面，将获得的更新后的估算转速和定子电阻估算值反馈回到可调模型， 以实时校正可调模型保证估算转速估算准确性；另一方面，同时将获得的估算 转速以及转子位置输入到矢量控制系统的复矢量解耦电流pi调节器中，更新获 得更新后的d
‑
q坐标系下的定子电压；再将更新后的d
‑
q坐标系下的定子电压反 馈回到可调模型和参考模型，重新处理获得定子估算电流和定子实际电流，最 终实现电流环d
‑
q坐标系下的解耦，从而改善系统动态响应性能。
[0044]
本发明所述的高速是指超过一万转/分钟以上。
[0045]
本发明通过结合模型参考自适应参数辨识与电流复矢量解耦，避免了位置 编码器带来的成本以及抗干扰问题，同时也削减了高速电机带来的电流环耦合 严重问题，具有良好的动态响应。
[0046]
如图2所示电阻自适应律中，将d轴的定子实际电流i
d
和q轴的定子实际电 流i
q
以及d轴的定子估算电流和q轴的定子估算电流输入电阻自适应律中，利 用下式处理得到估算电阻的偏差值ε2：
[0047]
[0048]
然后将估算电阻的偏差值ε2输入定子电阻自适应pi调节器中估计得到定子 电阻估算值。由于可调模型中含有定子电阻，因此也要将定子电阻估算值送入 可调模型中，参与生成d轴的定子估算电流和q轴的定子估算电流
[0049]
预设固定的估算转速与估算转速做差，并输入至复矢量解耦电流pi调节器 中，得到q轴电流的给定值由于本发明采用i
d
＝0控制，因此d轴电流的给定 值q轴电流的给定值与q轴电流的反馈值做差得到q轴差值δi
q
，d轴 电流的给定值与d轴电流的反馈值做差得到d轴差值δi
d
。
[0050]
本发明是在电流环pi调节器基础上改进形成了复矢量解耦电流pi调节器。
[0051]
图3为复矢量解耦电流环pi调节器，
‑
δi
q
与估算转速以及比例环节系数 k
p
相乘得到d轴积分系数将d轴积分系数加在d轴电流环的 积分环节中；d轴差δi
d
与估算转速以及比例环节系数k
p
相乘得到q轴积分系 数将q轴积分系数加在q轴电流环的积分环节中，同时在复矢 量解耦电流环pi调节器输出的基础上加上高速永磁同步电机扩展反电动势。
[0052]
经复矢量解耦电流环pi调节器后得到d
‑
q坐标系下的d轴定子电压和q轴定 子电压，将d
‑
q坐标系下的d轴定子电压和q轴定子电压反馈回到可调模型和帕 克反变换中，d轴定子电压和q轴定子电压经帕克反变换后再经svpwm后得到 逆变器的触发角，从而使高速永磁同步电机运转起来。
[0053]
实施例：
[0054]
为了验证本发明方法的可靠性，进行了相关仿真。仿真中使用的表贴式高 速永磁电机的参数见下表1。
[0055]
表1电机参数
[0056]
极对数1定子电阻0.0388ω永磁体磁链0.00055wb定子电感14.7uh直流母线电压10v风机负载系数2.75
×
10
‑
12
给定估算转速70000rpm
[0057]
图4是在给定估算转速70000rpm的情况下，本方法所得到的估算转速与实 际估算转速曲线。可以看到本方法在稳态时估算转速可以很好的跟踪实际估算 转速，而在电机刚起动时估算转速仍有少许波动。
[0058]
图5是本方法得到的估算转子位置角与实际转子位置角之差，可以很明显 的看到电机起动时转子位置估算有波动，但是达到稳态后误差不大且均匀。
[0059]
图6是本方法得到的估算定子电阻在电机运行中的变化规律，可以看到在 刚起动时电阻阻值比稳态时要大，且有波动。当速度达到70000rpm后，定子电 阻也回归正常大小。
[0060]
图7是定子q轴解耦前后的电流波形图，可以看出当估算转速达到70000rpm 后，解
耦后i
q
要比解耦前更快地降到稳态值，因此解耦后电流环动态响应得到改 善，从而提高整个系统动态响应能力。