一种永磁同步电机无位置传感器控制方法及装置

1.本技术涉及电机控制技术领域，更具体地，涉及一种永磁同步电机无位置传感器控制方法和一种永磁同步电机无位置传感器控制装置。


背景技术：

2.在永磁同步电机的矢量控制技术中，精确的转子位置信息至关重要，其是实现转矩电流与励磁电流解耦控制的关键。只有获得精确的转子位置信息，才可以获得良好的电机控制效果。传统方法是在转子轴上安装位置传感器来获取电机的位置信息，然而安装位置传感器会导致一系列问题，如易受环境影响、系统可靠性降低、增加系统成本等。因此，为了增大永磁同步电机矢量控制的应用范围以及市场竞争力，永磁同步电机无位置传感器控制技术得到了广泛的关注与研究。
3.目前在中高速永磁同步电机控制技术中，应用最为广泛的是基于电机模型的控制方法，如反电势法、扩展反电势法、模型参考自适应法、磁链观测法、卡尔曼滤波法等。近年来，滑模观测器因对参数变化、干扰与噪声具有很好的鲁棒性，已经开始被应用与无传感器控制领域。
4.对传统滑模观测器而言，当它的状态轨迹到达滑模面后，由于其存在一定惯性，所以状态轨迹难以严格的沿着滑模面向平衡点滑动，而是不断的来回穿越滑模面，从而产生抖振现象。若引入低通滤波器，则会带来相位延迟，从而导致转子位置估计误差增大；同时，由于参数扰动、负载变化等因素的影响，转子位置估计将难以避免的产生误差。


技术实现要素：

5.针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种永磁同步电机无位置传感器控制方法及装置，旨在解决传统永磁同步电机无位置传感器控制过程由于参数扰动、负载变化等因素导致转子位置估计精度低，以及传统滑模观测器存在较大抖振影响的问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，包括：以定子电流为状态变量构建永磁同步电机在两相静止坐标系下的α轴、β轴电流状态方程，定义电流误差并根据所述α轴、β轴电流状态方程计算得到电流误差状态方程；以所述电流误差为状态变量构建α轴、β轴各自对应的超螺旋滑模观测器，获取所述超螺旋滑模观测器输出的α轴、β轴反电势观测值，并计算得到电角速度观测值和转子角度观测值；根据所述电角速度观测值建立同步速旋转坐标系，并建立永磁同步电机在所述同步速旋转坐标系下的γ轴、δ轴电流状态方程，根据所述γ轴、δ轴电流状态方程构造γ轴、δ轴高阶扩张状态观测器；获取所述高阶扩张状态观测器输出的γ轴、δ轴反电势观测值，并根据所述γ轴、δ轴反电势观测值的关系计算得到角度补偿值，将所述角度补偿值补偿至所述转子角度观测值后反馈至永磁同步电机进行矢量控制。
7.在本发明的一个实施例中，所述以定子电流为状态变量构建永磁同步电机在两相
静止坐标系下的α轴、β轴电流状态方程，包括：构建所述α轴、β轴电压方程为：其中i
α
、i
β
和u
α
、u
β
分别为两相静止坐标系下的α轴、β轴电流分量和电压分量，rs、ls、e
α
、e
β
分别表示定子电阻、定子电感、α轴反电势、β轴反电势；对所述α轴、β轴电压方程进行转换，得到α轴、β轴电流状态方程：
8.在本发明的一个实施例中，所述定义电流误差并根据所述α轴、β轴电流状态方程计算得到电流误差状态方程，包括：构建定子电流状态观测器：其中为α轴、β轴观测电流，v
α
、v
β
为电流状态观测器的α轴、β轴输入电压；定义电流误差为：其中为α轴、β轴电流误差；计算得到流误差状态方程：
9.在本发明的一个实施例中，所述以所述电流误差为状态变量构建α轴、β轴各自对应的超螺旋滑模观测器，包括：定义电流误差为滑模面，设计所述α轴、所述β轴各自对应的超螺旋滑模观测器的控制率分别为：
10.其中，k1，q1，k2，q2为滑模参数，且均为大于零的实数；sign为饱和函数。
11.在本发明的一个实施例中，所述获取所述超螺旋滑模观测器输出的α轴、β轴反电势观测值，包括：通过复系数滤波器：对所述超螺旋滑模观测器的观测值进行滤波，采集基于所述复系数滤波器的所述超螺旋滑模观测器输出的所述α轴、
β轴反电势观测值；其中，为反电势观测值；v
α
、v
β
为电流状态观测器的输入；g
ccf
(s)为所述复系数滤波器的传函；s表示拉普拉斯算子，j表示复数单位；为所述复系数滤波器的中心频率，同时为所述电角速度观测值；ωc为所述复系数滤波器的截止频率。
12.在本发明的一个实施例中，所述计算得到电角速度观测值和转子角度观测值，包括：将所述超螺旋滑模观测器输出的α轴、β轴反电势观测值输入正交锁相环，计算得到角度误差：对所述角度误差进行标幺化：通过开环传递函数控制所述角度误差收敛至零，获得所述电角速度观测值和所述转子角度观测值：其中，表示所述转子角度观测值，k
p
、ki分别表示锁相环的比例参数和积分参数。
13.在本发明的一个实施例中，所述根据所述γ轴、δ轴电流状态方程构造γ轴、δ轴高阶扩张状态观测器，包括：构建所述γ轴、δ轴电流状态方程为：其中i
γ
、i
δ
和u
γ
、u
δ
分别为γ轴、δ轴电流分量和电压分量，为γ轴、δ轴反电势观测值，rs、ls分别表示定子电阻、定子电感；设x1＝i
γ
、则γ轴电流状态方程可变换为：令则所述γ轴电流状态方程可重写为：构造所述高阶扩张观测器为：其中z1、z
2γ
、z3分别为x1、x2、x3的观测值，β1、β2、β3为高阶扩张状态观测器的参数，e1为x1的观测误差。
14.在本发明的一个实施例中，所述获取所述高阶扩张状态观测器输出的γ轴、δ轴反电势观测值，包括：令x2、x3的观测误差则根据所述高阶扩张状态观测器计算得到：进行拉氏变换有：得到γ轴反电
势观测值与实际值之间的关系为：以此计算得到：同理有
15.在本发明的一个实施例中，所述根据所述γ轴、δ轴反电势观测值的关系计算得到角度补偿值，将所述角度补偿值补偿至所述转子角度观测值后反馈至永磁同步电机进行矢量控制，包括：所述角度补偿值为：将所述角度补偿值补偿到所述转子角度观测值得到高精度位置观测值：
16.按照本发明的第二个方面，还提供了一种永磁同步电机无位置传感器控制装置，其包括：电流误差状态获取模块，用于以定子电流为状态变量构建永磁同步电机在两相静止坐标系下的α轴、β轴电流状态方程，定义电流误差并根据所述α轴、β轴电流状态方程计算得到电流误差状态方程；观测值计算模块，用于以所述电流误差为状态变量构建α轴、β轴各自对应的超螺旋滑模观测器，获取所述超螺旋滑模观测器输出的α轴、β轴反电势观测值，并计算得到电角速度观测值和转子角度观测值；高阶扩张观测器构造模块，用于根据所述电角速度观测值建立同步速旋转坐标系，并建立永磁同步电机在所述同步速旋转坐标系下的γ轴、δ轴电流状态方程，根据所述γ轴、δ轴电流状态方程构造γ轴、δ轴高阶扩张状态观测器；角度补偿模块，用于获取所述高阶扩张状态观测器输出的γ轴、δ轴反电势观测值，并根据所述转子角度观测值与所述γ轴、δ轴反电势观测值的关系计算得到角度补偿值，将所述角度补偿值补偿至所述转子角度观测值后反馈至永磁同步电机进行矢量控制。
17.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
18.通过设计一种高阶扩张状态观测器实时补偿滑模观测器对永磁同步电机转子位置信息观测的角度误差，能够有效提高位置信息估计精度，实现提高永磁同步电机无位置传感器控制精度；通过设计复系数滤波器滤除滑模观测器观测的反电势谐波，能够规避传统低通滤波器产生的相位延迟，以及削弱传统滑模观测器的抖振现象，优化滑模运动过程。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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。
20.图1为本技术实施例提供的一种永磁同步电机无位置传感器控制方法的流程图；
21.图2为本技术实施例提供的一种永磁同步电机无位置传感器控制方法的整体控制逻辑框图；
22.图3为本技术实施例提供的超螺旋滑模观测器的控制逻辑框图；
23.图4为本技术实施例提供的复系数滤波器的控制逻辑框图；
24.图5为本技术实施例提供的复系数滤波器在截止频率相同，中心频率不同时的伯德图；
25.图6为本技术实施例提供的正交锁相环的原理框图；
26.图7为本技术实施例提供的电机三种两相坐标系位置关系示意图；
27.图8为本技术实施例提供的高阶扩张状态观测器的控制逻辑框图；
28.图9为本技术实施例提供的一种永磁同步电机无位置传感器控制装置的结构示意图。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
30.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
31.如图1所示，本发明第一实施例提出一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，例如包括：步骤s1，以定子电流为状态变量构建永磁同步电机在两相静止坐标系下的α轴、β轴电流状态方程，定义电流误差并根据所述α轴、β轴电流状态方程计算得到电流误差状态方程；步骤s2，以所述电流误差为状态变量构建α轴、β轴各自对应的超螺旋滑模观测器，获取所述超螺旋滑模观测器输出的α轴、β轴反电势观测值，并计算得到电角速度观测值和转子角度观测值；步骤s3，根据所述电角速度观测值建立同步速旋转坐标系，并建立永磁同步电机在所述同步速旋转坐标系下的γ轴、δ轴电流状态方程，根据所述γ轴、δ轴电流状态方程构造γ轴、δ轴高阶扩张状态观测器；步骤s4，获取所述高阶扩张状态观测器输出的γ轴、δ轴反电势观测值，并根据所述γ轴、δ轴反电势观测值的关系计算得到角度补偿值，将所述角度补偿值补偿至所述转子角度观测值后反馈至永磁同步电机进行矢量控制。
32.结合图2所示整体控制控制逻辑框图，在步骤s1中，首先构建永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程为：
[0033][0034]
其中，i
α
、i
β
和u
α
、u
β
分别为该两相静止坐标系下的α轴、β轴电流分量和电压分量，rs、ls、e
α
、e
β
分别表示定子电阻、定子电感、α轴反电势、β轴反电势。
[0035]
且有：其中，ωe、ψf、θe分别为转子电角速度，永磁体磁链以及电机电角度。
[0036]
进一步的，对所述α轴、β轴电压方程进行转换，得到以定子电流为状态变量的α轴、
β轴电流状态方程为：
[0037]
进一步的，所述定义电流误差并根据所述α轴、β轴电流状态方程计算得到电流误差状态方程，包括：
[0038]
1)构建电流状态观测器：其中，为α轴、β轴观测电流，υ
α
、υ
β
为电流状态观测器的α轴、β轴输入电压；
[0039]
2)定义电流误差为：其中为α轴、β轴电流误差；
[0040]
3)由电流状态方程与电流状态观测器可计算得到电流误差状态方程为：
[0041][0042]
结合图3所示超螺旋滑模观测器的控制逻辑框图，在步骤s2中，例如定义电流误差为滑模面，设计α轴、β轴各自对应的超螺旋滑模观测器的控制率为：
[0043][0044][0045]
其中，k1，q1，k2，q2为滑模参数，且均为大于零的实数；sign为饱和函数。
[0046]
当状态轨迹到达滑模面时，有：
[0047][0048]
此时，代入定子电流误差状态方程，由滑模等效原理可得：
[0049]
[0050]
进一步的，例如构建复系数滤波器为：
[0051][0052]
通过该复系数滤波器对所述超螺旋滑模观测器的观测值进行滤波，采集输出的α轴、β轴反电势观测值。
[0053]
其中，为反电势观测值；υ
α
、υ
β
为电流状态观测器的输入；g
ccf
(s)为所述复系数滤波器的传函；s表示拉普拉斯算子，j表示复数单位；为所述复系数滤波器的中心频率，同时为所述电角速度观测值；ωc为所述复系数滤波器的截止频率。
[0054]
如图4所示是复系数滤波器的控制逻辑框图，基于复系数滤波器的超螺旋滑模观测器在控制过程中不需要额外的相位补偿。
[0055]
如图5所示是复系数滤波器在截止频率相同，中心频率不同时的伯德图，从中可以看出在复系数滤波器在中心频率处无相位延迟且无增益衰减，即复系数滤波器具备提取特定频率信号的选频功能。
[0056]
进一步的，例如将所述超螺旋滑模观测器输出的α轴、β轴反电势观测值输入正交锁相环处理，从而计算得到电角速度观测值与转子角度观测值。如图6所示是正交锁相环的逻辑框图，包括以下步骤：
[0057]
a)将所述超螺旋滑模观测器输出的α轴、β轴反电势观测值输入正交锁相环，根据如下关系计算角度误差：
[0058][0059]
b)对所述角度误差ε
θ
进行标幺化，以保证其幅值不随反电势幅值变化：
[0060][0061]
c)通过开环传递函数控制角度误差收敛至零，获得电角速度观测值和转子角度观测值：
[0062][0063][0064]
其中，表示转子角度观测值，表示电角速度观测值，k
p
、ki分别表示锁相环的比例参数和积分参数。
[0065]
将电角速度观测值反馈到超螺旋滑模观测器的复系数滤波器中，实现复系数滤波器的中心频率自适应，有效改善了传统滑模观测器的动态与稳态性能，削弱了滑模控制固有的抖振问题。
[0066]
在步骤s3中，例如由锁相环输出的所述转子角度观测值和所述电角速度观测值建立γδ轴同步速旋转坐标系，两相静止坐标系、γδ坐标系与dq坐标系间的位置关系如图7所
示，根据各坐标系彼此的位置关系建立永磁同步电机在该坐标系下的电流状态方程。
[0067]
结合图8所示高阶扩张状态观测器的控制逻辑框图，具体的，例如先构建永磁同步电机在γδ坐标系下的电压方程为：其中，i
γ
、i
δ
和u
γ
、u
δ
分别为γ轴、δ轴电流分量和电压分量，为γ轴、δ轴反电势观测值，rs、ls分别表示定子电阻、定子电感。
[0068]
且有：其中，为γδ坐标系与dq坐标系间的夹角。
[0069]
以γ轴、δ轴电流为状态变量对电压方程进行转换，得到γ轴、δ轴电流状态方程：
[0070]
进一步的，根据该电流状态方程分别构造γδ轴的高阶扩张状态观测器，以γ轴为例：
[0071]
假设x1＝i
γ
，则γ轴电流状态方程可变换为：
[0072]
其中：
[0073][0074]
令则γ轴电流状态方程可重写为：
[0075][0076]
依此电流状态方程构建高阶扩张状态观测器方程如下：
[0077]
[0078]
其中z1、z
2γ
、z3分别为x1、x2、x3的观测值，β1、β2、β3为高阶扩张状态观测器的参数。e1为x1的观测误差。
[0079]
在步骤s4中，例如获取所述高阶扩张状态观测器输出的γ轴、δ轴反电势观测值，具体包括：
[0080]
令x2、x3的观测误差则由电流状态方程与高阶扩张状态观测器方程可运算得到：
[0081][0082]
对上述方程作拉式变换，有：
[0083][0084]
可得到γ轴反电势观测值与实际值之间的关系如下：
[0085][0086]
以上传函的特征方程为：
[0087]s3-(a+β1)s
2-β2s-β3＝0；
[0088]
为保证系统稳定，系统极点均需在坐标系负半平面，为方便参数设计，特征方程可变换为：
[0089]
(s+ω
eso
)3＝0；
[0090]
其中ω
eso
为高阶扩张状态观测器的带宽。则高阶扩张状态观测器参数为：
[0091][0092]
由此可得到其中为γ轴反电势的观测值。
[0093]
同理有其中为δ轴反电势的观测值。
[0094]
进一步的，例如根据γ轴反电势和δ轴反电势的关系可计算得到γδ坐标系与dq坐标系之间夹角的观测值，即角度补偿值
[0095][0096]
将补偿到则可得到精度更高的观测位置信息有
[0097]
综上所述，本发明第一实施例提出的一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，设计一种高阶扩张状态观测器实时补偿滑模观测器对永磁同步电机转子位置信息观测的角度误差，能够有效提高位置信息估计精度，实现提高永磁同步电机无位置传感器控制精度；通过设计复系数滤波器滤除滑模观测器观测的反电势谐波，能够规避传统低通滤波器产生的相位延迟，以及削弱传统滑模观测器的抖振现象，优化滑模运动过程。
[0098]
另外，如图9所示，本发明第二实施例提出一种永磁同步电机无位置传感器控制装置20，例如包括：电流误差状态获取模块201，观测值计算模块202、高阶扩张观测器构造模块203、和角度补偿模块204。
[0099]
其中，电流误差状态获取模块201用于以定子电流为状态变量构建永磁同步电机在两相静止坐标系下的α轴、β轴电流状态方程，定义电流误差并根据所述α轴、β轴电流状态方程计算得到电流误差状态方程。观测值计算模块202用于以所述电流误差为状态变量构建α轴、β轴各自对应的超螺旋滑模观测器，获取所述超螺旋滑模观测器输出的α轴、β轴反电势观测值，并计算得到电角速度观测值和转子角度观测值。高阶扩张观测器构造模块203用于根据所述电角速度观测值建立同步速旋转坐标系，并建立永磁同步电机在所述同步速旋转坐标系下的γ轴、δ轴电流状态方程，根据所述γ轴、δ轴电流状态方程构造γ轴、δ轴高阶扩张状态观测器。角度补偿模块204用于获取所述高阶扩张状态观测器输出的γ轴、δ轴反电势观测值，并根据所述转子角度观测值与所述γ轴、δ轴反电势观测值的关系计算得到角度补偿值，将所述角度补偿值补偿至所述转子角度观测值后反馈至永磁同步电机进行矢量控制。
[0100]
本发明第二实施例公开的永磁同步电机无位置传感器控制20所实现的永磁同步电机无位置传感器控制方法如前述第一实施例所述，故在此不再进行详细讲述。可选地，第二实施例中的各个模块和上述其他操作或功能分别为了实现第一实施例所述的永磁同步电机无位置传感器控制方法，且本实施例的有益效果同前述第一实施例的有益效果相同，为了简洁，不在此赘述。
[0101]
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。
[0102]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0103]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些服务接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0104]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个
网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0105]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0106]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：u盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0107]
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通进程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取器(random access memory，ram)、磁盘或光盘等。
[0108]
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
[0109]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0110]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。