多模式调制下永磁同步电机无传感器多参数误差修正策略

本发明属于交流电机传动控制，具体涉及多模式调制下永磁同步电机无传感器多参数误差修正策略。

背景技术：

1、动车组牵引传动单元具有高电压、大电流、宽运行速度范围的特点，同时要求牵引电机具有在低开关频率下的运行能力。随着高速轨道列车的快速发展，具有宽调速范围、高功率密度及低能耗的永磁同步电机成为当前动车组牵引领域的研究热点，而现有的动车组列车牵引系统均是采用机械位置/速度传感器来获取电机的位置或转速信号。在高速列车实际运行过程中，电磁环境复杂、振动剧烈，易导致机械式传感器失效，进而引发牵引系统故障，造成大转矩冲击，严重时损伤轴承、齿轮、电机等关键部件，危害列车运行安全。无位置传感器驱动技术可以从根本上消除这一安全隐患，且具有抗干扰能力强、集成度高及使用周期长等优势。

2、为了在低开关频率(<＝500hz)下获得良好的谐波性能并充分利用母线电压，在全速度范围内使用多模式脉宽调制，其基本调制规律包括零低速的异步调制、中高速的分段同步调整和额定转速以上的方波调制。通常情况下，电机参数可视为常值。在列车实际运行过程中，因受到铜损、铁损和发热等多种因素的影响，电机温度会升高，而电机参数(永磁体磁链、交轴电感、直轴电感)受温度、电流大小的影响，随着工作时间变长、转矩指令状态的改变，会出现相应的变化，导致其与设计值或静态值不同。在这种情况下，电机多参数变化造成位置观测器模型失准，由失准模型获得的估计转子位置、在参与闭环时，必然会极大降低系统鲁棒性，存在闭环失败的风险。同时，弱磁区电流调节器的设计同样需要考虑电机参数变化对控制性能的影响。

3、因此，在永磁牵引系统中，利用电机参数失配对其特殊影响，对永磁体磁链、直轴电感和交轴电感多个参数变化的情况进行修正，对于无位置传感器控制性能的提升具有重要的实际意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供多模式调制下永磁同步电机无传感器多参数误差修正策略，通过求解偏差系数来实时修正永磁体磁链、直轴电感和交轴电感的参数误差，提升转子位置估计精度，增强系统鲁棒性。

2、本发明所采用的技术方案是，多模式调制下永磁同步电机无传感器多参数误差修正策略，具体按照以下步骤实施：

3、步骤1，基于扩展磁链观测获取电磁转矩估计值从而构成转矩环；

4、步骤2，依据电机电压幅值和频率对控制进行切换，计算得到多模式调制下的电流指令；

5、步骤3，通过d轴电流响应特性，获取多参数偏差系数γ、α和β；

6、步骤4，对永磁体磁链、直轴电感和交轴电感参数进行实时在线修正，并将修正后的参数用于电流指令的计算、估计转矩的计算以及位置观测器的构建。

7、本发明的特点还在于，

8、步骤1中，具体为：

9、步骤1.1，以旋转坐标系下的滑模观测器作为位置观测模型来获取估计转速；具体为：

10、步骤1.1.1，建立dq滑模观测器模型，如式(1)所示；

11、

12、其中，和分别为定子d轴和q轴电流观测值，ωre为转子角速度，d为微分算子，rs为定子电阻，ld是定子电感直轴分量，lq是定子电感交轴分量，ud是定子电压直轴分量，uq是定子电压交轴分量；vd和vq分别为滑模观测器控制输入；id是定子电流直轴分量，iq是定子电流交轴分量；函数sgn取值为为滑模观测器增益；

13、步骤1.1.2，通过pi模块进行低通滤波，得到转子估计角速度如式(2)所示；

14、

15、其中，kpo为比例增益，kio为积分增益；

16、对转子估计角速度进行积分运算，即可得到实际的转子位置估计值

17、步骤1.2，对三相电流ia、ib、jc进行采样，对其进行clarke变换得到α轴与β轴电流，结合步骤1.1获取的估计角速度建立扩展磁链状态观测器模型，如式(3)所示；

18、

19、其中，k为反馈矩阵；k1、k2、k3、k4为反馈矩阵待定系数；为α轴扩展磁链观测值，为β轴扩展磁链观测值；为输出向量观测值；j为系数矩阵，uα是α轴电压，uβ是β轴电压；iα是α轴电流，iβ是β轴电流；

20、步骤1.3，根据扩展磁链，可由式(4)计算出定子磁链；

21、

22、其中，为α轴定子磁链观测值，为β轴定子磁链观测值；

23、步骤1.4，通过观测的定子磁链与定子电流计算出电机电磁转矩估计值，如式(5)所示，构成转矩闭环；

24、

25、其中，pn为电机极对数。

26、步骤2中，具体为：

27、步骤2.1，对转矩误差进行pi调节，获取电流环的控制指令

28、步骤2.2，当电机基波频率小于67hz时，采用载波+shepwm的调制方式，通过最大转矩电流比控制mtpa获取电流指令；

29、步骤2.3，当基波频率大于67hz后，采用方波调制，通过单q轴电流调节弱磁控制获取电流指令。

30、步骤2.2中，具体为：

31、步骤2.2.1，通过mtpa控制关系计算出mtpa控制下的d轴电流指令和q轴电流指令如式(6)和式(7)所示；

32、

33、

34、其中，ψf为永磁体磁链。

35、步骤2.3中，具体为：

36、步骤2.3.1，由前馈环节提供的d轴和q轴前馈电压和计算出反馈电压幅值如式(8)所示；

37、

38、步骤2.3.2，将电压矢量幅值umax和反馈电压幅值的误差进行pi调节后得到弱磁补偿电流δid,wkfd；

39、步骤2.3.3，通过电压闭环输出的弱磁补偿电流δid,wkfd，将d轴电流指令校正到最优电流轨迹上，如式(9)所示；

40、

41、步骤2.3.4，通过转矩公式计算出弱磁控制约束下的q轴电流指令如式(10)所示；

42、

43、te是电机电磁转矩给定值；

44、此时，d轴和q轴前馈电压和如式(11)所示；

45、

46、步骤3中，具体为：

47、永磁体磁链偏差系数γ、d轴电感偏差系数α与q轴电感偏差系数β可由式(12)、(13)和式(14)计算得出

48、

49、

50、

51、式中，kp_id为ld参数误差补偿比例系数，ki_id为ld参数误差补偿积分系数；l和n为系数参数，为d轴电流指令值。

52、步骤4中，具体为：

53、步骤4.1，补偿后的永磁体磁链实际值ψf_real可由式(15)计算得出，补偿后的d轴电感实际值ld_real可由式(16)计算得出，补偿后的q轴电感的实际值lq_real可由式(17)计算得出；

54、ψf_real＝(1+γ)ψf    (15)；

55、lq_real＝(1+β)lq     (16)；

56、ld_real＝(1+α)ld     (17)；

57、步骤4.2，将补偿后的参数用于电机控制中，即在获取式(12)、式(13)和式(14)中的参数偏差系数后，可根据式(15)、式(16)和式(17)的关系对永磁体磁链ψf、d轴电感ld和q轴电感lq进行实时在线修正，用lq_real代替lq，用ld_real代替ld用ψf_real代替ψf；具体为：

58、步骤4.2.1，当电机基波频率小于67hz时，对mtpa控制涉及的电机参数进行实时修正，如式(18)所示，即可消除电机参数失配对mtpa控制性能的影响；

59、

60、步骤4.2.2，当电机基波频率大于67hz时，对dq轴前馈电压计算环节和弱磁电流指令计算环节涉及的电机参数均进行实时修正，如式(19)和式(20)所示，即可消除电机参数失配对单q轴电流调节器弱磁电流轨迹规划性能的影响；

61、

62、

63、步骤4.2.3，对于dq-smo，观测器对ld误差的敏感性远大于交轴电感和永磁体磁链，因此仅对位置观测器中的直轴电感参数进行实时修正，则对式(1)和滑模增益k进行改写，如式(21)和式(22)所示，即可消除d轴电感ld失配对转子位置估计性能的影响；

64、

65、

66、本发明的有益效果是：

67、1)实现了多模式调制下的内置式永磁同步电机无位置传感器控制的鲁棒性提升；

68、2)通过求解偏差系数来实时修正永磁体磁链、直轴电感和交轴电感的参数误差；

69、3)改善了多模式调制下无位置传感器的弱磁控制性能，提高了位置估计精度。