阅读说明：本技术 一种提升永磁同步电机无位置传感器估算性能的方法 (Method for improving estimation performance of permanent magnet synchronous motor without position sensor ) 是由 刘青 彭洵 王胜勇 王傲能 于 2020-06-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电力电子控制技术,具体涉及一种提升永磁同步电机无位置传感器估算性能的方法,包括建立同步电机的数学模型,建立I/F流频比启动与基于扩展反电动势模型的滑模观测器转子位置、速度估算方案,针对低速段I/F到高速段滑模的硬切换产生的电流、转矩抖动问题,提出了一种新的平滑切换方法,使转矩、转速和电流的过渡过程平顺无冲击,并能保证从空载到额定负载不同负载条件下,切换过程都能够顺利实施。该方法具有成本低、估算精度高、速度快、实时性高、鲁棒性好以及抗干扰能力强的优点,能够提高永磁同步电机无位置传感器估算算法的估算精度,减小转子估算误差,对提升永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统估算性能具有指导意义。(The invention relates to a power electronic control technology, in particular to a method for improving estimation performance of a permanent magnet synchronous motor without a position sensor, which comprises the steps of establishing a mathematical model of the synchronous motor, establishing an I/F (input/output) flow frequency ratio starting scheme and a sliding-mode observer rotor position and speed estimation scheme based on an extended back electromotive force model, and aiming at the problem of current and torque jitter generated by hard switching from a low-speed section I/F to a high-speed section sliding mode, providing a novel smooth switching method, so that the transition process of torque, rotating speed and current is smooth and impact-free, and the switching process can be smoothly implemented under different load conditions from no-load to rated load. The method has the advantages of low cost, high estimation precision, high speed, high real-time performance, good robustness and strong anti-interference capability, can improve the estimation precision of the permanent magnet synchronous motor position sensorless estimation algorithm, reduces the rotor estimation error, and has guiding significance for improving the estimation performance of the permanent magnet synchronous motor position sensorless vector control system.)

一种提升永磁同步电机无位置传感器估算性能的方法

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，尤其涉及一种提升永磁同步电机无位置传感器估算性能的方法。

背景技术

近十年来，能源短缺问题制约着人类社会的发展。随着高性能稀土永磁材料的发现以及电力电子器件不断地发展，工业自动化，机器人和电动汽车都广泛用到电机。因此，电机是众多能耗器材中用电量最大的电器。通过提高电机的能效水平和运行效率能够大大减小年耗电总量，缓解能源紧缺的问题。

交流电机的调速方法主要分为两种：直接转矩控制和矢量控制。两种控制的控制思想和控制理论虽然不同，但是同样是为了实现电机的高性能控制，两种控制方法都需要精确的转子位置和角速度。因此，在电机控制系统之中，一般都会加入位置传感器如光电编码器、旋转变压器等。机械位置传感器虽然能够精确地提供转子的角度信息，但是也会给电机控制系统带来一定的负面影响。机械位置传感器的价格普遍较高，电机控制系统安装位置传感器会增加成本，增大了电机驱动器的体积。还需要额外给电机和驱动器之间加上QEP编码接口电路，给工程应用带来不便，同时也不利于系统的稳定性；机械位置传感器为电磁元件，受系统运行工况的影响比较大，其检测的精度容易受外部条件的制约，从而降低了系统的可靠性；在一些受到工作条件限制的特殊应用场合，不能使用机械位置传感器，如空调压缩机系统，这样整个系统就不能正常运转。无位置传感器从低速段到中高速段不能平滑切换。

发明内容

本发明的目的是提供一种I/F流频比启动到滑模观测器的平滑切换方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提升永磁同步电机无位置传感器估算性能的方法，包括以下步骤：

步骤1、建立永磁同步电机的数学模型；将转子的位置信息解耦成电机扩展反电动势数学模型：

通过Park反变换将式(1)变换到两相静止坐标系中，得到电机在静止两相坐标系下的数学模型，电机定子电压方程为：

将式(1)改写成：

其中u_α、u_β为定子电压在静止坐标系αβ轴分量；u_d、u_q为定子直轴电压与交轴电压；i_d、i_q为定子直轴电流与交轴电流；

为定子直轴磁链分量与交轴磁链分量；L_d、L_q为定子直轴磁链分量与交轴磁链分量；ω_e为转子转速；p为微分算子；L₀＝(L_d+L_q)/2，L₁＝(L_d-L_q)/2；

步骤2、建立I/F流频比启动数学模型；位置角发生器给定位置角用于定子电流的dq-αβ坐标变换，指令位置角、转速、加速度之间的关系为：

ω^*＝∫k_ωdt (5)

启动电流和加速度K_ω遵循以下关系：

P为微分算子，J为转动惯量，K_t为转矩系数，

估算转矩电流，T_Lmax为最大负载转矩；

步骤3、根据电机的扩展反电动势模型构建基于扩展反电势模型的滑模观测器：

式中，e_α＝-E_ext sinθ_e，e_β＝E_ext cosθ_e，在α-β两相静止坐标系下的扩展电动势分量；转子位置提取如下：

式中，|E_ext|为扩展反电动势幅值，Δe为反电动势误差值，θ_e为转子实际位置；为估算转子位置；

当角度误差信息很小时，上式可近似等效为：

步骤4、根据构建的永磁同步电机无位置矢量控制系统，对于开环启动指定的d^*q^*坐标轴的位置角根据设定好的系数过渡到转子位置角θ_d，表示为：

θ_cmd为闭环控制角,θ_est为高速无感估算角，参数k决定过渡过程所需的时间。

本发明的有益效果：能够基本消除两种模式切换下所产生的电机转速抖动与电流抖动，对电机无位置传感器控制系统不同速度段之间的平滑切换具有重要的指导意义。

成本低，本发明适用于任何采用矢量控制策略的系统中，不需要额外的光电编码器或旋转变压器。

估算精度高，速度快，实时性高，本发明能够实时准确的估算电机转子位置及整个过程中能够稳定运行。

鲁棒性好，抗干扰能力强，电机启动、变速、突加或者突减负载等动态过程不会对本发明方法的结果产生消极影响；且该方案对电机内部参数不敏感，抗噪声能力强。

实现简单，本发明可以作为一个子程序嵌入到控制程序中，不影响也无需修改控制程序。

附图说明

图1为本发明一个实施例提升永磁同步电机无位置传感器估算性能的方法流程图；

图2(a)为本发明一个实施例初始阶段相相电流交点示意图；

图2(b)为本发明一个实施例加速阶段相相电流交点示意图；

图3为本发明一个实施例三相整流器功率管开路故障实时检测方法中的整流器的拓扑结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例针对现有技术无位置传感器从低速段到中高速段不能平滑切换的问题，提出了一种软过渡切换的方法，使转矩、转速和电流的过渡过程平顺无冲击，并能保证从空载到额定负载不同负载条件下，切换过程都能够顺利实施。

如图1所示，一种提升永磁同步电机无位置传感器估算性能的方法，包括以下步骤：

S1、永磁同步电机的数学模型，在此基础上将转子的位置信息完全解耦成电机扩展反电动势数学模型，

通过Park反变换将式(1′)变换到两相静止坐标系中，得到电机在静止两相坐标系下的数学模型，电机定子电压方程为：

可将式(2′)改写成：

其中u_α、u_β为定子电压在静止坐标系αβ轴分量；u_d、u_q为定子直轴电压与交轴电压；i_d、i_q为定子直轴电流与交轴电流；为定子直轴磁链分量与交轴磁链分量；L_d、L_q为定子直轴磁链分量与交轴磁链分量；ω_e为转子转速；p为微分算子；L₀＝(L_d+L_q)/2，L₁＝(L_d-L_q)/2；

S2、建立I/F流频比启动数学模型；位置角发生器给定位置角用于定子电流的dq-αβ坐标变换，指令位置角、转速、加速度之间的关系为：

ω^*＝∫k_ωdt (5′)

启动电流幅值越大，设定的加速度越小，系统的抗扰动裕量越大，抗失步能力越强，启动电流

和加速度K_ω遵循以下关系：

P为微分算子，J为转动惯量，K_t为转矩系数，

估算转矩电流，T_Lmax为最大负载转矩；如图2(a)、图2(b)所示；

S3、根据电机的扩展反电动势模型构建基于扩展反电势模型的滑模观测器，如图3所示，滑模观测器数学模型如下所示：

式中，e_α＝-E_ext sinθ_e，e_β＝E_ext cosθ_e，在α-β两相静止坐标系下的扩展电动势分量；

转子位置提取如下：

式中，|E_ext|为扩展反电动势幅值，Δe为反电动势误差值，θ_e为转子实际位置；

为估算转子位置。当角度误差信息很小时，上式可近似等效为

S4、根据构建起来的永磁同步电机无位置矢量控制系统，采用一种加权系数修正转子位置角的过渡方法，即对于开环启动指定的d^*q^*坐标轴的位置角根据设定好的系数过渡到转子位置角θ_d，表示为：

θ_cmd为闭环控制角，θ_est为高速无感估算角参数，k是影响过渡过程的关键因素，它决定了过渡过程所需的时间。

经过测试，该方法现运用于电动车系列产品与工业变频器系列产品上，转矩、转速和电流的过渡过程平顺无冲击，并能够保证从空载到额定负载的不同负载条件下，切换过程都能够顺利实施。

本实施例在电机控制系统中去掉了光电编码器或者旋转变压器，减小了电机控制系统的体积，还减少了整个系统的成本，具有受环境影响因素小、系统维护成本低。且无感算法广泛运用于电动汽车领域，具有较大的影响力与实用价值。

低速阶段I/F流频比控制，减小滑模观测器在低速运行时的反电动势较小，通过提取电机的反电动势来估算转子的位置和速度所产生的误差较大产生的问题。其低速到高速的平滑切换对电动汽车整车上路具有重要意义。

规避掉了低速转高速电机产生转速、电流振动幅度过大的问题，实现电机无感系统低速到高速的平滑切换。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。