一种用于五相永磁容错电机无位置传感器控制方法
阅读说明：本技术 一种用于五相永磁容错电机无位置传感器控制方法 (Position-sensorless control method for five-phase permanent magnet fault-tolerant motor ) 是由 张丽 朱孝勇 韩赛 沈东� 于 2021-01-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于五相永磁容错电机无位置传感器控制方法,属于多相电机无位置传感器控制技术领域。先建立基于反电势的五相永磁容错电机的任两相数学模型；再利用双曲线函数构建基于任两相信号的电流状态观测器以获取相应的相反电势；然后构建通用锁相环模块,将所述正常两相反电势输入通用锁相环模块,计算得到电机转速和转子位置。该方法能够有效抑制系统中高频抖振,解决相位延迟问题,提高转子位置的估算精度；省去坐标变换,提高了系统的鲁棒性,使得电机在故障模式下和参数变化扰动下均具有较好的跟踪能力；此外,其算法计算量小,简单易于实现,有利于新理论的工程化和实用化。(The invention discloses a position sensorless control method for a five-phase permanent magnet fault-tolerant motor, and belongs to the technical field of position sensorless control of multi-phase motors. Firstly, establishing any two-phase mathematical model of a five-phase permanent magnet fault-tolerant motor based on back electromotive force; then, a current state observer based on any two-phase signals is constructed by using a hyperbolic function to obtain corresponding opposite potentials; and then constructing a universal phase-locked loop module, inputting the two normal opposite potentials into the universal phase-locked loop module, and calculating to obtain the rotating speed and the rotor position of the motor. The method can effectively inhibit high-frequency buffeting in the system, solve the problem of phase delay and improve the estimation precision of the rotor position; coordinate transformation is omitted, robustness of the system is improved, and the motor has good tracking capability under a fault mode and parameter change disturbance; in addition, the algorithm has small calculation amount, is simple and easy to realize, and is beneficial to the engineering and the practicability of a new theory.)
技术领域
本发明属于多相电机无位置传感器控制技术领域，尤其涉及一种用于五相永磁容错电机无位置传感器控制方法。
背景技术
五相永磁容错电机具有高效率、高功率密度、宽调速范围、低转矩脉动和强容错能力等优点，在航空航天、电动汽车、舰船推进系统等领域得到广泛关注和应用。对于五相永磁容错电机控制系统，一般需要机械式位置传感器来检测转子位置和转速。但是机械式传感器的使用不仅会增加系统的成本和体积，还会降低系统的可靠性，从而限制了在高性能驱动应用场合的应用。因此，五相永磁容错电机无位置传感器控制的研究有着极其重要意义。
滑模观测器具有原理简单、稳定性好等特点，从而成为电机无位置传感器控制研究领域的一个研究热点。但是传统滑模观测器无位置控制系统抖振较大，同时由于低通滤波器的使用，会带来相位延迟的问题，一般需要增加相位补偿环节，不仅会增加滑模观测器结构的复杂度，同时也会降低估算系统的动静态跟踪能力。另一方面，当五相容错电机绕组发生故障时采用相应的容错控制策略可使得电机驱动系统继续无扰运行，提高电机驱动系统的可靠性。但故障模式下的电机相绕组处于不对称运行状态，并且正常相电流将发生畸变，若直接利用坐标变换构建观测器，故障模式下的估算精度将大为降低。此外，传统滑模观测器存在的问题将在故障模式下将进一步加剧。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，提出了一种强鲁棒性无需补偿的五相永磁容错电机无位置传感器控制方法，省去低通滤波器，无需相位补偿和坐标变换，能够确保电机驱动系统在正常和故障工况下均具有良好的跟踪性能，并且具备较好的抗扰动性能和动静态性能。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于五相永磁容错电机无位置传感器控制方法，包括以下步骤：
步骤1)建立基于反电势的五相永磁容错电机的任两相数学模型；
步骤2)利用双曲线函数构建基于任两相信号的电流状态观测器以获取相应的相反电势；
步骤3)构建通用锁相环(PLL)，将所述正常两相反电势输入通用PLL模块，计算得到电机转速和转子位置。
进一步，所述步骤1)的具体过程为：
五相永磁容错电机的任两相电压方程表示为
式中，Rs和Ls分别为定子电阻和电感；x,y∈1,2,…,5；ux和uy为第x相和y相电压；ix和iy为第x相和y相电流；ex和ey为第x相和y相反电势，表示为
其中，Em＝ωeγe；γe和θe分别为反电势系数和转子位置电角度。
进一步，所述步骤2)的具体过程为：
2.1)选取滑模变结构函数。
利用双曲线函数作为滑模变结构函数，重新五相永磁容错电机的任两相电压方程，可表示为
其中，为估算电流和实际电流的差值；λ为滑模系数；和为双曲线函数，表示为：
其中，a为大于零的实数，可根据实际情况调节。
2.2)构建基于任两相信号的电流状态观测器。
将步骤2.1)中利用双曲线函数作为滑模变结构函数五相永磁容错电机电压方程与步骤2.2)中的电压方程作差，可得到基于任两相信号的电流状态观测器：
在此观测器中，定义边界层为H＝0.99时自变量的大小。调节a值的大小可有效调节边界层的大小，进而改善反电势谐波含量。通过增加a值，可有效减小观测器的高频谐波，大大降低观测反电势的谐波含量，因此，所构建的观测器无需低通滤波器，进而可省去转子位置误差补偿环节，有利于简化步骤3中通用PLL的构建。
2.3)根据滑模运动的存在性和稳定性条件，分析本发明所提出观测器的稳定条件。
进一步，所述步骤3)的具体过程为：
根据转子位置范围,估算反电势必须满足：
因此，可得：
鉴相器的相位误差表示为：
由上述两式可得，鉴相器的输出Δe为估算转子位置误差。将估算转子位置误差Δe通过环路滤波器即可得到估算转速信息同时将Δe通过环路滤波器和压控振荡器可得转子位置信息
本发明的有益效果：
1)本发明控制方法省去坐标变换，构建基于反电势的五相永磁容错电机的任两相数学模型以获取转子位置信息，使得相与相无相互影响，从而提高系统的鲁棒性，使得电机在故障模式下和参数变化扰动下均具有较好的跟踪能力。
2)本发明利用双曲线函数作为滑模变结构函数，构建基于任两相信号的电流状态观测器，通过调节变结构参数有效削弱系统中的抖振现象，解决了传统滑模观测器中使用低通滤波器和位置误差补偿环节带来的估算精度低、算法复杂等问题，不仅简化了控制算法，而且提高了观测器的动静态估算精度。
3)本发明首次将基于任两相信号的电流状态观测器、双曲线滑模变结构函数和通用锁相环综合运用于五相永磁容错电机无位置传感器控制系统中，实现了电机正常运行工况和故障运行工况下的高精度转子位置和转速估测，有效提高了电机驱动系统的容错性能和可靠性；
4)所提出的无位置传感器控制方法计算量小，简单易于实现，有利于新理论的工程化和实用化。
附图说明
图1为五相永磁容错电机的结构示意图；
图2为本发明控制方法的结构框图；
图3为传统滑模观测器的结构框图；
图4为本发明中双曲线函数；
图5为本发明中通用PLL的结构框图；
图6为本发明中仿真结果。(a)和(b)为BC相估算反电势，而(c)和(d)为AC相估算反电势。
具体实施方式
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用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的控制对象为五相永磁容错电机，包括定子、转子、永磁体、电枢齿、容错齿、电枢绕组；电枢齿和容错齿沿定子内圈周向间隔均匀分布，并且电枢齿的齿宽和容错齿的齿宽不相等；电枢齿上绕有电枢绕组线圈，为单层集中绕组，两相邻的单层集中绕组之间由容错齿进行隔离；转子内嵌入永磁体，呈“V”型分布；电枢齿和容错齿的总齿数为20，永磁体的极数为18；由于定子采用单层集中绕组，大大降低了电机直轴磁路的磁阻，从而降低了电机的凸极率，使得交直轴电感接近相等。
图2为所提出的五相永磁容错电机无位置传感器控制方法，对比图3所示的传统滑模观测器无位置传感器控制方法，本发明省去坐标变换环节，并用如图4所示的双曲线函数作为滑模变结构函数，去除了低通滤波器环节和相位补偿环节，同时构建通用锁相环，提高估算精度。所提出的五相永磁容错电机无位置传感器控制方法具体实施步骤包括：
步骤1)建立基于反电势的五相永磁容错电机的任两相数学模型。
五相永磁容错电机的任两相电压方程表示为
式中，Rs和Ls分别为定子电阻和电感；x,y∈1,2,…,5；ux和uy为第x相和y相电压；ix和iy为第x相和y相电流；ex和ey为第x相和y相反电势，表示为
其中，Em＝ωeγe；γe和θe分别为反电势系数和转子位置电角度。
步骤2)利用双曲线函数构建基于任两相信号的电流状态观测器以获取相应的相反电势。
2.1)选取滑模变结构函数。
利用双曲线函数作为滑模变结构函数，式(1)可表示为
其中，为估算电流和实际电流的差值；λ为滑模系数；和为双曲线函数，表示为：
其中，a为大于零的实数，可根据实际情况调节。
2.2)构建基于任两相信号的电流状态观测器。
将式(3)与式(1)相减，可得到基于任两相信号的电流状态观测器：
在此观测器中，定义边界层为H＝0.99时自变量的大小。如图3所示，调节a值的大小可有效调节边界层的大小，进而改善反电势谐波含量。通过增加a值，可有效减小观测器的高频谐波，大大降低观测反电势的谐波含量，因此，所构建的观测器无需低通滤波器，进而可省去转子位置误差补偿环节，有利于简化步骤3中通用PLL的构建。
2.3)根据滑模运动的存在性和稳定性条件，分析本发明所提出观测器的稳定条件。
根据滑模运动的存在性和稳定性条件，电机的转子位置可以顺利估算的前提是必须满足：
即：
则：
由于双曲线函数的值小于1，因此，相对于传统滑模观测器，本发明的滑模系数取值更大。
步骤3)构建通用锁相环(PLL)，将所述正常两相反电势输入通用PLL模块，计算得到电机转速和转子位置。
在传统滑模观测器中，两相静止坐标系的估算反电势是正交的，而本发明的两相估算反电势并非正交；并且，由于低通滤波器的使用将导致相位延迟。因此，本发明构建了无相位补偿的通用PLL以获取电机转速和转子位置信息。无相位补偿的通用PLL结构框图如图5所示，包括鉴相器、环路滤波器和压控振荡器。
根据式(2)以及转子位置范围,估算反电势必须满足：
因此，可得：
根据图5，鉴相器的相位误差表示为：
由式(10)和(11)可得，鉴相器的输出Δe为估算转子位置误差。将式(11)中估算转子位置误差Δe通过环路滤波器即可得到估算转速信息同时将Δe通过环路滤波器和压控振荡器可得转子位置信息
图6给出了电机运行于300r/min时不同调节系数a值的估算反电势仿真结果。可以发现a＝0.2，0.1，0.05和0.01时对应的谐波含量分别为12.3％，8.7％，4.4％和1.6％。因此，随着调节系数a的增加，THD降低，这将有助于减小系统抖振。然而，估算反电势幅值呈下降趋势。值得注意的是，当a达到一定值时，估算反电势幅值和THD将不再变化。为了同时保证良好的动稳态性能，本专利取a＝0.01。此外，图6(a)和(b)为BC相估算反电势，而图6(c)和(d)为AC相估算反电势，说明任意两相正常相反电势均可用来估算转子位置，验证了本发明所提出算法的可行性。
综上，本发明公开了一种用于五相永磁容错电机无位置传感器控制方法，首先，建立基于反电势的五相永磁容错电机的任两相数学模型；其次，利用双曲线函数构建基于任两相信号的电流状态观测器以获取相应的相反电势；最后，构建通用锁相环(PLL)，将所述正常两相反电势输入通用PLL模块，计算得到电机转速和转子位置。本发明的控制方法算法计算量小，简单易于实现，能够有效抑制系统中高频抖振，解决相位延迟问题，提高转子位置的估算精度；并且，省去坐标变换，构建基于反电势的五相永磁容错电机的任两相数学模型以获取转子位置信息，提高系统的鲁棒性，使得电机在故障模式下和参数变化扰动下均具有较好的跟踪能力。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
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