一种三相永磁同步电机的无传感器检测方法

1.本发明涉及永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种三相永磁同步电机的无传感器检测方法。


背景技术：

2.永磁同步电动机是一个多变量、非线性、强耦合系统，应用环境一般较为复杂且常常伴随各种不确定扰动等问题，这就要求控制系统具有更强的稳定性与鲁棒性。如何准确地获取电机转子位置和转速是系统稳定运行的关键，通常采用机械式传感器获得转子位置和转速，但其会造成系统成本增加、维护困难、增大系统体积、降低系统可靠性等缺点，极大地限制了其应用场合。为了解决上述问题，通常采用无传感器检测技术来获得电机转子位置和转速信息，但是传统无传感器检测技术有抗干扰能力较差、速度达到稳定值的时间较长、位置估计的准确性较差、对电机参数较为敏感、存在积分累积误差等缺点，因此对于无传感器检测技术依然值得深入研究。


技术实现要素：

3.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种三相永磁同步电机的无传感器检测方法，通过自适应全阶观测器估计永磁同步电机的位置和速度，通过有功功率模型参考自适应系统估计永磁同步电机的定子电阻以及永磁体磁链，并且把定子电阻的估计值和永磁体磁链的估计值用于自适应全阶观测器中，有效解决了传统模型参考自适应系统在计算过程中方程欠秩和辨识速度慢的问题，获得更为准确的位置估计信号。
4.本发明提供了一种三相永磁同步电机的无传感器检测方法，包括如下步骤：
5.永磁同步电机dq轴电压u
dq
和dq轴电流i
dq
通过有功功率模型参考自适应方法得到定子电阻估计值和磁链估计值
6.永磁同步电机dq轴电压u
dq
、dq轴电流i
dq
、定子电阻估计值和磁链估计值通过自适应全阶观测器生成dq轴电流估计值所述dq轴电流估计值和dq轴电流i
dq
通过自适应控制方法得到位置角估计值和转速估计值
7.进一步的，所述电阻估计值的获取方法包括：
8.根据有功功率和由定子电阻自适应模型得到功率误差e
pr
为：
[0009][0010]
其中，pr为瞬时有功功率，为p＝u
qiq
+udid，为定子电阻自适应模型的功率，为
[0011]
所述功率误差e
pr
通过非线性时变反馈计算得到定子电阻估计值为：
[0012][0013]
其中，a
pr
和a
ir
为增益项，nr为功率误差e
pr
经过补偿项后转换成的严格正实数。
[0014]
进一步的，所述磁链估计值的获取方法包括：
[0015]
根据有功功率和由磁链自适应模型的功率得到功率误差e
pψ
为：
[0016][0017]
其中，p
ψ
为瞬时有功功率，为p
ψ
＝u
qiq
+udid，为定子电阻自适应模型的功率，为
[0018]
所述功率误差e
pψ
通过非线性时变反馈计算得到磁链估计值为：
[0019][0020]
其中，a
pψ
与a
iψ
为增益项，n
ψ
为e
pψ
为经过补偿项后转换成的严格正实数。
[0021]
进一步的，所述自适应全阶观测器为：
[0022][0023]
其中，
[0024]
进一步的，所述参数自适应方法为pi自使用控制方法，得到电角速度估计值和转子位置角分别为：
[0025][0026][0027]
进而得到转速估计值为：
[0028]
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0029]
1.本发明涉及三相永磁同步电机无传感器检测方法，自适应全阶观测器所得到的估计转速能够准确地跟踪电机实际转速，估计转子位置也能准确跟踪实际转子位置，稳态性能好，抗干扰能力强；
[0030]
2.本发明中有功功率模型参考自适应系统是通过有功功率差值来估计定子电阻以及永磁体磁链，并且把估计出的定子电阻以及永磁体磁链用于自适应全阶观测器中，用此方法有效解决了传统模型参考自适应系统在计算过程中方程欠秩和辨识速度慢的问题，从而提高了永磁同步电机的稳定性；
[0031]
3.本发明在电机不安装机械式传感器的情况下，利用电机的数学模型以及提取得到的电压、电流等物理量，估算出永磁同步电机的转速和转子位置角。无传感器检测具有不
需要额外改造电机、适应性强、适用范围广、节约成本、易于维护等优点。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0032]
图1是本发明一具体实施例的三相永磁同步电机的无传感器检测系统整体结构原理图；
[0033]
图2是本发明一具体实施例的三相永磁同步电机驱动系统拓扑结构图等效模型；
[0034]
图3是本发明一具体实施例的有功功率参考自适应控制原理图；
[0035]
图4是本发明一具体实施例的基于自适应全阶观测器的位置估计器原理图；
[0036]
图5是本发明一具体实施例的有功功率误差反馈系统的结构原理图；；
[0037]
图6是本发明一具体实施例的自适应全阶观测器误差反馈系统的结构图；
[0038]
图7是本发明一具体实施例估计转速和实际转速的仿真波形；
[0039]
图8是本发明一具体实施例估计角度和实际角度的仿真波形；
[0040]
图9是本发明一具体实施例角度误差仿真波形；
[0041]
图10是本发明一具体实施例定子电阻估计值仿真波形；
[0042]
图11是本发明一具体实施例永磁体磁链估计值仿真波形。
具体实施方式
[0043]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0044]
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0045]
为了阐释的目的而描述了本发明的一些示例性实施例，需要理解的是，本发明可通过附图中没有具体示出的其他方式来实现。
[0046]
一种三相永磁同步电机无传感器检测系统，如图1所示，包括如图2所示的驱动电路、转速控制外环、电流控制内环、位置估计，通过有功功率模型估计出电机定子电阻以及永磁体磁链，利用定子电阻估计值、永磁体磁链估计值和d、q轴电压d、q轴电流通过自适应全阶观测器估计电机的位置和转速，由于永磁同步电机给定转速，与估计转速比较得到转速偏差，通过pi调节器计算得到电流参考值，得到的电流参考值再经pi调节器计算得到d、q轴电压，通过空间矢量脉宽调制(svpwm)计算igbt的通断时间。
[0047]
基于上述三相永磁同步电机的无传感器检测系统，其无传感器检测方法包括如下步骤：
[0048]
s1、永磁同步电机dq轴电压u
dq
和dq轴电流i
dq
通过有功功率模型参考自适应方法
得到定子电阻估计值和磁链估计值
[0049]
在一具体实施例中，表贴式永磁同步电机在d-q旋转坐标轴下数学模型为：
[0050][0051]
转矩方程为：
[0052]
te＝1.5p
niq
[id(l
d-lq)+ψf]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0053]
其中：ud、uq分别表示d、q两轴的电压；id、iq分别表示d、q两轴的电流；ld、lq分别表示d、q两轴的电感；rs、ωe、ψf分别表示电机定子阻值大小、电机电角速度以及电机的永磁体磁链值，pn为电机极对数。
[0054]
如图3所示，通过功率误差分别得到定子电阻估计值和永磁体磁链估计值所述电阻估计值的获取方法包括：
[0055]
s11、根据dq轴电压u
dq
和dq轴电流i
dq
得到瞬时有功功率pr的表达式如下：
[0056]
pr＝u
qiq
+udidꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0057]
将式(1)与式(2)带入到式(3)中得到有功功率pr为：
[0058][0059]
由于在稳态下电流导数为零，并且表贴式永磁同步电机的电感满足ld＝lq＝ls，并且id＝0时，此时的有功功率pr为：
[0060][0061]
当id＝0时，式(1)中d轴电压为：
[0062]
ud＝-ωel
qiq
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0063]
将式(6)通过变换得到：
[0064]
ωeiq＝-ud/lqꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0065]
将式(7)带入到式(5)中得到定子电阻自适应模型为：
[0066][0067]
其中，表示用于定子电阻自适应模型的功率。
[0068]
s12、根据有功功率pr和由定子电阻自适应模型的功率得到定子电阻功率误差信号e
pr
为：
[0069][0070]
通过上述公式可见，在估计定子电阻时，式(5)给出的有功功率表达式依赖于速度，没有用作误差信号的求取，从而增加了复杂性，而本发明采用如式(8)所示的自适应模型与速度无关，将其用于定子电阻估计，降低了计算复杂性。
[0071]
s13、定子电阻功率误差信号e
pr
通过自适应控制律得到定子电阻估计值
[0072]
为了确保能够稳定的得到定子电阻功率误差信号e
pr
，定子电阻功率误差信号e
pr
通过一个具有非线性时变反馈回路和线性时不变前馈回路构成的闭环控制系统得到，所述闭环控制系统如图4a所示。通过非线性时变反馈回路估计定子电阻，通过线性时不变前馈回路保证严格正实。图中非线性时变部分的方程为：
[0073][0074]epr
＝-mrꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0075]
其中，hr＝u
qiq
+udid+udψf/lq，kr＝i
q2
。
[0076]
从图中可知，该系统由线性时不变前馈回路组成，当线性时不变前馈路径是严格正实的并且非线性时变反馈路径满足popov不等式条件时，满足landau超稳定性准则，为此，本技术中引入了补偿项“x”，将线性时不变前馈路径取绝对值，进而将输入值转换为严格正实数，最终得到定子电阻估计值为：
[0077][0078]
在一具体实施例中，功率误差信号e
pr
通过基于比例积分(pi)控制器的自适应律得到，a
pr
和a
ir
为pi调节增益，nr为功率误差e
pr
经过补偿项后转换成的严格正实数，a
pr
和a
ir
根据经验设定。
[0079]
所述永磁体磁链估计值的获取方法与定子电阻估计值的获取方法相同，包括：
[0080]
根据dq轴电压u
dq
和dq轴电流i
dq
得到瞬时有功功率p
ψ
与pr相同，得到估计永磁体磁链的自适应模型为：
[0081][0082]
根据有功功率p
ψ
和由永磁体磁链自适应模型的功率得到永磁体磁链功率误差信号e
pψ
为：
[0083][0084]
式(14)中的功率误差通过自适应律来估计永磁体磁链。
[0085]
永磁体磁链的功率误差信号e
pψ
通过通过一个具有非线性时变反馈回路的闭环控制系统得到，所述闭环控制系统如图4b所示。图中，非线性时变部分的方程为：
[0086][0087]epψ
＝-m
ψ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0088]
其中：h
ψ
＝u
qiq
+udi
d-ri
q2
，k
ψ
＝ud/lq。
[0089]
永磁体磁链估计值为：
[0090][0091]
其中，n
ψ
为e
pψ
为经过补偿项后转换成的严格正实数，a
pψ
与a
iψ
为增益项，在一具体实施例中，所述功率误差信号e
pr
通过基于比例积分(pi)控制器的自适应律得到，a
pr
和a
ir
为pi调节增益。
[0092]
s2、永磁同步电机dq轴电压u
dq
、dq轴电流i
dq
、定子电阻估计值和磁链估计值通过自适应全阶观测器生成dq轴电流估计值所述dq轴电流估计值和dq轴电流i
dq
通过自适应控制方法得到位置角估计值和转速估计值其控制过程如图5所示。
[0093]
将永磁同步电机在d-q旋转坐标轴下数学模型改写为电流状态方程为：
[0094][0095]
式(18)可简写为：
[0096][0097]
其中：
[0098][0099]
通过步骤s1获得的定子电阻估计值和磁链估计值表示的d、q轴电流和电角速度，可以获得基于电流的控制系统的自适应全阶观测器为：
[0100][0101]
其中，
[0102]“＾”表示估计值，ld、lq分别表示d、q两轴的电感；rs、ωe、ψf分别表示电机定子阻值大小、电机电角速度以及电机的永磁体磁链值，g为误差反馈增益矩阵。
[0103]
反馈增益矩阵的设计直接影响自适应全阶观测器的稳定性和收敛速度。因此，有必要配置反馈增益矩阵g的极点，以确保所提出的观测器的稳定性。
[0104]
首先，构造非线性时变误差反馈系统，将当前误差矢量e定义为：
[0105][0106]
将式(19)和式(20)两个电流状态方程相减可以得到：
[0107][0108]
其中，w为电流误差方程，为
[0109][0110]
根据式(22)，可以得到误差反馈系统如图6所示，图中，c是系数矩阵。由图5可见，误差反馈系统包含线性正向路径和非线性反馈路径两部分。由于pmsm的结构是表贴式，满足ld＝lq＝ls，因此整个电机系统的原始极点s求解为：
[0111][0112]
其中，i是正定矩阵。
[0113]
通常，自适应全阶观测器的极点设计为电机系统本身极点的k倍。因此，本发明中关于popov超稳定性理论所提出的观测器的极点配置为：
[0114][0115]
解得进而可得误差反馈增益矩阵g为：
[0116][0117]
将g为误差反馈增益矩阵代入式(20)中得到基于电流的自适应全阶观测器，通过所述电流自适应全阶观测器可以得到dq轴电流估计值和
[0118]
根据popov超稳定性理论，若要求这个动态误差反馈系统是稳定的，其必须要满足以下两个条件：
[0119]
(1)传递函数矩阵[si-(am+g)]-1
必须为严格正定矩阵；
[0120]
(2)且为任意有限正数；
[0121]
通过上述误差反馈增益矩阵g计算过程中可以能够证明[si-(am+g)]-1
满足严格正定矩阵条件，即满足了条件(1)；然后将条件(2)中的积分不等式进行反向求解，得到参数自适应律。因此将上述电流误差方程w代入到popov积分不等式中可以得到：
[0122]
[0123]
将改写为下式：
[0124][0125]
将式(27)代入式(26)中可得：
[0126][0127]
为了满足上述条件(2)，需要使则可以分别使即得到：
[0128][0129][0130]
其中，为任意有限正数。
[0131]
为满足式(29)，可用不等式(31)，即：
[0132][0133]
令：
[0134][0135][0136]
对式(33)两边进行微分运算，即可获得：
[0137][0138]
将式(34)代入到式(29)中：
[0139][0140]
由式(35)可以看出该不等式满足的条件。
[0141]
对于式(30)，为满足的条件，可以取：
[0142][0143]
将式(36)代入到式(30)中，可以得到：
[0144][0145]
由式(37)可以看出该不等式亦能满足的条件。
[0146]
综上所述，将式(34)、(36)代入到式(28)中一定可以满足popov积分不等式，即：
[0147][0148]
也就可以说明，如果的表达式如(27)所示，所构建的自适应全阶观测器是可以稳定运行的。联立式(27)、(34)、(36)可以整理得到电角速度的估计值为：
[0149][0150]
进而得到采用pi自适应控制方式得到电角速度估计表达式：
[0151][0152]
将和带入式，即得到参数自适应律得到的电角速度估计值
[0153][0154]
其中，为为估计电角速度初始值，进而通过下式得到转速估计值
[0155][0156]
其中，pn表示极对数，进而得到转子位置角可表示为：
[0157][0158]
s3、转速估计值与转速给定值做差后经pi控制得到q轴电流给定值q轴电流给定值与q轴电流iq的差经pi控制得到q轴电压uq，d轴电流id做差后经pi控制得到d轴电压ud，q轴电压uq、d轴电压ud通过坐标变换和svpwm调制得到驱动信号。
[0159]
在一具体实施例中，利用三相永磁同步电机对上述实施例进行验证。所述三相永磁同步电机的参数如表1所示。
[0160]
表1
[0161][0162]
[0163]
所述电机给定转速1000r/min空载启动运行，有功功率模型参考自适应系统是通过功率差值来估计定子电阻以及永磁体磁链，并且把定子电阻估计值以及永磁体磁链估计值用于自适应全阶观测器中，进行验证得到图7-图11。
[0164]
图7是估计转速和实际转速仿真波形，可以看出，当给定转速为1000r/min时，估计转速可以很好地跟踪实际转速，稳定在1000r/min左右；
[0165]
图8是估计角度和实际角度仿真波形，可以看出估计转子位置能够跟随实际转子位置；
[0166]
图9是估计角度和实际角度的误差仿真波形，可见当电机刚启动时误差较大，随着转速的上升，转子位置与实际转子位置误差变小，也就是说明转子位置能够跟随实际转子位置；
[0167]
图10是有功功率模型参考自适应系统中对于电机定子电阻估计的仿真波形，电机定子电阻阻值为0.5ω，可以看出开始时波动较大，随着转速的上升，估计的定子电阻值与实际的定子电阻值相近；
[0168]
图11是有功功率模型参考自适应系统中对于永磁体磁链估计的仿真波形，永磁体磁链为0.18wb，可以看出开始时波动较大，随着转速的上升，估计的永磁体磁链值与实际的永磁体磁链值相近。
[0169]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种三相永磁同步电机的无传感器检测方法，其特征在于，包括如下步骤：永磁同步电机dq轴电压u
dq
和dq轴电流i
dq
通过有功功率模型参考自适应方法得到定子电阻估计值和磁链估计值永磁同步电机dq轴电压u
dq
、dq轴电流i
dq
、定子电阻估计值和磁链估计值通过自适应全阶观测器生成dq轴电流估计值所述dq轴电流估计值和dq轴电流i
dq
通过自适应控制方法得到位置角估计值和转速估计值2.根据权利要求1所述一种三相永磁同步电机的无传感器检测方法，其特征在于，所述电阻估计值的获取方法包括：根据有功功率和由定子电阻自适应模型得到功率误差e
pr
，为：其中，p
r
为瞬时有功功率，为p
r
＝u
q
i
q
+u
d
i
d
，为定子电阻自适应模型的功率，为所述功率误差e
pr
通过非线性时变反馈计算得到定子电阻估计值为：其中，a
pr
和a
ir
为增益项，n
r
为功率误差e
pr
经过补偿项后转换成的严格正实数。3.根据权利要求1所述一种三相永磁同步电机的无传感器检测方法，其特征在于，所述磁链估计值的获取方法包括：根据有功功率和由磁链自适应模型得到功率误差e
pψ
为：其中，p
ψ
为瞬时有功功率，为p
ψ
＝u
q
i
q
+u
d
i
d
，为定子电阻自适应模型的功率，为所述功率误差e
pψ
通过非线性时变反馈计算得到磁链估计值为：其中，a
pψ
与a
iψ
为增益项，n
ψ
为e
pψ
为经过补偿项后转换成的严格正实数。4.根据权利要求1所述一种三相永磁同步电机的无传感器检测方法，其特征在于，所述自适应全阶观测器为：
其中，g为误差反馈增益矩阵，为：5.根据权利要求4所述一种三相永磁同步电机的无传感器检测方法，其特征在于，所述参数自适应方法为pi自使用控制方法，得到电角速度估计值转子位置角分别为：分别为：通过电角速度估计值得到转速估计值为：其中，p
n
表示极对数。

技术总结
本发明公开了一种三相永磁同步电机的无传感器检测方法，涉及永磁同步电机控制领域。本发明的永磁同步电机dq轴电压和电流通过有功功率模型参考自适应方法得到定子电阻估计值和磁链估计值；永磁同步电机dq轴电压、dq轴电流、定子电阻估计值和磁链估计值通过自适应全阶观测器生成dq轴电流估计值，dq轴电流估计值和dq轴电流通过自适应控制方法得到位置角估计值和转速估计值。本发明有效解决了传统模型参考自适应系统在计算过程中方程欠秩和辨识速度慢的问题，获得更为准确的位置估计信号。号。号。


技术研发人员：高晗璎 贾文旭
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/8