[发明专利]永磁同步电机的混合位置观测器及无位置传感器伺服系统

说明书

本发明公开了一种永磁同步电机的混合位置观测器及无位置传感器伺服系统，通过电流检测模块采集永磁同步电机的三相电流，并将其转换为d‑q坐标系下的实际电流，输入到混合位置观测器；混合位置观测器对实际电流进行处理，得到角速度加权律，经过加权模块加权处理后，得到转子转速的反馈值和转子位置角，转子转速的反馈值与设定的目标转速做差并调节，将q轴所需要的电流与基波反馈电流做差并调节，得到q轴控制电压；将d轴所需要的电流和基波反馈电流做差并调节，得到得到d轴控制电压，将d轴控制电压与高频方波电压叠加，并转换为α‑β坐标系下的电压，通过SVPWM控制器输出六路PWM控制三相逆变器的输出进而控制永磁同步电机运行。

技术领域

本公开涉及永磁同步电机伺服控制领域，具体涉及一种基于定子磁链观测器与高频方波注入法混合的全速范围运行的永磁同步电机的混合位置观测器、无位置传感器矢量控制伺服系统及死区补偿方法。

背景技术

永磁同步电机组成的伺服系统(Permanent magnet synchronous motor，PMSM)在航空航天、工业领域、电动汽车以及家用电器等领域得到了广泛应用。众所周知，位置信息在伺服系统中起到了举足轻重的作用。按照是否采用光电编码器或旋转变压器，伺服系统可分为有位置伺服系统和无位置伺服系统。本公开涉及无位置传感器的PMSM矢量控制伺服系统。无位置传感器PMSM矢量控制伺服系统可分为两类：一类是基于定子观测器的方案；另一类是基于高频注入(High frequency injection,HFI)的方案。

定子磁链观测器的方案是通过定子电压与电流以及PMSM的基波数学模型，间接获得转子位置和转速信息。由于是基于反电势原理来估计位置和转速，一旦系统起动或低速运行时，反电势较小甚至为零，则观测器方案失效。因此，基于定子磁链观测器的方案主要适应于中、高速运行区，无法满足零、低速区运行；与之相反，HFI方案是通过在定子绕组中注入高频电压所产生的高频电流响应提取转子位置和转速信息，它利用的是因磁路结构不对称所引起的定子电感随转子位置的变化信息，这种方案适用于零速和低速运行。

为了确保无位置传感器PMSM矢量控制系统能够在全速范围内运行，一种有效措施是将HFI方案和定子磁链观测器方案结合。如何实现HFI方案与定子磁链观测器方案的结合，确保零、低速与中、高速区内转子位置角和转速的平滑过渡是实现系统全速范围内稳定运行的关键。本公开所提出的混合位置观测器方案就是围绕这一问题展开的。

针对PMSM无位置传感器矢量控制系统，现有HFI方案和定子磁链观测器结合的方案有：(1)单纯转子位置角估计值的加权方案：这种方案低速时采用HFI脉振注入方法，所采用的信息是与转子位置角实际值和估计值之间偏差有关的(高频)电流信息，以及位置跟踪观测器获得低速区的转子位置角和转速估计值；而中高速时采用直接采用滑模观测器方案获得转子位置角和转速的信息。在低速与中速重叠区则通过估计转子位置角的加权实现低速到高速的切换。这种方案在重叠区的选择以及转速的平滑切换等存在一定的问题；(2)同一位置跟踪观测器方案：与上述方案不同，这种方案虽然也采用了位置跟踪观测器和转子位置角估计值的加权，但低、高速区所利用的信息均为与转子位置角实际值和估计值之间偏差有关的(高频和低频)电流信息，然后，通过同一位置跟踪观测器获得全速范围内最终的转子位置角和转速估计值。该方案的好处是位置角的平滑性较好。但由于两种方案的差异，同一位置跟踪观测器难以同时兼顾低速和高速对转子位置偏差角收敛速度的要求；(3)转子磁链幅值的加权方案：这种方案将由HFI方法所获得的转子位置角估计值作为低速时转子磁链矢量的角度，并结合永磁磁链的幅值得到低速时的转子磁链矢量，而对于中、高速时的转子磁链矢量则采用电流和电压混合模型计算获得。然后，通过转子磁链的加权间接实现高、低速转子位置估计角的切换；(4)转速自适应的定子磁链观测器融合方案：这种方案将低速由HFI方法所估计的转速融合至定子磁链观测器中的转速自适应律中，由此获得全速范围的转速和转子位置角和估计。该方案需要同时兼顾HFI方案中的位置跟踪观测器带宽和定子磁链观测器方案中的转速自适应律的带宽，容易引起两种方案的耦合，导致系统动态性能下降。此外，该方案在切换过程中易出现“失步”现象。