[发明专利]基于模型的内嵌式永磁同步电机无位置传感器控制方法

说明书

本发明涉及一种基于模型的内嵌式永磁同步电机(IPMSM)无位置传感器控制方法，包括以下步骤：采用三阶超螺旋扩展状态观测器代替线性扩展状态观测器，获得更准确的速度估计信号和更强的干扰估计能力，并且减小线性增益可能引起的振荡。本发明用于IPMSM无位置传感器控制的角度和速度估算方法，在模型中考虑系统扰动，并结合超螺旋(super‑twisting)算法构建增益可变的三阶扩展状态观测器，具有快速收敛，参数配置简单的特点，可以实现快速变化的系统扰动的观测，提升驱动系统的整体动态性能。

技术领域

本发明涉及一种基于模型的内嵌式永磁同步电机无位置传感器控制方法。

背景技术

永磁同步电机的无位置传感器控制由于其在成本、体积、可靠性方面的优势，在工业自动化、牵引电机等系统中有着广泛的应用。在实际应用的复杂工况下，采用无位置传感器控制的内嵌式永磁同步电机(IPMSM)驱动系统经常工作在连续重载的高利用率状态下。其中快速变化的未知负载，逆变器损失，电磁饱和等各种系统扰动会严重影响无位置传感器控制的动态性能和稳定性。在基于模型的方法中，扩展反电势(EEMF)作为一种IPMSM基础模型被广泛使用。在获得原始 EEMF信息后，为了进一步提升动态性能降低误差，在无位置传感器控制最后阶段的转子角度和速度的获取变得尤为关键，关乎驱动系统的整体表现。

传统方法采用直接计算或锁相环来获取电机转子速度和角度，由于不考虑系统机械特性，以及受制于PI本身的局限，对信号噪声的处理能力比较有限。实际应用中甚至需要额外的滤波处理，引起相位延迟，降低动态下的估算性能。一些改进方法采用自适应的线性扩展状态观测器来提升电机转子速度和角度的估算性能，在没有其他补偿的情况下，由于其采用固定的观测器增益，观测性能仍有待提升。

如图1所示，由于反电势中包含了转子角度和速度信息，传统方法一般都基于图1的结构。首先通过使用定子电压参考值和电流测量值i_αβ，由扩展反电势观测器估算扩展反电势经由滤波处理通过直接计算或锁相环获取估算的转子角度和速度

其中直接计算法利用反正切函数从扩展反电势中得到永磁同步电机转子的估计角度和速度，这种方法简单直接，但受信号噪音影响较大这种方法并不可取。锁相环是一种常用的跟踪估计反电动势相位和频率的技术。它可以作为最后阶段的角度和速度估算器，使位置误差不断减小到零。为了得到平滑稳定的速度信号，往往需要对反电势和速度信号进行滤波处理。

一些改进方法采用了图2基于线性扩展状态观测器或零相位滞后观测器的外差法结构，替代了后端直接计算或锁相环模块，通过前端估算的扩展反电势在无低通滤波器的情况下进行位置和速度的观测，以提高观测性能。

其中观测角度的误差可以通过外差法获得：

当误差足够小时，

其中和是观测的扩展反电势，是观测的转子电角度θ_re是真实的转子电角度是观测电角度和真实电角度的误差然后误差馈送到线性扩展状态观测器以获取无传感器控制的速度和角度。线性扩展状态观测器模块的内部可以用图3来表示。

其数学模型可以写成：

其中是观测的电速度，Te是永磁同步电机的电磁转矩，是观测的负载转矩J是转动惯量，P_n是极对数，l₁，l₂和l₃是观测器的增益，可以通过极点配置得到。