[发明专利]一种无速度传感器的内插式永磁同步电机无源控制方法

摘要

本发明涉及一种无速度传感器的内插式永磁同步电机无源控制方法，设定期望的电机转速，建立非奇异高阶终端滑模观测器估算出电机转速估计值和电机转子角位移估计值，求得期望的电机转速和电机转速估计值的差值，进行PI调节，求得期望的电磁转矩,经过最优转矩控制得到期望的d轴电流分量和期望的q轴电流分量，建立基于端口受控哈密顿系统模型的内插式永磁同步电机的无源控制器，求得d轴电压分量和q轴电压分量，将d轴电压分量和q轴电压分量进行park‑1变换，得到α轴电压分量和参考的β轴电压分量，α轴电压分量和参考的β轴电压分量经过电压空间矢量脉宽调制，得到六路驱动脉冲信号。该控制方法可使整个系统具有良好的稳态精度和动态性能。

主权项

一种无速度传感器的内插式永磁同步电机无源控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在内插式永磁同步电机运行过程中，实时采集A相输出电压、C相输出电压、A相输出电流和B相输出电流，并设定内插式永磁同步电机期望的电机转速；步骤2：将A相输出电流和B相输出电流进行Clark变换，得到内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下的α轴电流分量和β轴电流分量，将A相输出电压和C相输出电压进行Clark变换，得到内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下的α轴电压分量和β轴电压分量；步骤3：建立用于估计内插式永磁同步电机的电机转速和电机转子位移的非奇异高阶终端滑模观测器，该非奇异高阶终端滑模观测器的输入为α‑β静止坐标系下的α轴电流分量和β轴电流分量、α‑β静止坐标系下的α轴电压分量和β轴电压分量，输出为电机转速估计值和电机转子角位移估计值；步骤3.1：根据内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下电流的状态方程构建滑模观测器；所述内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下电流的状态方程形式如下所示：ddtiαiβ=Aiαiβ+1Lduαuβ-1Ldeλαeλβ;]]>其中，eλαeλβ=[ωrKE+(Ld-Lq)(ωrid-D′iq)]-sinθecosθe;]]>iα为内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下的α轴电流分量；iβ为内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下的β轴电流分量；uα为内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下的α轴电压分量；uβ为内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下的β轴电压分量；Ld为内插式永磁同步电机d轴的电感分量；Lq为内插式永磁同步电机q轴的电感分量；rs为内插式永磁同步电机的定子电阻；ωr为内插式永磁同步电机转子电角速度；D′为微分算子；KE为反电动势常数；θe为d轴与α轴的空间位置角；eλα、eλβ为内插式永磁同步电机的扩展反电动势在α的分量和β轴的分量；所述根据内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下电流的状态方程形式，构建的滑模观测器如下所示：ddti^αi^β=Ai^αi^β+1Lduαuβ+1Ldvαvβ;]]>其中，为内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下的α轴电流分量估计值；为内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下的β轴电流分量估计值；vα为滑模观测器控制律在α轴的分量；vβ为滑模观测器控制律在β轴的分量；步骤3.2：根据内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下电流的状态方程和构建的滑模观测器方程，得到内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下电流估计误差的状态方程；所述根据内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下电流的状态方程和构建的滑模观测器方程，得到内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下电流估计误差的状态方程如下所示：ddti~αi~β=Ai~αi~β+1Ldeλαeλβ+1Ldvαvβ;]]>其中：内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下α轴电流分量估计误差；为内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下β轴电流分量估计误差；步骤3.3：利用内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下α轴电流估计误差和β轴电流估计误差建立非奇异高阶终端滑模面S，在有限时间内，使内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下α轴电流分量估计值β轴电流分量估计值趋近于检测的内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下的α轴电流分量iα、β轴电流分量iβ；所述建立的非奇异高阶终端滑模面S如下所示：S=SαSβ=i~α+γαi~·αp/qi~β+γβi~·βp/q;]]>其中：Sα为α相非奇异高阶终端滑模面；Sβ为β相非奇异高阶终端滑模面；γα、γβ为常数；γα＞0，γβ＞0；为α轴电流分量估计误差导数的p/q；为β轴电流分量估计误差导数的p/q；p，q为奇数，1＜p/q＜2；步骤3.4：利用滑模观测器控制律得到内插式永磁同步电机的扩展反电动势值eλ；所述内插式永磁同步电机的扩展反电动势值eλ如下所示：eλ＝‑v；其中，滑模观测器控制律：v＝‑Ldveq+vm；veq=Ai~αi~βT;]]>vm=-∫0t[(Ldq/p)γα-1i~·α(2-p/q)γβ-1i~·β(2-p/q)+(κ+η)sgnS+μS]dτ;]]>sgnS＝[sgnSα sgnSβ]T；κ，η，μ为设计参数；κ>||e·λ||,η>0,μ>0;]]>步骤3.5：利用锁相环跟踪算法得到的电机转速估计值和电机转子角位移估计值对进行PI调节，利用非奇异高阶终端滑模观测器估算出电机转速估计值再对电机转速的估计值进行积分调节得到电机转子角位移估计值形成对电机转子角位移的锁相环结构；步骤4：求得内插式永磁同步电机期望的电机转速和电机转速估计值的差值，即内插式永磁同步电机的转速差值；步骤5：将内插式永磁同步电机的转速差值作为PI调节器的输入，求得内插式永磁同步电机期望的电磁转矩；步骤6：利用内插式永磁同步电机期望的电磁转矩，建立以内插式永磁同步电机的两相同步旋转坐标系d‑q下的d轴电流分量和q轴电流分量满足电磁转矩方程的条件极值为目标的拉格朗日方程，进而求得内插式永磁同步电机的两相同步旋转坐标系d‑q下期望的d轴电流分量和期望的q轴电流分量，完成最优转矩控制；所述电磁转矩方程如下所示：Te＝pn[ψfiq+(Ld‑Lq)idiq]；其中，Te为内插式永磁同步电机的电磁转矩；ψf为内插式永磁同步电机的转子磁链；pn为内插式永磁同步电机的电机极对数；id为内插式永磁同步电机的两相同步旋转坐标系d‑q下的d轴电流分量；iq为内插式永磁同步电机的两相同步旋转坐标系d‑q下的q轴电流分量；所述构造的拉格朗日方程如下所示：L(id*,iq*,λ)=id*2+iq*2+λ{pn[ψfiq*+(Ld-Lq)id*iq*)-Te*};]]>其中：λ为拉格朗日乘子；为内插式永磁同步电机期望的电磁转矩；为内插式永磁同步电机的两相同步旋转坐标系d‑q下期望的d轴电流分量；为内插式永磁同步电机的两相同步旋转坐标系d‑q下期望的q轴电流分量；对构造的拉格朗日方程的和λ求偏导，并令各式为零，可求得如下：id*=-ψf+ψf2+4(Ld-Lq)2iq*22(Ld-Lq)Te*=pnid*2+ψfid*(Ld-Lq)[ψf+(Ld-Lq)id*];]]>步骤7：利用电机转子角位移估计值，将内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下的α轴电流分量和β轴电流分量进行park变换，得到内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d‑q下反馈的d轴电流分量和反馈的q轴电流分量；步骤8：建立基于端口受控哈密顿系统模型的内插式永磁同步电机的无源控制器：将内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d‑q下期望的d轴电流分量和期望的q轴电流分量、期望的电机转速、电机转速估计值、内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d‑q下反馈的d轴电流分量和反馈的q轴电流分量作为内插式永磁同步电机的无源控制器的输入，内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d‑q下的d轴电压分量和q轴电压分量作为内插式永磁同步电机的无源控制器的输出；步骤8.1：建立内插式永磁同步电机的数学模型；所述内插式永磁同步电机的数学模型如下所示：Lddiddt=-rsid+ωrLqiq+udLqdiqdt=-rsiq-ωrLdid-ωrψf+uqJpndωrdt=Te-TL=pn[(Ld-Lq)idiq+ψfiq]-TL;]]>其中，ud为内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d‑q下的d轴电压分量；uq为内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d‑q下的q轴电压分量；TL为内插式永磁同步电机的负载转矩；J为内插式永磁同步电机的转动惯量；步骤8.2：定义内插式永磁同步电机的状态方程、输入向量、输出向量和外加干扰；所述内插式永磁同步电机的状态方程x如下所示：xx1x2x3T=LdidLqiqJpn2ωrT=DidiqωrT;]]>其中，所述内插式永磁同步电机的输入向量u下所示：u＝[ud uq]T；所述内插式永磁同步电机的输出向量y如下所示：y＝[id iq]T；所述内插式永磁同步电机的外加干扰ζ如下所示：ζ=00-1pnTL;]]>其中，ζ为内插式永磁同步电机的外加干扰；步骤8.3：建立内插式永磁同步电机的Hamilton函数；所述内插式永磁同步电机的Hamilton函数H(x)如下所示：H(x)=12xTD-1x=12[1Ldx12+1Lqx22+pn2Jx32];]]>对内插式永磁同步电机的Hamilton函数求偏导得：∂H(x)∂x=idiqωrT;]]>步骤8.4：根据内插式永磁同步电机的Hamilton函数建立内插式永磁同步电机的端口受控哈密顿系统模型；所述内插式永磁同步电机的端口受控哈密顿系统模型如下所示：x·=[J(x)-R(x)]idiqωr+g(x)uduq+ζy=gT(x)∂H(x)∂x=idiqT;]]>其中：R(x)=rs000rs0000;]]>为3×2常数矩阵；步骤8.5：利用“最大转矩/电流”控制原理确定内插式永磁同步电机期望的平衡状态；所述利用“最大转矩/电流”控制原理确定内插式永磁同步电机期望的平衡状态如下所示：x0=x10x20x30T=Ldid*Lqiq*Jpn2ωr*T;]]>其中，x0为内插式永磁同步电机期望的平衡状态；为内插式永磁同步电机期望的电机转速；步骤8.6：根据内插式永磁同步电机期望的平衡状态，得到内插式永磁同步电机闭环系统期望的Hamilton函数；所述内插式永磁同步电机闭环系统期望的Hamilton函数Hd(x)如下所示：Hd(x)=12(x-x0)TD-1(x-x0);]]>其中，D‑1是D的逆矩阵；步骤8.7：根据能量成型和互联、阻尼配置原则确定基于端口受控哈密顿系统模型的内插式永磁同步电机的无源控制器；所述能量成型和互联、阻尼配置原则如下所示：‑[Jd(x)‑Rd(x)]D‑1x0＝‑[Ja(x)‑Ra(x)]D‑1x+g(x)β(x)+ζ；其中，Jd(x)＝J(x)+Ja(x)，Jd(x)为期望的互联矩阵，J(x)为端口受控哈密顿系统的互联矩阵，Ja(x)为注入的互联矩阵；Rd(x)＝R(x)+Ra(x)，Rd(x)为期望的阻尼矩阵，R(x)为端口受控哈密顿系统的阻尼矩阵，Ra(x)为注入的阻尼矩阵；取注入的互联矩阵为：注入的阻尼矩阵为：其中：J12，J13，J23为待定的互联，r1，r2为待定阻尼参数，选择：J13＝‑ψq，ψq＝Lqiq，J23＝ψd‑ψf，ψd＝Ldid+ψf，J12＝1；β(x)＝u；所述确定的基于端口受控哈密顿系统模型的内插式永磁同步电机的无源控制器如下所示：ud=-r1id+(r1+rs)id*+(iq-iq*)-Lqiqω^ruq=id*-id+r2(iq*-iq)+rsiq*+ψfωr*+Ldidω^r;]]>步骤9：利用电机转子角位移估计值，将内插式永磁同步电机在两相同步旋转坐标系d‑q下的d轴电压分量和q轴电压分量进行park‑1变换，得到内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下参考的α轴电压分量和参考的β轴电压分量；步骤10：将内插式永磁同步电机在α‑β静止坐标系下的参考的α轴电压分量和参考的β轴电压分量经过电压空间矢量脉宽调制，得到六路驱动脉冲信号；步骤11：根据脉冲信号决定逆变器开关的开通与关断，将内插式永磁同步电机的直流母线电压逆变为内插式永磁同步电机的三相交流电压，作为内插式永磁同步电机三相定子绕组的输入电压，并返回步骤1。