本發(fā)明屬于內(nèi)嵌式永磁同步無位置傳感器控制領(lǐng)域，涉及一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角估計(jì)方法。

背景技術(shù)：

永磁同步電機(jī)的高性能控制算法中普遍需要實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，而采用轉(zhuǎn)子位置傳感器不僅增加了成本，還增加了故障發(fā)生的概率，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。因此，不依賴傳感器，而通過檢測(cè)電機(jī)電流、電壓等物理量來在線實(shí)時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置的永磁同步電機(jī)無轉(zhuǎn)子位置傳感器控制成為研究的熱點(diǎn)。

當(dāng)前，永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制方法主要有滑模觀測(cè)器法、模型參考自適應(yīng)法、高頻信號(hào)注入法。其中高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入法適用于磁極內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)，對(duì)電機(jī)的參數(shù)變化不敏感，且在電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)和起動(dòng)時(shí)具有較高的轉(zhuǎn)子位置角估計(jì)精度，因而該方法在電機(jī)起動(dòng)和低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有很大的性能優(yōu)勢(shì)。基于高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制中，轉(zhuǎn)子位置角估計(jì)值的提取方法主要有龍貝格觀測(cè)器法、鎖相環(huán)法。自抗擾控制技術(shù)自被提出以來，應(yīng)用范圍不斷延伸，日益受到重視。自抗擾控制中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(extendedstateobserver，eso)能夠觀測(cè)控制系統(tǒng)中難以測(cè)量的、未知的變量，并通過對(duì)控制量的補(bǔ)償抑制內(nèi)、外擾動(dòng)，達(dá)到良好的控制效果。然而，采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器提取高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角的方法、以及構(gòu)建基于自抗擾控制的永磁電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)的方法尚未有人提出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)無轉(zhuǎn)子位置傳感器控制系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)子位置角估計(jì)方法。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)無轉(zhuǎn)子位置傳感器控制系統(tǒng)，其特征在于：采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)和提取通過高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入后包含在電機(jī)高頻電流中的轉(zhuǎn)子位置角的信息，得到轉(zhuǎn)子位置角的估計(jì)值；通過自抗擾控制構(gòu)建無位置傳感器閉環(huán)控制系統(tǒng)，并通過對(duì)系統(tǒng)中擾動(dòng)等不確定量的估計(jì)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的給定值進(jìn)行補(bǔ)償確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1中虛線框內(nèi)為上述構(gòu)建的自抗擾控制器adrc。adrc的輸出和作為計(jì)算模塊的輸入，用來計(jì)算電壓給定的計(jì)算方法如下：

首先根據(jù)計(jì)算然后根據(jù)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程式計(jì)算

式中rs為定子繞組電阻，p為微分算子，ωr可用代替。ld、lq分別表示定子d軸和q軸電感，ψf表示轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈。

由adrc生成，包含了對(duì)擾動(dòng)估計(jì)量的補(bǔ)償部分，即。

用于估計(jì)轉(zhuǎn)子位置角的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(eso)的方程為：

其中eθ為轉(zhuǎn)子位置偏差，為轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值，θ為轉(zhuǎn)子位置實(shí)際值。eθ由高頻旋轉(zhuǎn)信號(hào)注入法求得。為轉(zhuǎn)子電角速度估計(jì)值，q為系統(tǒng)中擾動(dòng)的估計(jì)值。β01、β02、β03均為大于1的參數(shù)；α1取值0.5；α2取值0.25；參數(shù)δ取值0.05。表示轉(zhuǎn)子位置角估計(jì)值的導(dǎo)數(shù)，pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)，te為電磁轉(zhuǎn)矩，表示未知量的導(dǎo)數(shù)估計(jì)值。

函數(shù)fal(ε,α,δ)：

式中α為非線性因子，ε一般為系統(tǒng)某變量的偏差。

以下為eθ的計(jì)算。在兩相靜止坐標(biāo)系下注入高頻旋轉(zhuǎn)電壓信號(hào)：

式中，u1為高頻旋轉(zhuǎn)電壓信號(hào)的幅值，ω1為其角頻率。t是時(shí)間。產(chǎn)生的高頻電流響應(yīng)在兩相靜止坐標(biāo)系下的表達(dá)式為：

式中i1α和i1β分別為高頻電流在α、β軸的分量，i1p和i1n分別為正、負(fù)序分量的幅值。θ為轉(zhuǎn)子位置實(shí)際值。ω1為電壓的角頻率，t為時(shí)間。

由本文采用以下方法計(jì)算：

將i1α和i1β代入式計(jì)算得

將式(6)由兩相靜止坐標(biāo)系變換到以角頻率-ω1旋轉(zhuǎn)的兩相負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，通過高通濾波可濾除式(6)第一項(xiàng)，然后再經(jīng)過坐標(biāo)反變換至兩相靜止坐標(biāo)系下。這樣可得到

同樣，將i1α和i1β代入式可計(jì)算得

采用與(6)式類似的方法做坐標(biāo)變換和濾波處理，可得到系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中，與θ的值非常接近，因而

本發(fā)明的有益效果是，不依賴傳感器，而通過檢測(cè)電機(jī)電流、電壓等物理量來在線實(shí)時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置的永磁同步電機(jī)無轉(zhuǎn)子位置傳感器控制，采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器配合高頻電壓信號(hào)注入法提取估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置，讓該估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置替代傳統(tǒng)的靠轉(zhuǎn)子位置傳感器硬件檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)值，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行。節(jié)約了成本，還減少了故障發(fā)生的概率，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

附圖說明

圖1為基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)無轉(zhuǎn)子位置傳感器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

附圖為本發(fā)明的一種具體實(shí)施例。

本發(fā)明的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)無轉(zhuǎn)子位置傳感器控制系統(tǒng)，包括跟蹤微分器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和非線性反饋控制律三部分，轉(zhuǎn)子電角速度給定值作為跟蹤微分器的輸入，采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)和提取通過高頻旋轉(zhuǎn)電壓注入后包含在電機(jī)高頻電流中的轉(zhuǎn)子位置角的信息，得到轉(zhuǎn)子位置角的估計(jì)值；通過自抗擾控制構(gòu)建無位置傳感器閉環(huán)控制系統(tǒng)，并通過對(duì)系統(tǒng)中擾動(dòng)等不確定量的估計(jì)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的給定值進(jìn)行補(bǔ)償確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1中，和分別為定子兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q系)d軸和q軸電流的給定值；id、iq分別為d軸和q軸電流檢測(cè)值；和分別為d軸和q軸電壓的給定值；和分別為兩相靜止坐標(biāo)系(α-β)下的α、β軸電壓給定值；iα、iβ分別為α、β軸電流的檢測(cè)值；u1α和u1β為在兩相靜止坐標(biāo)系下注入的高頻正弦電壓；為電磁轉(zhuǎn)矩給定值；eθ為轉(zhuǎn)子位置偏差，為轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值，θ為轉(zhuǎn)子位置實(shí)際值。eθ由高頻旋轉(zhuǎn)信號(hào)注入法求得。為轉(zhuǎn)子電角速度估計(jì)值，為轉(zhuǎn)子電角速度估計(jì)值的導(dǎo)數(shù)；q為系統(tǒng)中擾動(dòng)的估計(jì)值；pn為電機(jī)定子極對(duì)數(shù)，j為電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。2r表示兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，2s表示兩相靜止坐標(biāo)系，3s表示三相靜止坐標(biāo)系，表示由兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系。ia表示定子a相電流，ib表示定子b相電流、表示補(bǔ)償前的電磁轉(zhuǎn)矩給定值、ω1表示安排過渡過程之后的電角速度，為其導(dǎo)數(shù)。、ε1為ω1的偏差，ε2為的偏差。ω^*為轉(zhuǎn)子電角速度給定值。為轉(zhuǎn)子電角速度估計(jì)值。

圖1中虛線框內(nèi)為上述構(gòu)建的自抗擾控制器adrc。

本發(fā)明的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)無轉(zhuǎn)子位置傳感器控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置角估計(jì)方法，采用d軸電流檢測(cè)值id＝0控制策略，計(jì)算得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的q軸和d軸電壓的給定值和后，經(jīng)2r/2s變換后得到兩相靜止坐標(biāo)系下的α、β軸電壓給定值和在兩相靜止坐標(biāo)系下分別加上注入的高頻電壓u1α和u1β，將得到的總電壓vdc輸入svpwm波生成模塊，用于計(jì)算逆變器各開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比。

本發(fā)明的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)無轉(zhuǎn)子位置傳感器控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置角估計(jì)方法，自抗擾控制器adrc的輸出和作為計(jì)算模塊的輸入，用來計(jì)算電壓給定的計(jì)算方法如下：

首先根據(jù)計(jì)算然后根據(jù)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程式計(jì)算

式中rs為定子繞組電阻，p為微分算子，ωr可用代替；ld、lq分別表示定子d軸和q軸電感，ψf表示轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈。

由adrc生成，包含了對(duì)擾動(dòng)估計(jì)量的補(bǔ)償部分，即；

用于估計(jì)轉(zhuǎn)子位置角的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(eso)的方程為：

其中eθ為轉(zhuǎn)子位置偏差，為轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值，θ為轉(zhuǎn)子位置實(shí)際值；eθ由高頻旋轉(zhuǎn)信號(hào)注入法求得；為轉(zhuǎn)子電角速度估計(jì)值，q為系統(tǒng)中擾動(dòng)的估計(jì)值；β01、β02、β03均為大于1的參數(shù)；α1取值0.5；α2取值0.25；參數(shù)δ取值0.05；表示轉(zhuǎn)子位置角估計(jì)值的導(dǎo)數(shù)，pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)，te為電磁轉(zhuǎn)矩，表示未知量的導(dǎo)數(shù)估計(jì)值。

函數(shù)fal(ε,α,δ)：

式中α為非線性因子；ε一般為系統(tǒng)某變量的偏差。

以下為eθ的計(jì)算；在兩相靜止坐標(biāo)系下注入高頻旋轉(zhuǎn)電壓信號(hào)：

式中，u1為高頻旋轉(zhuǎn)電壓信號(hào)的幅值，ω1為其頻率；t是時(shí)間。產(chǎn)生的高頻電流響應(yīng)在兩相靜止坐標(biāo)系下的表達(dá)式為：

式中i1α和i1β分別為高頻電流在α、β軸的分量，i1p和i1n分別為正、負(fù)序分量的幅值；θ為轉(zhuǎn)子位置實(shí)際值。ω1為電壓的角頻率，t為時(shí)間。

由本文采用以下方法計(jì)算：

將i1α和i1β代入式計(jì)算得

將式(6)由兩相靜止坐標(biāo)系變換到以角頻率-ω1旋轉(zhuǎn)的兩相負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，通過高通濾波可濾除式(6)第一項(xiàng)，然后再經(jīng)過坐標(biāo)反變換至兩相靜止坐標(biāo)系下；這樣可得到

同樣，將i1α和i1β代入式可計(jì)算得

采用與(6)式類似的方法做坐標(biāo)變換和濾波處理，可得到系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中，與θ的值非常接近，因而

該方法對(duì)電機(jī)電流正弦度的依賴較小。在擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器中，電流正弦度影響的僅僅是電磁轉(zhuǎn)矩te的精度，而te的計(jì)算值的偏差可看作系統(tǒng)內(nèi)部擾動(dòng)，可通過對(duì)q的觀測(cè)之后，通過對(duì)控制量補(bǔ)償來抑制該擾動(dòng)。此外，電流正弦度影響uq、ud的計(jì)算，而這影響的是轉(zhuǎn)速環(huán)，且該影響可通過轉(zhuǎn)速環(huán)的閉環(huán)調(diào)節(jié)來抑制。因此該方法能夠?qū)⑵饎?dòng)和負(fù)載變化過程中電流正弦度變差對(duì)轉(zhuǎn)子位置角估計(jì)值精度的影響降到最低，因而提高了位置角估計(jì)的精度，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

跟蹤-微分器：

公式(8)中是v2的導(dǎo)數(shù)、是v1的導(dǎo)數(shù)。這實(shí)現(xiàn)的是將一個(gè)可能突變的變量變成一個(gè)平滑變化但快速跟蹤原變量的量，并給出它的導(dǎo)數(shù)。v是輸入信號(hào)，是變量。v1是v的跟蹤信號(hào)，v2是v1的導(dǎo)數(shù)。

式中函數(shù)fhan為參考文獻(xiàn)[1](韓京清.自抗擾控制技術(shù)估計(jì)補(bǔ)償不確定因素的控制技術(shù)[m].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.)中給出的最速綜合函數(shù)，fhan(x1,x2,r0,h)表達(dá)式為：

式中x1為最速跟蹤信號(hào)與給定信號(hào)之差，x2為最速跟蹤信號(hào)的導(dǎo)數(shù)，r0為跟蹤速度因子，h為步長(zhǎng)，d、a0、m、a1、a2、sy、a、sa、均為中間變量；sign為符號(hào)函數(shù)，即當(dāng)t＞0時(shí)，sign(t)＝1；當(dāng)t＝0時(shí)，sign(t)＝0；當(dāng)t＜0時(shí)，sign(t)＝-1；

非線性反饋控制律：

式中函數(shù)fhan與式(9)中的為同一函數(shù)，但參數(shù)取值不同；其中c為阻尼系數(shù)。z1為v1的估計(jì)值；z2為v2的估計(jì)值。