增强观测器的永磁同步电机转子位置和转速估计方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制技术领域，涉及一种增强观测器的永磁同步电机转子位置和转速估计方法。

背景技术

永磁同步电机具有高效率、高功率密度、宽调速范围等诸多优点，在家用电器、轨道交通、工业制造、航空航天等领域都获得了广泛应用。准确的转子位置和转速对高品质永磁同步电机驱动系统至关重要。通常通过安装机械传感器检测转子位置和转速，然而，安装机械传感器不但增加了永磁同步电机驱动系统的成本，而且降低了系统的可靠性。因此，准确的转子位置和转速估计是提高永磁同步电机驱动系统可靠性、降低永磁同步电机驱动系统成本的重要路径。

扩张状态观测器将系统总扰动作为系统的一个扩张状态变量对其进行观测，不依赖被控对象的精确数学模型，采用扩张状态观测器估计转子位置和转速具有抗扰动特性。然而，扩张状态观测器具有低通滤波特性，当电机在高速区运行时，扩展反电动势是高频扰动，采用扩张状态观测器估计的扩展反电动势的相位滞后严重，导致估计的转子位置滞后实际转子位置严重，甚至导致系统发散。

发明内容

本发明的目的是提供一种增强观测器的永磁同步电机转子位置和转速估计方法，解决了现有扩张状态观测器不能估计快速变化扩展反电动势导致估计的转子位置滞后实际转子位置严重，甚至导致系统发散的问题。

本发明所采用的技术方案是，增强观测器的永磁同步电机转子位置和转速估计方法，具体包括如下步骤：

步骤1，构建永磁同步电机状态方程；

步骤2，通过步骤1得到的状态方程构建增强扩张状态观测器估计扩展反电动势；

步骤3，由步骤2中得到扩展反电动势通过锁相环估计永磁同步电机的转子位置和转速。

本发明的特点还在于：

步骤1的具体过程为：

在αβ两相静止坐标系永磁同步电机的电压方程如下公式(1)所示：

其中，u

通过公式(1)得到定子电流的微分如下公式(2)所示：

将公式(2)写成状态方程的形式如下公式(3)所示：

px

其中，x

其中，x

步骤2的具体过程为：

步骤2.1，通过步骤1得到的状态方程构建增强扩张状态观测器估计扩展反电动势；

步骤2.2，设计增强扩张状态观测器中的非线性函数h；

步骤2.3，设计增强扩张状态观测器中的快速干扰跟踪器g。

步骤2.1的具体过程为：

通过公式(4)构建增强扩张状态观测器如下公式(5)所示：

其中，

步骤2.2的具体过程为：

设计增强扩张状态观测器中的非线性函数h如下公式(6)所示：

其中，当估计α轴扩展反电动势

步骤2.3的具体过程为：

在扩张状态观测器中植入快速干扰跟踪器g，设计的快速干扰跟踪器g如下公式(7)所示：

其中，ω

可调参数k

其中，ω

步骤3的具体过程为：

由公式(5)得到的估计扩展反电动势

其中，θ

转子位置误差信号η通过PI调节器调节得到估计的转速如下公式(10)所示：

其中，K

对估计的转速ω

本发明的有益效果是，与传统扩张状态观测器估计转子位置和转速方法相比，本发明提出的增强扩张状态观测器的永磁同步电机转子位置和转速估计方法，通过快速干扰跟踪器g，即使电机在高速运行时也能准确估计转子的位置和转速，并且设计的快速干扰跟踪器g可以通过设计可调参数ω

附图说明

图1是本发明增强观测器的永磁同步电机转子位置和转速估计方法采用的矢量控制系统框图；

图2(a)～(b)是本发明增强观测器的永磁同步电机转子位置和转速估计方法中所采用的增强扩张状态观测器框图。

图3是本发明增强观测器的永磁同步电机转子位置和转速估计方法中所采用的锁相环结构框图；

图4是采用传统扩张状态观测器估计的转子速度仿真结果图；

图5是采用本发明增强观测器的永磁同步电机转子位置和转速估计方法估计的转子转速的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明增强观测器的永磁同步电机转子位置和转速估计方法，其中所采用的矢量控制系统框图如图1所示，具体按照如下步骤实施：

步骤1，构建永磁同步电机状态方程，具体为：

在αβ两相静止坐标系永磁同步电机的电压方程如下公式(1)所示：

其中，u

通过公式(1)得到定子电流的微分如下公式(2)所示：

将公式(2)写成状态方程的形式如下公式(3)所示：

px

其中，x

将公式(3)中的d扩展为新的状态变量如下公式(4)所示：

其中，x

步骤2，通过步骤1得到的状态方程构建如图2(a)、(b)所示的增强扩张状态观测器估计扩展反电动势，图2(a)为α轴扩展反电动势；图2(b)为β轴扩展反电动势；具体为：

步骤2.1，通过步骤1得到的状态方程构建增强扩张状态观测器估计扩展反电动势；

通过公式(4)构建增强扩张状态观测器如下公式(5)所示：

/>

其中，

步骤2.2，设计增强扩张状态观测器中的非线性函数h；

增强扩张状态观测器中非线性函数h的特性决定了增强扩张状态观测器估计扰动的快速性，非线性函数h应具有小误差大增益，大误差小增益的特性，设计增强扩张状态观测器中的非线性函数h如下公式(6)所示：

其中，当估计α轴扩展反电动势

步骤2.3，设计增强扩张状态观测器中的快速干扰跟踪器g；

传统得扩张状态观测器具有低通滤波特性，当电机在高速区运行时，扩展反电动势是高频扰动，采用传统扩张状态观测器估计的扩展反电动势的相位滞后严重，导致估计的转子位置滞后实际转子位置严重，甚至导致系统发散。在扩张状态观测器中植入快速干扰跟踪器g，设计的快速干扰跟踪器g如下公式(7)所示：

其中，ω

可调参数k

其中，ω

步骤3，由步骤2中得到扩展反电动势通过如图3所示的锁相环估计永磁同步电机的转子位置和转速，具体为：

由公式(5)得到的估计扩展反电动势

其中，θ

转子位置误差信号η通过PI调节器调节得到估计的转速如下公式(10)所示：

其中，K

对估计的转速ω

本发明增强观测器的永磁同步电机转子位置和转速估计方法采用的矢量控制系统框图如图1所示，系统由3个PI调节器，形成转速环、电流环的双环控制，转速环PI调节器的输出作为最大转矩电流比控制(MTPA)的输入，MTPA输出的电流指令

通过电流霍尔传感器检测永磁同步电机在三相静止坐标系的定子电流i

图4为采用传统扩张状态观测器估计的转子速度仿真图；

图5为采用本发明方法估计的转子转速仿真图。

图4和图5仿真中使用的永磁同步电机的参数如表1所示。图4和图5仿真结果中转速设定为：0s-0.2s电机从0rpm加速到500pm；0.2s-0.5s电机在500rpm运行，在0.3s突加额定负载；0.5s-0.7s电机从500rpm加速到1000rpm；0.7s-0.8s电机在1000rpm运行。

对比图4和图5可以发现：在电机从500rpm加速到1000rpm过程中，采用传统扩张状态观测器估计的转子速度随着速度的升高不能跟踪设定转速，导致系统发散，而采用本发明估计的转子转速可以准确跟踪设定转速。以上仿真结果表明本发明可以有效解决现有扩张状态观测器估计的转速和转子位置不能准确跟踪实际转速和转子位置，甚至导致系统发散的问题。

表1永磁同步电机的参数