基于前馈锁相环的永磁同步电机位置估计误差抑制方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机领域，具体涉及基于前馈锁相环的永磁同步电机位置估计误差抑制方法。

背景技术

永磁同步电机具有效率高、功率密度大、结构简单、易于维护等特点，在航天、船舶、家电等领域得到了广泛应用。在永磁同步电机矢量控制系统中，位置和转速信息通常需要通过机械式位置传感器获得，如旋转变压器、光电编码器等。然而采用机械式位置传感器会带来体积、成本增加，可靠性降低等问题，因此永磁同步电机无位置传感器控制方法的研究具有重要意义。

在工业应用中滑模观测器结合锁相环的位置估计方案应用最为广泛。传统锁相环是一个Ⅱ型系统，当给定转速为阶跃信号时，位置为斜坡信号，此时传统锁相环能够实现转速和位置信号的零稳态误差跟踪；当给定转速为斜坡信号时，位置为加速度信号，此时转速信号仍然能够实现零稳态误差跟踪，但估计位置存在较大的稳态误差，在电机需要频繁加减速的工况中存在严重问题。

目前对于锁相环在斜坡加减速动态过程中的位置估计稳态误差的相关研究较少，G.Liu,H.Zhang and X.Song,"Position-Estimation Deviation-SuppressionTechnology of PMSM Combining Phase Self-CompensationSMO and Feed-ForwardPLL,"IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,vol.9,no.1,pp.335-344.提出采用滑模观测器的估计反电动势直接计算出的估计转速进行锁相环前馈，有效减小了斜坡加减速过程中的位置估计稳态误差，但是由于滑模观测器的估计反电动势中存在固有的高频滑模抖振，直接将其引入锁相环会将高频噪声引入到估计转速中，这必然降低锁相环估计转速与估计位置的精度。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出基于前馈锁相环的永磁同步电机位置估计误差抑制方法；

技术方案：基于前馈锁相环的永磁同步电机位置估计误差抑制方法，包括以下步骤：

1)在αβ坐标系下，采用滑模观测器对αβ坐标轴的反电动势进行估计，得到α坐标轴的等效反电动势e

2)将步骤1)得到的e

3)构造锁频环，输入估计反电动势

4)将步骤2)得到的估计反电动势

5)将步骤3)得到的锁频环估计角速度

优选的，步骤3)中锁频环的控制方程为：

其中，状态变量

稳态时有：

其中，ω

将

优选的，步骤5)中所述转速前馈锁相环的传递函数Φ(s)为：

其中，θ

位置估计误差传递函数Φ

其中，Δ表示误差值，

当给定转速为斜坡信号

有益效果：本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供基于前馈锁相环的永磁同步电机位置估计误差抑制方法，在复系数滤波器的基础上构造锁频环，并采用锁频得到的估计转速进行锁相环转速前馈，能够有效抑制斜坡加减速动态过程中的位置估计稳态误差，提高永磁同步电机无位置传感器控制性能。与基于估计反电动势的前馈锁相环方法相比，本发明所提的基于锁频环的前馈锁相环方法具有更高的转速估计精度。

附图说明

图1是基于前馈锁相环的永磁同步电机无位置传感器控制框图；

图2是复系数滤波器结构框图；

图3(a)是Q

图3(b)是E

图4(a)是Q

图4(b)是E

图5是锁频环结构框图；

图6是本发明所提的基于锁频环的前馈锁相环结构框图；

图7是本发明所提的基于锁频环的前馈锁相环的等效框图；

图8(a)是50％额定负载，斜坡加减速工况下，采用采用传统锁相环时，实际转速、估计转速、位置估计误差和相电流的实验波形；

图8(a)是50％额定负载，斜坡加减速工况下，采用采用本发明所提的基于锁频环的前馈锁相环时，实际转速、估计转速、位置估计误差和相电流的实验波形；

图9(a)是转速1500rpm工况下，采用基于估计反电动势的前馈锁相环时，估计转速误差的实验波形；

图9(b)是转速1500rpm工况下，采用本发明所提的基于锁频环的前馈锁相环时，估计转速误差的实验波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明公开了基于前馈锁相环的永磁同步电机位置估计误差抑制方法，如图1所示。主要包括滑模观测器、复系数滤波器、锁频环和转速前馈锁相环四个部分。

如图2，对于复系数滤波器，其输入信号为等效反电动势e

如图5，对于锁频环，输入信号为估计反电动势

如图6，对于转速前馈锁相环的逻辑结构：传统锁相环的位置估计误差Δθ

具体按照以下步骤实施：

步骤1，在αβ坐标系下，采用滑模观测器对αβ轴反电动势进行估计，得到αβ轴等效反电动势e

步骤2，将步骤1得到的αβ轴等效反电动势e

步骤3，根据复系数滤波器得到的估计反电动势

步骤4，将步骤2得到的估计反电动势

步骤5，将步骤3得到的锁频环估计角速度

下面对所述的基于前馈锁频环的永磁同步电机位置估计误差抑制方法作进一步说明。

步骤3所述的锁频环构造过程如下：

复系数滤波器的结构框图如图2所示。

e

e

e

e

其中，ω

Q

由图3、图4可知，当ω＜ω

将

锁频环的结构框图如图5所示，其中，γ为负反馈系数。

为了使用线性控制方法对系统进行建模分析，下面对其进行线性化处理。

根据图2和图5可以列出复系数滤波器的状态方程与锁频环的控制方程：

其中，状态变量

稳态时，有ω＝ω

根据式(5)可得稳态时的误差信号ε

根据式(8)可得稳态时的频率误差信号ε

式(9)说明ε

根据式(10)可以对锁频环进行线性化，令锁频环增益

定义转速估计误差σ＝ω

根据李雅普诺夫稳定性理论，锁频环系统稳定的条件为Γ＞0，即γ＞0。

锁频环传递函数为：

锁相环针对相位进行收敛，而锁频环针对频率进行收敛。锁频环的估计角速度具有更高的精度，更少的谐波，因此使用锁频环作为复系数滤波器的自适应中心频率能够提高滤波精度。

步骤5所述的基于锁频环的前馈锁相环构造过程如下：

基于锁频环的前馈锁相环结构框图如图6所示。

与传统锁相环相比，该前馈锁相环增加了一条由锁频环估计角速度

传统锁相环当估计转速出现偏差时，位置估计偏差不断增加，此时PI控制器对估计转速进行矫正，直到消除估计位置偏差。而基于锁频环的前馈锁相环，当估计转速出现偏差时，锁频环的估计角速度

基于锁频环的前馈锁相环等效框图如图7所示。其闭环传递函数为：

θ

位置估计误差传递函数为：

其中，Δ表示误差值，

当给定转速为斜坡信号

可见，基于锁频环的前馈锁相环可以消除跟踪加速度位置信号时的稳态误差，即在斜坡加减速时，估计位置也能准确跟踪实际位置。

为了验证本发明的有效性，在一台880W/3000rpm的表贴式永磁同步电机上，对本专利所提的永磁同步电机位置估计误差抑制方法进行了实验验证。图8为50％额定负载工况下,转速从600rpm到3000rpm再到600rpm斜坡加减速动态过程的实验波形。可以看出采用传统锁相环时，加速过程中的最大位置估计误差为34°。而采用本文提出的基于锁频环转速前馈的锁相环时，加速过程中的位置估计误差在18°以内，且加减速过程中的位置估计稳态误差被有效消除，相电流幅值减小。

图9为转速1500rpm下分别采用基于估计反电动势的前馈锁相环与基于锁频环的前馈锁相环的实验波形。可以看出采用基于估计反电动势的前馈锁相环时，转速估计误差达到40rpm，而采用基于锁频环的前馈锁相环时，转速估计误差在20rpm以内。

通过上述步骤即可实现斜坡加减速动态过程中的转子位置估计误差抑制，提高永磁同步电机无位置传感器控制性能，与基于估计反动电势的前馈锁相环方法相比，转速估计误差较小。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。