一种无电解电容永磁同步电机的无感控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电机无感控制技术领域，特别是涉及一种无电解电容永磁同步电机的无感控制方法及系统。

背景技术

永磁同步电机驱动系统一般由整流器、功率因数校正电路、电解电容、逆变器等部分组成，其中电解电容的主要作用是储存网侧能量和稳定直流母线电压。但是电解电容的寿命易受环境温度的影响，环境温度变化大就容易导致电解电容寿命缩短，进而使驱动系统出现故障。此外功率因数校正电路的加入会增加系统的成本和损耗。

相较于电解电容，薄膜电容具有寿命更长、可长时间存储等优势。采用小容值薄膜电容替代大容值电解电容，能有效延长驱动系统的工作寿命。同时，小容值薄膜电容由于储能能力较低，导致母线电压出现大幅波动，母线电压的波动会使网侧二极管整流器导通角增大，有助于改善网侧功率因数，进而可以省去功率因数电路。这种系统即称为无电解电容永磁同步电机驱动系统。

在永磁同步电机的矢量控制中，坐标变换、构建转速闭环等环节是不可或缺的，因而转子位置与转速的检测成为矢量控制实现的关键环节。通常情况下，需要在转子轴端安装机械位置传感器以获取转子信息，但是机械位置传感器的安装会使系统成本增加、体积增大。并且机械位置传感器受恶劣运行工况的影响比较大，在一些受到外界条件制约的场合并不便于使用。因此，无位置传感器控制技术成为当今电机驱动控制领域的研究热点。所谓无感控制，就是利用电机绕组中电压、电流等可测量的物理量实现对转子位置和转速信息的观测，从而取消位置传感器，实现高性能控制。

然而，在无电解电容永磁同步电机驱动系统中，小容值的薄膜电容使得母线电压出现大幅度波动，进而向驱动系统中引入了大量额外频次的谐波。这些谐波存在于电机的电压、电流中，导致反电势和磁链中同样会出现对应频次的谐波。由于无感控制需要借助反电势或磁链提取转子信息，所以各频次谐波的引入会使转子位置估计出现较大误差，进而导致无感控制性能恶化。现有的研究中大多针对传统电解电容永磁同步电机驱动系统设计无感控制策略及谐波抑制方法，但是这些方法在无电解电容系统中的应用存在一定的局限性。

发明内容

为了解决无电解电容永磁同步电机驱动系统中磁链谐波含量高及无感控制性能较差的问题，本发明提供了一种无电解电容永磁同步电机的无感控制方法及系统。

本发明提供一种无电解电容永磁同步电机的无感控制方法，包括以下步骤：

采集电机转速环PI控制器输出的电磁转矩给定值，并对电磁转矩给定值进行调制，获得q轴系的电流给定值，同时通过弱磁控制获得d轴系的电流给定值；

对实时采集的电机三相电流进行坐标变换，得到αβ轴系及dq轴系的电流实际值；

基于q轴系的电流给定值、d轴系的电流给定值和dq轴系的电流实际值，利用dq轴系电流环PI控制获得dq轴系的电压给定值；

对dq轴系的电压给定值进行坐标变换，得到αβ轴系电压给定值，并将αβ轴系电压给定值输入至SVPWM调制模块，生成用于电机控制的三相逆变器驱动信号；

将αβ轴系的电压给定值和电流给定值输入磁链观测器，计算得到αβ轴系磁链的实际值；

将αβ轴系磁链的实际值输入至复合降阶准谐振滤波器中，得到谐波含量达到设定值的αβ轴系的磁链观测值；

利用正交锁相环提取αβ轴系的磁链观测值中的转子位置和转速信息，通过转速信息构建转速闭环控制，通过转子位置实施坐标变换。

优选地，所述将αβ轴系的电压给定值和电流给定值输入磁链观测器，计算得到αβ轴系磁链的实际值，包括以下步骤：

通过dq轴电流环和坐标变换得到αβ轴电压给定值，对电机三相电流进行坐标变换得到αβ轴电流给定值；

根据αβ轴系的电压、电流给定值计算得到αβ轴磁链的实际值。

优选地，所述αβ轴磁链的实际值如下所示：

式中，ψ

优选地，所述将αβ轴系磁链的实际值输入至复合降阶准谐振滤波器中，得到谐波含量达到设定值的αβ轴系的磁链观测值，包括以下步骤：

通过理论分析得到磁链中的基波频率为

基于一阶降阶准谐振控制器的结构，设计中心频率分别为

将三个滤波器级联构建复合降阶准谐振滤波器；

将磁链实际值输入复合降阶准谐振滤波器中，获得磁链观测值。

优选地，通过下式设计中心频率分别为

式中，ψ

所述的复合降阶准谐振滤波器如下式所示：

式中，

优选地，所述利用正交锁相环提取αβ轴系的磁链观测值中的转子位置和转速信息，通过转速信息构建转速闭环控制，通过转子位置实施坐标变换，包括以下步骤：

将磁链观测值归一化，并采用外差法和正交锁相环获得转子位置估计误差；

将转子位置估计误差输入PI控制器，获得转速的观测值，用于构建转速闭环控制；

对转速观测值进行积分，获得转子位置的观测值，用于实施坐标变换。

优选地，所述转子位置估计误差如下所示：

式中，θ

本发明还提供了一种无电解电容永磁同步电机的无感控制系统，包括：

电流给定值获取模块，用于采集电机转速环PI控制器输出的电磁转矩给定值，并对电磁转矩给定值进行调制，获得q轴系的电流给定值，同时通过弱磁控制获得d轴系的电流给定值；

电流实际值获取模块，用于对实时采集的电机三相电流进行坐标变换，得到αβ轴系及dq轴系的电流实际值；

电压给定值获取模块，用于基于q轴系的电流给定值、d轴系的电流给定值和dq轴系的电流实际值，利用dq轴系电流环PI控制获得dq轴系的电压给定值；

驱动信号获取模块，用于对dq轴系的电压给定值进行坐标变换，得到αβ轴系电压给定值，并将αβ轴系电压给定值输入至SVPWM调制模块，生成用于电机控制的三相逆变器驱动信号；

αβ轴系磁链的实际值获取模块，用于将αβ轴系的电压给定值和电流给定值输入磁链观测器，计算得到αβ轴系磁链的实际值；

αβ轴系的磁链观测值获取模块，用于将αβ轴系磁链的实际值输入至复合降阶准谐振滤波器中，得到谐波含量达到设定值的αβ轴系的磁链观测值；

转子信息获取模块，用于利用正交锁相环提取αβ轴系的磁链观测值中的转子位置和转速信息，通过转速信息构建转速闭环控制，通过转子位置实施坐标变换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明将αβ轴系的电压、电流输入磁链观测器，计算得到αβ轴系磁链的实际值，同时将实际磁链输入至复合降阶准谐振滤波器中，得到谐波含量少的αβ轴系磁链观测值，可以准确提取磁链的基波分量，并有效降低转子位置估计误差，提高无感控制的性能。同时利用正交锁相环提取磁链中的转子位置和转速信息，其中观测的转速用于构建转速闭环控制，观测的转子位置用于实施坐标变换，这种操作可以估计出转子位置和转速，从而实现无感控制。本发明通过设计一种针对无电解电容系统的改进磁链观测器来实现无感控制，该观测器能够准确提取磁链的基波分量，并有效降低转子位置估计误差，提高无感控制的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为无电解电容永磁同步电机驱动系统的电路结构框图；

图2为本发明的一种无电解电容永磁同步电机的无感控制方法的整体控制框图；

图3为本发明的改进磁链观测器的控制框图；

图4为本发明的复合降阶准谐振滤波器的控制框图；

图5为本发明的正交锁相环的控制框图；

图6的复合降阶准谐振滤波器，其中(a)为复合降阶准谐振滤波器在参数ω

图7为实验结果图，其中(a)为电机转速、αβ轴系的磁链分量、转子位置估计误差的波形图；(b)为电机α轴的磁链分量的FFT分析结果；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，无电解电容永磁同步电机驱动系统包括：单相交流电源u

基于上述无电解电容永磁同步电机驱动系统，本发明提出了如图2所示的一种无电解电容永磁同步电机的无感控制方法，包括以下步骤：

步骤1、获得电机转速环PI控制器输出的电磁转矩给定值，具体为将给定转速与观测转速作差并经过PI控制器获得电磁转矩给定值，利用q轴电流高功率因数控制策略对电磁转矩给定值进行调制，以获得q轴系的电流给定值，d轴系的电流给定值通过弱磁控制获取。

步骤2、对实时采集的三相电流进行坐标变换，得到实际的αβ轴系及dq轴系的电流实际值。

步骤3、基于q轴系的电流给定值、d轴系的电流给定值和dq轴系的电流实际值，将给定电流与实际电流作差，并经过PI控制器获得dq轴系电压给定值。

步骤4、对dq轴系电压给定值进行坐标变换，得到αβ轴系电压给定值，并将αβ轴系电压给定值输入至SVPWM调制模块，生成用于电机控制的三相逆变器驱动信号。如图3所示，将αβ轴系的电压、电流输入磁链观测器，计算得到αβ轴反电势的实际值。

式中，e

步骤5、将αβ轴系的电压给定值和电流给定值输入磁链观测器，初步计算得到αβ轴系磁链的实际值。

具体地，对反电势进行积分，得到αβ轴系磁链的实际值。

式中，ψ

步骤6、将αβ轴系磁链的实际值输入至复合降阶准谐振滤波器中，得到谐波含量达到设定值的αβ轴系磁链观测值。

具体地，为了提高磁链估计的收敛性，增加一种基于磁链估计误差的反馈控制器，用以改进磁链观测器。反馈控制器被设计为比例环节，由k表示。最终所述αβ轴磁链的实际值如下所示：

式中，

通过理论分析得知磁链中的基波频率为

如图4所示的复合降阶准谐振滤波器的控制框图，为了提取αβ轴系磁链实际值中的基波分量，并抑制谐波分量，进而获得较为准确的磁链观测值，基于一阶降阶准谐振控制器的结构，设计中心频率分别为

式中，ψ

进而将三个滤波器级联构建复合降阶准谐振滤波器。

式中，

进一步地，如图5所示，将磁链观测值进行归一化处理；基于外差法和正交锁相环获得转子位置估计误差。

式中，θ

步骤7、利用正交锁相环提取αβ轴系磁链观测值中的转子位置和转速信息，通过转速信息构建转速闭环控制，通过转子位置实施坐标变换。

具体地，将转子位置估计误差输入PI控制器，获得转速的观测值；对转速观测值进行积分，获得转子位置的观测值。其中，转速观测值用于构建转速闭环控制，转子位置观测值用于实施坐标变换。

图6(a)是复合降阶准谐振滤波器在参数ω

图7(a)是电机转速、αβ轴系的磁链分量、转子位置估计误差的波形图，转速给定为3000rpm，采用改进磁链观测器的无感控制方法后，转子位置估计误差在±0.45°之间波动。图7(a)“转子位置估计误差在±0.45°之间波动。”，说明所提出的磁链观测器能够准确提取出磁链的基波，进而通过正交锁相环获得准确的转子位置和转速的估计值。

图7(b)是电机α轴的磁链分量的FFT分析结果，α轴磁链的THD为1.51％，50Hz、150Hz、350Hz、450Hz的谐波分量的占比分别为2.03％、1.50％、1.26％、0.08％。图7(b)“α轴磁链的THD为1.51％，50Hz、150Hz、350Hz、450Hz的谐波分量的占比分别为2.03％、1.50％、1.26％、0.08％。”说明所提出的磁链观测器能准确提取出基波，并有效抑制谐波。从而使得α轴磁链的THD比较小。

基于同一个发明构思，本发明还提供了无电解电容永磁同步电机的无感控制系统，包括：电流给定值获取模块、电流实际值获取模块、电压给定值获取模块、驱动信号获取模块、αβ轴系磁链的实际值获取模块、αβ轴系的磁链观测值获取模块及转子信息获取模块。

具体地，电流给定值获取模块用于采集电机转速环PI控制器输出的电磁转矩给定值，并对电磁转矩给定值进行调制，获得q轴系的电流给定值，同时通过弱磁控制获得d轴系的电流给定值；电流实际值获取模块用于对实时采集的电机三相电流进行坐标变换，得到αβ轴系及dq轴系的电流实际值；电压给定值获取模块用于基于q轴系的电流给定值、d轴系的电流给定值和dq轴系的电流实际值，利用dq轴系电流环PI控制获得dq轴系的电压给定值；驱动信号获取模块用于对dq轴系的电压给定值进行坐标变换，得到αβ轴系电压给定值，并将αβ轴系电压给定值输入至SVPWM调制模块，生成用于电机控制的三相逆变器驱动信号；αβ轴系磁链的实际值获取模块用于将αβ轴系的电压给定值和电流给定值输入磁链观测器，计算得到αβ轴系磁链的实际值；αβ轴系的磁链观测值获取模块用于将αβ轴系磁链的实际值输入至复合降阶准谐振滤波器中，得到谐波含量达到设定值的αβ轴系的磁链观测值；转子信息获取模块用于利用正交锁相环提取αβ轴系的磁链观测值中的转子位置和转速信息，通过转速信息构建转速闭环控制，通过转子位置实施坐标变换。

上述无电解电容永磁同步电机的无感控制系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

综上，本发明通过设计一种针对无电解电容系统的改进磁链观测器来实现精确的无感控制。相较于传统的控制策略，本发明所提出的观测器能够准确提取磁链的基波分量，并有效降低转子位置估计误差，提高无感控制的性能。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。