本發(fā)明涉及三相永磁電機(jī)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種永磁電機(jī)系統(tǒng)高精度位置檢測方法。

背景技術(shù)：

1、永磁同步電機(jī)(pmsm，permanent?magnet?synchronous?motor)的無位置傳感器控制使用電機(jī)本身測量的電流和電壓信息，不需要額外的傳感器。這項(xiàng)技術(shù)在多種應(yīng)用中都很流行，因?yàn)樗行Ы档土酥圃斐杀?，并提高了系統(tǒng)可靠性。在永磁同步電機(jī)中高速運(yùn)行工況下的無位置傳感器控制技術(shù)中，基于反電動勢的方法被廣泛應(yīng)用。然而，由于逆變器非線性和電機(jī)實(shí)際制造過程中的偏差，基于滑模觀測器的無位置傳感器控制方法中估計的反電動勢存在(6n±1)次諧波，導(dǎo)致估計的轉(zhuǎn)子位置出現(xiàn)6n次諧波誤差，進(jìn)一步造成轉(zhuǎn)矩波動與轉(zhuǎn)速抖振。

2、目前針對轉(zhuǎn)子位置估計誤差的無位置傳感器方法可分為兩大類：基于補(bǔ)償法和基于信號濾波法。其中，基于補(bǔ)償法可以通過消除電壓源逆變器非線性對位置估計的影響來減少轉(zhuǎn)子位置估計誤差。然而，這方法通常依賴精確的控制對象參數(shù)，亦或者需要調(diào)節(jié)多個控制器參數(shù)?；谛盘枮V波法直接對估計反電動勢中的諧波進(jìn)行濾波，提取基頻分量來抑制轉(zhuǎn)子位置估計誤差?；谛盘枮V波法通常直接利用低通濾波器，亦或者需要設(shè)計多個陷波濾波器以濾除不同階次的諧波反電勢。若低通濾波器的截止頻率設(shè)置過高，則濾波后的估計反電動勢諧波含量仍然較大；若低通濾波器的截止頻率設(shè)置過低，則存在較大的相位延遲，降低系統(tǒng)控制精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種無需調(diào)節(jié)濾波器參數(shù)、不引入相位延遲的永磁電機(jī)系統(tǒng)高精度位置檢測方法，實(shí)現(xiàn)對任意階次諧波反電勢均具有強(qiáng)抑制能力，降低估計速度的抖振，對電機(jī)參數(shù)變化與外部擾動具有強(qiáng)魯棒性。

2、技術(shù)方案：一種永磁電機(jī)系統(tǒng)高精度位置檢測方法，包括以下步驟：

3、s1，通過對拖實(shí)驗(yàn)分析非正弦反電勢三相永磁電機(jī)的主要反電勢諧波分量，建立永磁電機(jī)的諧波反電勢模型，分析諧波反電勢對位置估計誤差的影響；

4、s2，構(gòu)建邊界層厚度隨滑模面誤差自調(diào)整的反正弦飽和函數(shù)作為開關(guān)函數(shù)；

5、s3，基于反正弦飽和函數(shù)建立滑模觀測器的數(shù)學(xué)模型，利用李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)獲取參數(shù)選取范圍；

6、s4，將滑模觀測器的輸出值經(jīng)過park變換得到dq坐標(biāo)系下的直流量；利用一階低通濾波器進(jìn)行濾波，保留基波反電勢，基波反電勢再通過park逆變換提取正弦反電勢；

7、s5，結(jié)合正交鎖相環(huán)，對輸出的正弦反電勢進(jìn)行位置估計，得到轉(zhuǎn)子估計誤差，經(jīng)過pi調(diào)節(jié)器得到估計轉(zhuǎn)速，再經(jīng)過積分器得到估計轉(zhuǎn)子位置角。

8、進(jìn)一步，步驟s1中，建立非正弦反電勢三相永磁同步電機(jī)在αβ坐標(biāo)系下的諧波反電勢模型：

9、

10、式中，ψf為基波永磁磁鏈，kψ(6n±1)為奇次諧波磁鏈占基波永磁磁鏈的百分比，n為諧波階次，ωe為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；θe為轉(zhuǎn)子位置角；分別為αβ坐標(biāo)系下的估計反電動勢；

11、諧波反電動勢對位置估計誤差的影響規(guī)律如下：

12、

13、式中，為估計轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，為估計轉(zhuǎn)子位置角。

14、進(jìn)一步，步驟s2中，反正弦飽和函數(shù)f-arcsin的數(shù)學(xué)模型為：

15、

16、

17、

18、式中，s＝[sαsβ]t是當(dāng)前電流估計誤差的列向量，“t”表示矩陣轉(zhuǎn)置；sα、sβ為定義的α、β軸下電流滑模面，sgn()為符號函數(shù)，λ為基本邊界層厚度，iα、iβ分別為α、β軸下的實(shí)際電流，分別為α、β軸下的估計電流，分別為α、β軸下的電流估計誤差，且有

19、進(jìn)一步，步驟s3中，永磁同步電機(jī)的三相定子電流方程表示為：

20、

21、式中，ρ為微分算子，rs為定子電阻，ls為定子電感；uα、uβ為αβ坐標(biāo)系中的定子電壓；eα、eβ為αβ坐標(biāo)系中的擴(kuò)展反電勢，且滿足：

22、

23、滑模觀測器表示如下：

24、

25、式中，上標(biāo)“^”表示估計值；vα、vβ分別為α軸、β軸的估計反電動勢，且滿足：

26、

27、根據(jù)連續(xù)控制區(qū)域內(nèi)開關(guān)函數(shù)的絕對值小于1，則李亞普諾夫函數(shù)的表達(dá)式如下：

28、

29、根據(jù)李雅普諾夫第二定理，只有當(dāng)dv/dt＜0時，才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，則有：

30、

31、得出穩(wěn)定性條件如下：

32、

33、式中，ks為滑模增益。

34、進(jìn)一步，步驟s4中，將滑模觀測器輸出的基波分量經(jīng)park變換，得dq坐標(biāo)系下的直流量表達(dá)式如下：

35、

36、然后通過park逆變換實(shí)現(xiàn)基波反電動勢的提取：

37、

38、對于滑模觀測器輸出的諧波分量，表達(dá)式如下：

39、

40、其中，edn為d軸反電動勢中的n次諧波含量，eqn為q軸反電動勢中的n次諧波含量。

41、進(jìn)一步，所述步驟s5中，將濾波得到的正弦反電勢輸入正交鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)中，得到轉(zhuǎn)子估計誤差將轉(zhuǎn)子估計誤差經(jīng)過pi調(diào)節(jié)器估計轉(zhuǎn)速再經(jīng)積分器得到估計轉(zhuǎn)子位置角

42、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著效果如下：

43、1、本發(fā)明中的零相移同步旋轉(zhuǎn)濾波器可有效濾掉基波外的任意階次反電勢諧波，使估計反電勢變得更為正弦；相應(yīng)的，位置估計誤差可從0.0153rad降低至0.0079rad，能有效抑制轉(zhuǎn)子位置估計誤差；

44、2、本發(fā)明中以邊界層厚度隨滑模面誤差自調(diào)整的反正弦飽和函數(shù)(f-arcsin)作為開關(guān)函數(shù)，消除了傳統(tǒng)滑模觀測器中的前級低通濾波器結(jié)構(gòu)，從而避免了估計反電勢的相位滯后；

45、3、本發(fā)明中基于f-arcsin的滑模觀測器可有效降低估計速度的抖振，轉(zhuǎn)速估計誤差可從25r/min降低至3r/min，有效提升無位置傳感器控制的穩(wěn)態(tài)性能。

技術(shù)特征：

1.一種永磁電機(jī)系統(tǒng)高精度位置檢測方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述永磁電機(jī)系統(tǒng)高精度位置檢測方法，其特征在于，步驟s1中，建立非正弦反電勢三相永磁同步電機(jī)在αβ坐標(biāo)系下的諧波反電勢模型：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述永磁電機(jī)系統(tǒng)高精度位置檢測方法，其特征在于，步驟s2中，反正弦飽和函數(shù)f-arcsin的數(shù)學(xué)模型為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述永磁電機(jī)系統(tǒng)高精度位置檢測方法，?其特征在于，步驟s3中，永磁同步電機(jī)的三相定子電流方程表示為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述永磁電機(jī)系統(tǒng)高精度位置檢測方法，其特征在于，步驟s4中，將滑模觀測器輸出的基波分量經(jīng)park變換，得dq坐標(biāo)系下的直流量表達(dá)式如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述永磁電機(jī)系統(tǒng)高精度位置檢測方法，其特征在于，所述步驟s5中，將濾波得到的正弦反電勢輸入正交鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)中，得到轉(zhuǎn)子估計誤差將轉(zhuǎn)子估計誤差經(jīng)過pi調(diào)節(jié)器估計轉(zhuǎn)速再經(jīng)積分器得到估計轉(zhuǎn)子位置角

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種永磁電機(jī)系統(tǒng)高精度位置檢測方法，包括以下步驟：S1，建立永磁電機(jī)的諧波反電勢模型，分析諧波反電勢對位置估計誤差的影響；S2，構(gòu)建邊界層厚度隨滑模面誤差自調(diào)整的反正弦飽和函數(shù)作為開關(guān)函數(shù)；S3，基于反正弦飽和函數(shù)建立滑模觀測器的數(shù)學(xué)模型，利用李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)獲取參數(shù)選取范圍；S4，將滑模觀測器的輸出值經(jīng)過Park變換得到dq坐標(biāo)系下的直流量；利用一階低通濾波器進(jìn)行濾波，保留基波反電勢，基波反電勢再通過Park逆變換提取正弦反電勢；S5，結(jié)合正交鎖相環(huán)，對輸出的正弦反電勢進(jìn)行位置估計，得到估計轉(zhuǎn)子位置角和估計轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。本發(fā)明能提升永磁電機(jī)無傳感器控制的精度與動態(tài)性能。

技術(shù)研發(fā)人員：聶杰,王凱,李烽,朱姝姝,陳萬慶,左月飛,葛紅娟,王海峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17