基于相位前馈锁相环的永磁同步电机无传感器控制方法

本发明属于永磁同步电机控制，具体涉及为一种基于相位前馈锁相环的pmsm无传感器控制方法。

背景技术：

1、永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，pmsm)具有结构简单、效率高、功率密度高等优势，因此在各种应用场景中被广泛采用。传统的永磁同步电机控制通常需要借助机械编码器来获取转子位置和转速信息，然而，这不仅增加了机电一体化电驱动系统的复杂性，还提高了系统成本，降低了系统的可靠性。因此，合理取消机械编码器可以降低机电一体化电驱动系统的体积和成本，并有效提高系统的可靠性。

2、无位置传感器控制技术主要可分为两大类，即基于电机非理想特性和基于电机基波数学模型的转子位置估计方法。第二种方法主要依赖于电机反电动势，随着电机转速的提高，当运行转速超过电机额定转速的5％时，电机反电动势逐渐增大，且易于检测。因此，在中高速域中，宜采用基于电机基频模型的方法来实现永磁同步电机无位置传感器控制。其主要方法包括滑模观测器法，参考模型自适应法、扩展卡尔曼滤波法等其他方法。通过上述方法观测出反电动势后，通过锁相环(pll)来获取电机转速和转子位置信息。相较于反正切函数法，pll无需微分运算，能够有效抑制噪音扰动，因此在永磁同步电机(pmsm)的无位置传感器控制中被广泛应用。

3、锁相环主要由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器三个部分组成，各部分结构和参数直接影响了锁相环的稳、动态性能。为了优化锁相环的性能，近年来国内外的许多学者和专家进行了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果。有学者通过重构鉴相器环节，建立了基于正切函数的锁相环结构，解决了传统锁相环在电机反转时偏差180度的问题。然而，由于依赖于正切函数，该方法对噪声也较为敏感。此外，传统锁相环会在pmsm加、减速过程中存在较大的转子位置误差，针对此问题，最直接的方法便是使用高阶控制器来替代环路滤波器中的pi控制，可是将锁相环系统升为三阶系统后，系统会变得不稳定。尽管有学者设计了一种双锁相环，不仅可以在电机正反转时稳定运行，也解决了加减速工况下无法零误差跟踪的问题，但整体方案复杂，计算量大，且身为四阶系统参数较多难以选定。

4、因此，为进一步综合提升无位置传感器控制技术对于速度和转子位置信息的观测精度和可靠性，本发明提出了一种基于相位前馈锁相环(pfpll)的pmsm无传感器控制方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对锁相环在加、减速工况下会出现转子位置稳态误差且在反转工况下观测的转子位置和实际转子位置存在180度的问题，本发明提出了一种基于相位前馈锁相环的pmsm无传感器控制方法，在加、减速、反转等不同工况下都可以实现对电机转子位置和速度进行精准观测，提高了动态性能和稳态性能，同时保证了系统的稳定性。

2、为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种基于相位前馈锁相环的永磁同步电机无传感器控制方法，采用转速外环与电流内环的pi调节器双闭环矢量控制方式，其特征在于，采样三相电流iabc和三相电压uabc，，经过park坐标变换为两相静止坐标系iαβ，与观测的定子电流的差值作为滑模面，通过超螺旋滑模观测器(stsmo)得到反电动势eαβ，在锁相环中添加相位前馈环节，使用低通滤波器对电角度进行补偿，补偿过后的系统升阶为三阶系统，并通过优化鉴相器环节，重新构造锁相环的误差信号中三角函数的组合，经过相位前馈锁相环(pfpll)估计出电机的电角速度和电角度实现永磁同步电机无传感器控制。

4、具体包括如下的步骤：

5、步骤一，建立表贴式永磁同步电机(spmsm)基于两相静止坐标系αβ下的电压状态方程；

6、步骤二，重构为定子电流状态方程；

7、步骤三，使用超螺旋滑模观测器构造观测方程获取反电动势的观测值，将观测的反电动势作为锁相环的输入即可获得估算的电角度值和电角速度

8、步骤四，在锁相环中添加相位前馈环节，使用低通滤波器对电角度进行补偿，补偿过后的系统升阶为三阶系统，并通过优化鉴相器环节，重新构造锁相环的误差信号中三角函数的组合，使得输出的信号误差与pmsm旋转方向无关；

9、步骤五，确定相位前馈锁相环的闭环传递函数，得到相位前馈锁相环的误差传递函数，并根据相位前馈锁相环的误差传递函数得到其闭环特征方程；

10、步骤六，实现永磁同步电机无传感器控制。

11、进一步的，步骤一包括：

12、

13、其中，uα,uβ为定子电压在αβ轴上的分量，rs为定子电阻，ls为定子电感，iα，iβ为定子电流在αβ轴上的分量，eα，eβ为反电动势在在αβ轴上的分量，反电动势包含的位置信息为：

14、

15、式中，θe为转子电气位置，ωe为电角速度，ψf为永磁通链。

16、进一步的，步骤二所重构为定子电流状态方程为：

17、

18、进一步的，步骤三的方法如下：

19、使用超螺旋滑模观测器构造观测方程获取反电动势的观测值：

20、

21、其中,表示电流估计值，设滑模面为电流估计值与实际值的误差，即sign是符号函数，ka，kβ为滑模增益且都为大于0的常数；当系统到达滑动面时，定子电流误差趋于零，此时观测的反电动势表示为

22、

23、将观测的反电动势作为锁相环的输入即可获得估算的电角度值和电角速度

24、进一步的，步骤四中，所采用的相位前馈锁相环的误差信号为

25、

26、其中，为补偿前的角度值，ef＝ψfωe。

27、进一步的，步骤五的方法如下：

28、确定相位前馈锁相环的闭环传递函数hfppll(s)为

29、

30、式中，kp，ki为正常数，ωc为相位前馈环节中低通滤波器的截止频率，

31、由此可得相位前馈锁相环的误差传递函数为

32、

33、当电机以ae为电角加速度进行加速或减速时，根据终值定理，稳态误差为

34、

35、根据相位前馈锁相环的误差传递函数得到其闭环特征方程为

36、s3+(kp+ωc)s2+(ki+kpωc)s+kiωc＝0  (10)

37、按照锁相环的特性来选取合适阻尼系统和固有频率来计算kp，ki值。

38、本发明的技术效果如下：

39、1.本相位前馈锁相环结构相比于其他改进锁相环结构简洁，一方面没有引入微分环节降低了噪声影响，另一方面降低了参数设计上的困难。

40、2.通过改变鉴相器环节，使得无论pmsm在正转还是反转下，相位前馈锁相环都可以准确地跟踪转子位置，不会出现180度的误差。

41、3.在传统锁相环的基础上添加了相位前馈环节，可以在加、减速等复杂工况下仍然以零稳态误差跟踪转子位置。

42、4.该相位前馈锁相环不仅解决了pmsm在一些复杂工况下存在的跟踪误差的问题，而且因为相位前馈锁相环并未改变原先结构，独立于传统锁相环之外的，保证了锁相环的稳定性。