永磁开关磁链电机无位置传感器直接转矩控制系统及控制方法技术方案

永磁开关磁链电机无位置传感器直接转矩控制系统及控制方法，涉及永磁开关磁链电机的直接转矩控制技术领域。本发明专利技术的扩展反电动势模块检测电机当前转速是否大于等于设定转速阈值，若是，由扩展反电动势模型得到扩展反电动势的幅值；若否，向扩展反电动势模型中注入高频信号，直至电机转速大于等于设定的转速阈值，并由扩展反电动势模型得到扩展反电动势的幅值；二次扩展反电动势模块根据扩展反电动势模块得到的扩展反电动势幅值，得到二次扩展反电动势；通过转矩滑模控制器得到参考电压的q轴分量，通过磁链滑模控制器得到参考电压的d轴分量。本发明专利技术有效抑制转矩脉动，实现全速通用的位置估计，提高了估计精度。提高了估计精度。提高了估计精度。

【技术实现步骤摘要】
永磁开关磁链电机无位置传感器直接转矩控制系统及控制方法


[0001]本专利技术涉及永磁开关磁链电机的直接转矩控制
，尤其涉及永磁开关磁链电机无位置传感器直接转矩控制系统及控制方法。

技术介绍

[0002]传统永磁同步电机的永磁体装配在转子上，因而存在永磁体需要固定的问题以及因散热或故障等而导致不可逆退磁的问题，而定子永磁型的PMFSM转子结构简单且同时有着高功率密度等优点，
[0003]直接转矩控制与矢量控制同为经典的无刷交流电机控制策略，是一种高动态性能的交流调速技术。直接转矩控制的结构可以分为转矩环和磁链环，将测量的转速与给定转速进行比较，再将其差值经过PI模块得到参考转矩值，通过计算磁链值和转矩值进而可以得到与相应给定量的差值，送入滞环再由此选择开关矢量，控制电机的转矩和磁链。传统DTC控制策略采用Bang
‑
Bang控制，根据转矩和磁链的滞环输出，直接进行开关表选择实现电机控制，结构简单但也使得低速下的无位置注入技术难以实现，并且当滞环输出达到所设定的上下限时，才会对磁链或转矩进行增大或减小的调整，这也意味着转矩和磁链不可避免的在设定的容差值范围内来回波动，此外由于在相应扇区根据滞环输出进行选择的电压矢量仅为六个有效矢量状态中的一个，这六个电压矢量很可能不是最佳的选择，这些因素导致了传统的直接转矩控制中存在着转矩会有较大的脉动的问题。
[0004]控制系统中转子位置的获取是一个重要的组成部分，但传统的位置检测需要外部硬件如光电编码器、霍尔或者旋转变压器来进行采集检测，机械式的检测方法存在着一定的不可靠性。传统的全速域范围内的无传感器位置估计需要在零低速和中高速时进行算法的切换，这使得系统构建上，不仅需要低速和高速下分别搭建位置估计模型，还要考虑在切换时设计一个过渡算法，以使得位置估计模块在全速域内能能够平滑的进行过渡。所以传统的全速域无传感器控制是一种基于混合算法的复合控制，这使得总体结构复杂。
[0005]基于此，本领域技术人员致力于提供一种永磁开关磁链电机的直接转矩控制系统及方法，不仅需要抑制转矩脉动问题，还需要解决电机全速域的过渡控制问题。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了永磁开关磁链电机无位置传感器直接转矩控制系统及控制方法，在转矩控制环节和磁链控制环节引入滑模控制器，有效抑制了转矩脉动；在位置估计环节引入二次扩展反电势模型，实现了全速域转子位置估计，提高了估计精度。
[0007]为达到以上目的，本专利技术一方面提供了永磁开关磁链电机无位置传感器直接转矩控制系统，包括速度位置估计单元和滑模控制单元；
[0008]所述速度位置估计单元包括：
[0009]扩展反电动势模块，用以检测电机当前转速是否大于等于设定转速阈值，若是，由扩展反电动势模型得到扩展反电动势的幅值；若否，向扩展反电动势模型中注入高频信号，直至电机转速大于等于设定的转速阈值，并由扩展反电动势模型得到扩展反电动势的幅值；
[0010]二次扩展反电动势模块，用以根据扩展反电动势模块得到的扩展反电动势幅值，得到二次扩展反电动势，
[0011]锁相环模块，用以根据二次扩展反电动势得到转子的速度和位置；
[0012]所述滑模控制单元包括：
[0013]转矩滑模控制器，用以根据转子速度得到参考转矩和电机的转矩T
e
得到参考电压的q轴分量；
[0014]磁链滑模控制器，用以根据参考磁链和电机的磁链ψ
s
得到参考电压矢量的d轴分量。
[0015]进一步的，所述转矩滑模控制器为：
[0016][0017]其中，s
Te
为转矩环滑动变量，为
[0018]进一步的，所述磁链滑模控制器为：
[0019][0020]其中，为磁链环滑动变量，为
[0021]本专利技术第二方面提供了永磁开关磁链电机无位置传感器直接转矩控制方法，基于所述的永磁开关磁链电机无位置传感器直接转矩控制系统实现，包括如下步骤：
[0022]S1、检测电机当前转速是否大于等于设定转速阈值，若是，由扩展反电动势模型得到扩展反电动势的幅值；若否，向扩展反电动势模型中注入高频信号，直至电机转速大于等于设定的转速阈值，并由扩展反电动势模型得到扩展反电动势的幅值；
[0023]S2、根据步骤S1得到的扩展反电动势幅值，得到二次扩展反电动势，经锁相环得到转子的速度和位置；
[0024]S3、根据步骤S2获得的转子速度得到参考转矩参考转矩与电机的转矩T
e
输入转矩滑模观测器中得到参考电压的q轴分量，将参考磁链和电机的磁链ψ
s
输入磁链滑模观测器中得到参考电压矢量的d轴分量；
[0025]S4、根据参考电压的q轴分量、参考电压矢量的d轴分量得到调制信号。
[0026]进一步的，向扩展反电动势模型中注入高频信号后，得到的扩展反电动势的幅值为：
[0027][0028]其中，ω
h
是注入信号的频率，n表示谐波阶数，上标“f”表示基波分量，电机为双凸极结构，ΔL＝L
q
‑
L
d
。
[0029]进一步的，二次扩展反电动Q
α
和Q
β
为：
[0030][0031]其中，为二次扩展反电势的大小。
[0032]进一步的，二次扩展反电动势采用归一化方法提取包含位置信息的正余弦量，得到：
[0033][0034]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0035]1、本专利技术通过二次扩展反电动模型实现了低速和高速两种状态下以同一种模型完成全速域范围的无位置传感器控制，在低速时注入高频量，且减少了滤波器的使用，减小了由滤波器带来的相位延迟而产生的估计误差，而当转速升高，可较为方便的停止注入而转入反电动势的观测，解决了过渡的问题，无需同时设计低速、高速以及过渡算法，简化了系统算法结构。
[0036]2、本专利技术采用二阶滑模控制器代替传统直接转矩的滞环，有效的降低了转矩脉动。
附图说明
[0037]图1为本专利技术一具体实施例的直接转矩控制系统整体结构原理图；
[0038]图2为本专利技术一具体实施例的位置速度估计原理框图；
[0039]图3为本专利技术一具体实施例的直接转矩控制方法的整体流程示意图；
[0040]图4为本专利技术一具体实施例的转矩回路图示意图；
[0041]图5为本专利技术一具体实施例的高频量回路示意图；
[0042]图6为本专利技术一具体实施例的电压矢量合成示意图；
[0043]图7为本专利技术一具体实施例中低速下高频注入仿真波形，图7a为转速突变波形，图7b为转速误差波形，图7c为估算位置波形，图7d为位置误差波形；
[0044]图8为本专利技术一具体实施例的低速下的扩展反电势仿真波形；
[0045]图9为本专利技术一具体实施例的高速下基于扩展本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.永磁开关磁链电机无位置传感器直接转矩控制系统，其特征在于，包括速度位置估计单元和滑模控制单元；所述速度位置估计单元包括：扩展反电动势模块，用以检测电机当前转速是否大于等于设定转速阈值，若是，由扩展反电动势模型得到扩展反电动势的幅值；若否，向扩展反电动势模型中注入高频信号，直至电机转速大于等于设定的转速阈值，并由扩展反电动势模型得到扩展反电动势的幅值；二次扩展反电动势模块，用以根据扩展反电动势模块得到的扩展反电动势幅值，得到二次扩展反电动势；锁相环模块，用以根据二次扩展反电动势得到转子的速度和位置；所述滑模控制单元包括：转矩滑模控制器，用以根据转子速度得到参考转矩和电机的转矩T
e
得到参考电压的q轴分量；磁链滑模控制器，用以根据参考磁链和电机的磁链ψ
s
得到参考电压矢量的d轴分量。2.根据权利要求1所述永磁开关磁链电机无位置传感器直接转矩控制系统，其特征在于，所述转矩滑模控制器为：其中，s
Te
为转矩环滑动变量，为3.根据权利要求1所述永磁开关磁链电机无位置传感器直接转矩控制系统，其特征在于，所述磁链滑模控制器为：其中，为磁链环滑动变量，为4.永磁开关磁链电机无位置传感器直接转矩控制方法，其特征在于，基于权利要求1
‑
3任一一项权利要求所述的永磁开关磁链电机无位置传感器直接转矩控制系统实现，包括如下步骤：S1、检测电机当前转速是否大于等于设定转速阈值，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周永勤，邱明虎，黄建鑫，田宏博，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：