一种考虑铁损的无感控制方法及系统

1.本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种考虑铁损的无感控制方法及系统。


背景技术：

2.永磁同步电机(pmsm)因其高效率，高能量密度，调速范围广等优点而被广泛应用于压缩机，泵，新能源汽车等多种场合。近些年，永磁同步电机高速无位置传感器控制已被广泛研究，基于基波数学模型的pmsm中无位置传感器控制技术是一种主流方法，这类方法利用pmsm基波数学模型中与转速有关的变量(如产生的反电动势)对转子位置信息进行估计，在电机中高速运行时有用信号的信噪比高，适用于中高速pmsm无位置传感器控制。然而此类方法因依赖基波数学模型，对模型精度的要求十分高，对电机参数变化敏感。当电机高速运行时，电机模型会受到来自电机和驱动器的各种干扰，如逆变器失真，磁饱和，铁芯损耗等非线性干扰。这些干扰会对电机模型产生直流偏置，还会引起电机模型中参数的非线性变化，从而影响模型精度，降低无位置传感器控制性能。
3.目前pmsm高速无位置传感器控制算法对干扰补偿主要集中在逆变器失真和磁饱和等，大多数无位置传感器控制没有考虑铁芯损耗。然而铁芯损耗会以速度的平方倍增加，在电机高速运行区域将不能被忽略，因此模型的准确性得不到保证。现有考虑铁芯损耗的无位置传感器算法研究中，一种考虑铁损的扩展卡尔曼滤波器同步磁阻电机无传感器算法被提出，然而扩展卡尔曼滤波器的长时间计算在高速电机驱动器很短的中断时间中难以实现。此外在一些方法中，将铁芯损耗用等效电阻器来代替，对等效铁损电机建模计算用以对干扰进行补偿。然而铁芯损耗与电机转速和磁饱和程度有关，他们的关系具有高度非线性，引入铁芯损耗电阻大大增加了电机模型的复杂性。同时因其高度非线性和电机模型的复杂性，使得对准确估计铁芯损耗电阻变得十分困难。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种考虑铁损的无感控制方法及系统，能够准确对非线性铁损畸变进行补偿，保证了电机高速运行区域下电机模型的精度，提升了高速域电机控制性能。
5.本发明所采用的第一技术方案是：一种考虑铁损的无感控制方法，包括以下步骤：
6.基于扩展电动势方法，考虑铁损、磁饱和和逆变器畸变构建电机模型；
7.基于电机模型对永磁同步电机进行补偿控制。
8.进一步，所述基于扩展电动势方法，考虑铁损、磁饱和和逆变器畸变构建电机模型这一步骤，其具体包括：
9.考虑铁损、磁饱和和逆变器畸变构建初始电机模型；
10.对由铁损引起的电压畸变项进行建模，得到铁损畸变项模型；
11.对由磁饱和引起的电感畸变项进行建模，得到电感畸变项模型；
12.对逆变器畸变项进行建模，得到逆变器畸变项模型；
13.整合电压畸变项模型和电感畸变项模型，消除由铁损和逆变器畸变项引起的偏移误差，得到最终电机模型。
14.进一步，所述初始电机模型公式表示如下：
[0015][0016]
上式中，cd和cq表示铁损畸变项，dd和dq是逆变器畸变项系数，vd表示d轴电压，vq表示q轴电压，id表示d轴电流，iq表示q轴电流，ld表示d轴电感，lq表示q轴电感，λ0是永磁磁链，r是绕组电阻，ω是电角速度。
[0017]
进一步，所述电压畸变项模型表示如下：
[0018][0019]
上式中，m、n和k表示模型阶次，c
mn
、d
mn
、e
mn,k
和f
mn,k
表示非线性模型中的系数。
[0020]
进一步，所述电感畸变项的模型表示如下：
[0021][0022]
上式中，a
mn
和b
mn
均表示模型参数。
[0023]
进一步，所述逆变器畸变项表示如下：
[0024][0025]
上式中，表示电流相位角θ表示转子角度。
[0026]
进一步，所述最终电机模型公式表示如下：
[0027][0028]
上式中，上式中，l
qm
表示组合电感，rm表示组合电阻，e
γm
和e
δm
表示组合扩展反电动势。
[0029]
进一步，所述基于电机模型对永磁同步电机进行补偿控制这一步骤，其具体包括：
[0030]
基于电机模型计算各畸变补偿项并输入至扰动观测器，得到扩展反电动势估计值；
[0031]
将扩展反电动势估计值输入至ppl观测器；
[0032]
基于ppl观测器对估计误差进行追踪，对输入信号进行补偿，完成补偿控制。
[0033]
本发明所采用的第二技术方案是：一种考虑铁损的无感控制系统，包括：
[0034]
模型构建模块，基于扩展电动势方法，考虑铁损、磁饱和和逆变器畸变构建电机模型；
[0035]
控制模块，基于电机模型对永磁同步电机进行补偿控制。
[0036]
本发明方法及系统有益效果是：本发明将扩展电动势方法应用于考虑铁损、磁饱和和逆变器畸变的电机模型，建立得到精确的电机模型，并基于该模型提出了一种无传感器控制方法。简化的非线性铁损模型参数能被提前有效地估计，非线性铁损畸变能被准确补偿，保证了电机高速运行区域下电机模型的精度，提升了高速域电机控制性能。
附图说明
[0037]
图1是本发明一种考虑铁损的无感控制方法的步骤流程图；
[0038]
图2是本发明具体实施例模型参数辨识的步骤示意图；
[0039]
图3是本发明具体实施例γ轴扩展反电动势最小阶扰动观测器的实现框图；
[0040]
图4是本发明具体实施例获取pll的估计误差的实现框图；
[0041]
图5是本发明具体实施例控制整体框图。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0043]
如图1所示，本发明提供了一种考虑铁损的无感控制方法，该方法包括以下步骤：
[0044]
s1、基于扩展电动势方法，考虑铁损、磁饱和和逆变器畸变构建电机模型；
[0045]
s1.1、考虑铁损、磁饱和和逆变器畸变构建初始电机模型；
[0046][0047]
上式中，ld(id,iq)和lq(id,iq)是d-q轴电流的非线性函数，d
dvdt
和d
qvdt
是对由逆变器产生的非线性扰动建模补偿，cd和cq是对由铁芯损耗和饱和引起的非线性扰动建模补偿。
[0048]
s1.2、对由铁损引起的电压畸变项进行建模，得到电压畸变项模型；
[0049]cd
和cq是电机转速和d-q轴电流的非线性函数，能被表示为cd(ω,id,iq)和cq(ω,id,iq)。采用变系数非线性多项式对铁损畸变项cd(ω,id,iq)和cq(ω,id,iq)进行建模，如下式：
[0050]
[0051]
式中m、n和k为模型阶次，{c
mn
},{d
mn
},{e
mn,k
}和{f
mn,k
}是系数，式中cd和cq的系数是可变的。当模型参数被辨识并储存后，可以高效地通过上式计算出铁损电压畸变。
[0052]
参照图2，模型参数辨识过程具体为式(1)～式(14)，首先，在(j+1)个电机高速运行环境下，固定id和iq，电机转速依次设为ωj,j＝0,
…
,j,收集d-q轴电压为u
dj
和u
qj
。
[0053][0054]
对于没有铁损补偿的d-q轴电压可表示为
[0055][0056]
这里j＝0,
…
,j。定义d-q轴电压误差为
[0057][0058]
由(1)-(3)有
[0059][0060]
对于电阻和磁链，我们有
[0061][0062]rt
和r0代表电阻在绕组温度为t和t0时的值，α是铜热系数。λ
τ
和λ0代表永磁体磁链在永磁体温度为τ和τ0的值，β是永磁体热系数。将(4)代入(5)有
[0063][0064]
这里δt和δτ代表绕组温度和永磁体温度变化。基于(6),式(7)可表达为
[0065][0066]
定义式(7)误差为
[0067][0068]
这里
[0069][0070]
式(9)中λ0、β和δτ的可以得到补偿，因此可以用式(8)进行参数估计，然后对f
00,0
进行相应修改，得到补偿模型参数。具体而言，在(j+1)个电机高速运行条件下，在g*h负载条件下，对于每一个负载条件d-q轴电流固定为i
dg
和i
qh
，同时电机转速依次设定为ω0,ω1,
…
,ωj,并收集d-q轴电压{u
dgh,j
,u
qgh,j
,j＝0,
…
,j},这里g＝1,
…
,g and h＝1,
…
,h。根据式(11)，d-q轴电压满足式(10)
[0071][0072]
首先。参数估计的数据可构造为：
[0073][0074][0075]
基于(8)和(11)，估计模型被建立为：
[0076][0077]
首先第一步使用测量值从式(13)估计和第二步使用式(14)用已估计的和来确定和然后通过式(9)得到{e
mn,k
}和{f
mn,k
}。
[0078]
[0079][0080]
s1.3、对由磁饱和引起的电感畸变项进行建模，得到电感畸变项模型；
[0081]
由于磁饱和，ld和lq会随着id和iq非线性变化，能被表示为ld(id,iq)和lq(id,iq)，通常使用非线性函数对其建模，如下式：
[0082][0083]
上式中模型参数{a
mn
},{b
mn
}同样可以提前辨识并储存，用于计算受磁饱和影响而变化的电感。
[0084]
s1.4、对逆变器畸变项进行建模，得到逆变器畸变项模型；
[0085]dd
和dq是逆变器畸变系数，它是转子位置和电流角相关的函数，可以表示为：
[0086][0087]
上式中是电流相位角，θ表示转子角度，同样v
dt
也可以提前辨识并储存用于计算逆变器畸变项。
[0088]
s1.5、根据电压畸变项模型和电感畸变项模型，消除由铁损和逆变器畸变项引起的偏移误差，得到最终电机模型。
[0089]
为了消除因铁损和逆变器畸变项引起的偏移误差，令：
[0090][0091]
电机模型可以表示为：
[0092][0093]
式中可以发现，因使用了新的电阻rm和电感l
qm
，d轴分量的最后一项被消去。将上式变换到γ-δ轴坐标系，如下式：
[0094]
[0095][0096]
式中e
γm
＝-e
exm
sinδθe和e
δm
＝e
exm
cosδθe,可以通过最小阶扰动观测器得到扩展反电动势的估计值和l
qm
表示组合电感，rm表示组合电阻，e
γm
和e
δm
表示组合扩展反电动势。
[0097]
图3给出了γ轴扩展反电动势最小阶扰动观测器的实现框图，δ轴同理，扰动观测器根据对电流电压的观测，得到更精准的扩展反电动势估计值。
[0098]
s2、基于电机模型对永磁同步电机进行补偿控制。
[0099]
为了获得更好的动态性能，采用pll技术提取转子位置信息，是一种自适应闭环系统，能够在谐波比较大地条件下，较好地实时跟踪转子位置信息。δθe为pll的估计误差，只要通过适当的调节使δθe＝0，就可以使得转子位置估计值收敛于真实值。
[0100]
当pll估计值十分接近真实值时，δθe≈0，有下式
[0101][0102]
因此可通过上式构建闭环pi调节器，以得到转子位置信息，具体实框图如图4。
[0103]
具体地，图5给出了整体控制框图。采用id＝0的矢量控制，应用pll观测器对估计误差δθe进行追踪，实现了考虑铁损和逆变器畸变的无位置传感器控制。从图3的扰动观测器得到γ轴扩展反电动势估计值可直接放入pll观测器中提取转子位置信息，无需再进行其他数学运算，因此省略了对低通滤波的环节，降低了低通滤波器迟滞性对系统的影响。
[0104]
一种考虑铁损的无感控制系统，包括：
[0105]
模型构建模块，基于扩展电动势方法，考虑铁损、磁饱和和逆变器畸变构建电机模型；
[0106]
控制模块，基于电机模型对永磁同步电机进行补偿控制。
[0107]
上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
[0108]
一种考虑铁损的无感控制装置：
[0109]
至少一个处理器；
[0110]
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
[0111]
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如上所述一种考虑铁损的无感控制方法。
[0112]
上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的
功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
[0113]
一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于：所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现如上所述一种考虑铁损的无感控制方法。
[0114]
上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
[0115]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。