[发明专利]基于扩展磁链观测器的永磁同步电机定子磁链观测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁链观测方法，具体地说是一种永磁同步电机定子磁链观测方法。

背景技术

永磁同步电机(简称PMSM)具有效率高、功率密度大、转矩输出大脉动小、动态响应快、调速范围宽等优点，目前在风力发电系统和电动汽车电驱动系统领域得到了广泛应用。

常见的PMSM调速系统通常由速度外环和电流内环构成双闭环控制形式，并且内环电流给定值是由转速闭环调节器给定，因此一般无需准确的电磁转矩观测。而在风力发电和电动汽车系统中，PMSM驱动控制器自身一般无需速度闭环控制，常常要求其对主控系统下发的转矩指令进行跟踪控制，而电机的实际运转速度则由主控系统决定。因此在电磁转矩反馈的基础上，进行转矩闭环控制可以获得所需电流指令，进而确保PMSM驱动控制系统对主控系统下发的指令转矩进行准确跟踪。然而，实际系统通常不会安装扭矩仪之类的扭矩传感器，因此高精度的电磁转矩估计是实现准确转矩闭环控制的关键。依据PMSM的数学模型，其电磁转矩可基于定子磁链与定子电流的叉乘得到，因此定子磁链观测的准确度直接决定了电磁转矩的观测及其跟踪控制精度。

常规的PMSM定子磁链观测方法可以分为两类。一类是根据实测定子电压、电流，基于PMSM在两相同步旋转坐标系（简称dq坐标系）下的数学模型直接计算得到定子磁链在dq坐标系下的值。该方法计算简单，但要使用永磁体磁链和交、直轴电感，而这些参数易受温升和磁饱和的影响，造成定子磁链计算误差。另一类方法是直接基于定子电压模型的积分运算获取磁链，尽管这一方法具有较好的参数鲁棒性，但存在其固有的积分运算问题。针对纯积分问题，一些学者进行了改进研究，提出的方法有：一、采用低通滤波器代替纯积分器，可以克服纯积分所产生的直流偏置和积分饱和，但会带来相位和幅值偏差；二、采用饱和反馈的改进积分器，可以抑制积分饱和，但可能会造成波形畸变；三、采用幅值限定的改进积分器，可以克服方法二造成的波形畸变，但恒定的限幅基准设定方式难以满足PMSM实际运行的需要；四、根据反电动势与定子磁链的正交原理，构建磁链幅值自适应的补偿方法，获得了适应较宽调速范围的补偿效果，但其磁链观测精度仍然受限。

和常规定子磁链观测方法相比较，基于状态观测器的观测方法不仅能够避免纯积分的问题，而且可以实现磁链的闭环观测。有方法在dq坐标系下构建了定子磁链的全阶状态观测器，但该方法既需要准确的转子磁链定向角，同时又使用了较多的电机参数，其电机参数依赖性较强。

发明内容

本发明是为了克服常规定子磁链观测技术和dq坐标系下的状态观测器方法存在的不足之处，提供一种闭环的、工程实现较容易的、参数鲁棒性好的定子磁链观测方法。本发明在两相静止坐标系即αβ坐标系下，构建一种扩展磁链观测器，并利用定子磁链与扩展磁链的关系计算定子磁链。所采用的扩展磁链观测器只有2阶，且仅需要定子电阻和交轴电感两个电机参数，并且定子磁链的观测精度不受交轴电感影响，参数鲁棒性好。

为了实现上述目的，本发明提出的一种基于扩展磁链观测器的永磁同步电机定子磁链观测方法。该方法首先根据采集并运算得到的两相静止坐标系（简称αβ坐标系）下电机定子电压相量u_αβ、定子电流相量i_αβ和转子电角速度ω，基于状态观测器理论，依据永磁同步电机在αβ坐标系下的数学模型建立一种扩展磁链观测器，然后利用定子磁链与扩展磁链的关系观测定子磁链ψ_s。

本发明的技术方案按照下述步骤实现。

步骤一、采集永磁同步电机在αβ坐标系下的定子电压相量u_αβ、定子电流相量i_αβ和转子电角速度ω；

所述的定子电压相量u_αβ的采集方式包括以下两种：

（1）采样得到实时测得的永磁同步电机定子线电压u_ab和u_bc并经式（6）的坐标变换获得u_αβ，