[发明专利]基于dq轴下反电动势观测的转子信息估计方法

说明书

本发明公开基于dq轴下反电动势观测的转子信息估计方法，属于发电、变电或配电的技术领域。提出的dq轴下观测反电动势的算法不涉及任何微分运算，对高频噪声不敏感，无需任何滤波器。同时提出三种反电动势数据处理方法结合锁相环估算转子信息，其中最简单的方法仅需计算出d轴上的反电动势，大大降低对处理器的性能要求。将该转子信息估计估计方法用于无位置控制能有效减少无位置控制系统的运算复杂度，且兼具较好的动态性能和稳态精度。此外，将本发明的转子信息估计方法与一种并联型转速电流调节器结合使用，使得无位置控制系统在低速域下能快速补偿转矩，实现负载扰动下的转速快速稳定，有效改善无位置控制系统低速带载能力和转速特性。

技术领域

本发明涉及一种三相永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)在同步旋转坐标系(d-q坐标系)下的反电动势观测方法，并通过锁相环技术计算转子位置和转速，具体公开基于dq轴下反电动势观测的转子信息估计方法，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

转子磁场定向控制(Field-oriented control,FOC)已经成为变频调速领域的标准技术之一，然而FOC非常依赖于转子位置信息，使用机械式位置传感器虽然能够解决上述问题，但是机械式位置传感器同样面临若干突出问题，即安装困难和易于损坏。因此，发展无位置控制技术对拓展三相电驱动系统的应用范围至关重要。当前，无位置控制技术已经在家电领域获得了成功应用，该应用场合的特点便是电机运行转速较高、对动态性能要求不高。除了家电领域之外，无位置控制技术在船舶电力推进、风力发电、航空发动机的启动/发电等场合同样有着迫切的应用需求。然而，鉴于当前无位置控制系统的动态性能较差，该技术在上述场合面临巨大挑战。

根据转速运行范围，无位置控制技术可分为中高速域无位置控制和低速域无位置控制。通常，中高速区域对应1/4～2倍的额定转速，低速域可用电频率表示且电频率在数赫兹以内。适应于中高速区域的无位置控制方法众多，其中，基于电机模型的无位置控制算法占据着主导位置，并根据观测目标不同，无位置控制可分为反电动观测法和磁链观测法。通常，反电动观测在两相静止坐标系(α-β坐标系)下进行，这是因为α-β坐标系电机模型不含转子位置信息，反电动势观测算法可实现与转子位置的解耦，然而由于该反电动势观测法使用了转速信息辅助反电动势观测，因此这种转子位置解耦关系并未彻底。为此，荣吉·李在论文《基于非线性观测器的表面贴装永磁同步电动机无位置传感器控制技术》中提出了一种免转子位置和转速信息的磁链观测器，但是该磁链观测器结构较为复杂，积分误差的存在使得磁链观测精度有所降低。因此，反电动势观测仍然是当前广为使用的一种技术。根据观测器是否闭环，反电动观测算法可分为开环观测算法和闭环观测算法，传统的开环反电动势观测算法存在微分运算和微分噪声，而滤波器的使用又限制了无位置控制系统的动态性能。闭环观测算法的先决条件是估算转速平稳，由于使用大增益控制环节，观测反电动势同样含有强烈的高频噪声，滤波器亦不能豁免。针对闭环观测算法存在的缺陷，一种三相永磁同步电机的扩展反电动势观测方法提出一种免滤波器的α-β坐标系开环反电动势观测算法，并结合复系数滤波器和归一化算法计算矢量变换所需的正余弦函数，但结构仍然比较复杂。

秉承“简单即美”的工业设计理念，本发明对当前的反电动势观测算法做出进一步简化，旨在提升无位置控制系统的稳态和动态性能，并使之接近于有位置控制系统的性能，满足中低端工业场景对无位置控制技术的迫切需求。

发明内容

本发明的目的是针对上述无位置传感器控制技术存在的不足，提出基于dq轴下反电动势观测的转子信息估计方法，在转速变化范围不大且控制精度要求不高的情形下只需利用d轴上的反电动势信息并配合锁相环技术就可以实现转子位置的闭环跟踪，实现通过更小的计算量准确估计转子信息的发明目的，解决现有静止坐标系下反电动势观测算法计算量大影响转子信息估计实时性的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：