永磁同步电机无速度传感器：一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法及系统[发明专利]

专利内容由知识产权出版社提供
摘要：
本发明公开了一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法及系统，通过利用位置估算模型
估算永磁同步电机的转子位置，代替了传统永磁同步电机的机械式位置传感器，降低了在永磁同步电
机在运行时受到的温度和电磁噪声的干扰，提高了装置的运行可靠性，同时本发明在启动阶段采用电
流闭环控制，该控制方法具有“转矩
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功角自平衡”特性，且具有一定的负载抗扰性，在高低速切换过
程不受负载转矩变化的影响，电流几乎无波动，系统鲁棒性强。
申请人：
清能德创电气技术(北京)有限公司,芜湖清能德创电子技术有限公司
地址：
北京市丰台区科技园外环西路26号院15号楼北栋
国籍：
CN
代理机构：
北京高沃律师事务所
代理人：
王爱涛
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永磁同步电机无速度传感器：永磁同步电机无速度传感器控制（三）——模型参考自适应法（一）【估计原理】

本篇对另外一种无速度传感器控制策略做详解——模型参考自适应MRAS无速度控制策略。

1 MRAS简介
MRAS的主要思想：构建两个具有相同物理意义的输出量的模型，其中以不含有位置参数的电机方程作为参考模型，而将待估计参数的方程作为可调模型。利用两个模型输出量的差值构建适当的自适应律来实时调节可调模型的参数，使得可调模型的输出跟踪参考模型的输出。MRAS结构图如图所示：

在MRAS转速估计中，系统和转速的渐近收敛由Popov超稳定理论来保证。对Popov积分不等式逆向求解即可得到由PI调节器控制的转速估算公式。

2 基于MRAS的PMSM参考模型和可调模型的建立
首先看看PMSM在dq轴坐标系下的数学模型，定子电压方程如下，其中p为微分算子。

定子磁链方程如下：

若将其转换为电流模型，即将定子磁链方程带入到定子电压方程中即可得到以定子电流作为状态变量的电流模型，如下所示：

令 id'= id + phif/L ,，iq' = iq ，Vd' = Vd + Rs*phif/L，Vq' = Vq，

则可以将参考电机模型写为：

将可调模型写为：

3、转速估计的原理
在设计完参考电机模型和可调模型之后，可以结合文章开头所述，利用两个模型输出量的差值构建适当的自适应律来实时调节可调模型的参数，使得可调模型的输出跟踪参考模型的输出。那么两个模型的输出是什么呢？是电流。调节可调模型的什么参数呢？转速。经过处理的电流差值（后面介绍这里为什么是经过处理的电流差值）经过估算PI调节器后可以得到估算转速we，这个we会驱使可调模型输出的id iq向参考模型的idiq逼近。从而使得可调模型收敛于可调模型，进而可以使得可调模型中的估算转速向实际转速逼近，进而实现转速的估计。

永磁同步电机无速度传感器：永磁同步电机矢量控制到无速度传感器控制学习教程（PMSM）（一）

一个阶段的学习结束了，整理了之前的过程中的学习成果，已经过了工作的年纪，在这里稍微出一下自己做的一套永磁同步电机的教程，从基础的矢量控制，到应用性较强的MTPA、弱磁控制等，最后深入到无速度传感器的控制，搜集了三种无速度的方法，足够大家从基础到深入整个过程的学习。

相信学过电机控制的同学深有体会，电机控制是一个先难后易的专业类别。为了解决电机控制入门难的问题，我将自己从一知半解到现在的学习记录整理成如下七个部分学习教程。每个部分以相对应功能的Simulink仿真模型为核心，尽可能详细对过程中很小的但容易卡住的问题进行解释，作辅助理解文档方便大家进行学习。每个部分资料全都基于一个电机参数，是一个系统的学习教程，我有信心大家拿到这份教程，认真学习，一定能够走进电机控制的大门，并且掌握它。

注：资料仅供个人学习使用，请勿另作其他用途。

主要为目录如下：
第一部分：（基础入门一） ? ? ? ? ?  PMSM双闭环矢量控制仿真实现及其调参详解第二部分：（基础入门二） ? ? ? ? ?  基于模糊PI调节器的PMSM双闭矢量控制第三部分：（进阶提升一） ? ? ? ? ?  三闭环位置控制详解第四部分：（进阶提升二） ? ? ? ? ?  MTPA控制专题详解第五部分：（进阶提升三） ? ? ? ? ?  MTPA+弱磁 控制多方法实现详解专题第六部分：（提高：理论综合实验）模糊PI+MTPA+弱磁 控制多方法实现详解专题第七部分：（实践：芯片编程） ? ? ? 基于DSP的三闭环位置控制
? ? ? ? 每个部分资料，详细介绍~其中第一部分：PMSM双闭环矢量控制仿真实现及其调参详解适合作为基础入门，对整个控制框架作一个基础的了解，对坐标变换、PI调节器、SVPWM模块等模块有一个基础的理解，此部分应深入的探究，对后续的每个部分理解都有直接帮助，是后面所有部分的基础。 ?第二部分：基于模糊PI调节器的PMSM双闭矢量控制是在基础双闭环矢量控制优化了控制器，优化传统PI性能，有助于大家深入理解控制器在系统中的作用。第三部分：? 三闭环位置控制详解更改了控制目标，双闭环控制的速度，三闭环控制的位置，有助于大家学会如何通过手段实现目标的控制，后续无论实现转矩控制还是磁链控制都是同理。第四部分：MTPA控制专题详解是优化了系统效率，通过推导系统中电流和转矩的关系，选择最小的电流输出提升系统效率，有助于理解系统各物理量之间蕴涵的关系。第五部分：MTPA+弱磁 控制多方法实现详解专题是扩展了系统应用范围，将电机从额定转速应用范围，扩展到3~5倍转速范围应用，大大提升了系统的应用范围。第六部分：MTPA+弱磁 控制多方法实现详解专题就是将上述所有的过程结合起来进行一个综合应用，单个模块搭建相对容易，但是当多个功能共同实现时难度要大很多，这个部分有助于大家学会如何调试整个系统，统一调节管理各个模块之间协同工作，这是有实际意义的，基础掌握扎实后，做的最多的其实就是这个工作。第七部分：（实践：芯片编程）就是从理论到实际电机的实现过程了，将仿真中的模型，转化为代码在平台上跑出来，这是找工作或是学习理论的最终目标了。

第一部分：PMSM 双闭环控制系统仿真实现与调参详解
另外一些是对于初学者的，对于基础入门的FOC有点困难的同学，这部分由于之间给学弟补过课，所以写的比较的详细，有具体的调试过程和参数计算公式，以及一些我手写的推导过程，书籍推荐资料等。文档内公式和VISO图什么的都比较完全，可以直接复制粘贴到论文和演讲PPT中，对于做课程设计和毕设的同学而言是比较好的资料。

第二部分：基于模糊PI调节器的PMSM双闭环控制实现与分析详解（双闭环SVPWM的优化）

此部分是在基础的双闭环控制的基础上进行的深入研究，有可能对于一些同学或者学校来说，只是纯粹的双闭环还无法满足老师的要求，增加模糊PI调节器，这种自整定调节器，不仅能够有效解决双闭环控制中定速度环PI调节器参数在高速和低速的不通用问题，还能提高理论的深度和广度，模糊PI调节器是一个非常值得深入研究的智能控制方式，有需要的同学或者只是想讨论的都可以加我。

第三部分：矢量控制提升——三闭环位置控制详解

此部分是对一种不同控制目标的控制策略——三闭环位置控制进行专题详解。

文档具备以下内容：

三闭环位置控制仿真搭建过程 + 三闭环位置控制仿真位置控制原理推导及其解释重点：位置环+转速环+电流环PI调节器设计与调试过程波形记录及其分析参考论文三闭环提升：加入前馈控制器仿真+搭建过程

文档主要介绍了三闭环位置控制具体的实现过程，详细介绍了三闭环位置控制的基本原理及其与双闭环之间的不同之处。在公式推导与双闭环的基础上，详细介绍了三闭环位置控制在simulink内的搭建过程。本文档除了以上内容，最重要的是详细介绍了三个环也就是三个调节器的理论设计及其调试过程，我相信搭建过的同学知道，这是一个复杂的过程，需要一些调参的经验和时间，所以三环的每个环我都把理论设计和调参过程以单独的文档记录下来，以供同学们能够了解其中来由，而不是一个仿真。最终对三闭环也进行了一个提升，加入了前馈控制器。具体如下图

第四部分：矢量控制提升——MTPA控制专题详解

此部分是对基于id=0的双闭环矢量控制的一种优化提升的控制策略——MTPA控制的专题详解。

文档具备以下内容：

MTPA控制仿真搭建过程+MTPA+对比的id=0仿真MTPA公式推导+原理解释PI调节器设计与调节过程参考论文波形记录及其详细分析（对比分析MTPA效果）

文档主要以双闭环为基础介绍了一种对于凸极性电机而言更加优越的控制策略——MTPA控制，详细的介绍了MTPA控制的基本原理和公式推导过程，在公式推导的基础上，以独立的文档讲解MTPA控制器在simulink内的搭建实现过程。另外关键的PI调节器的参数，也以一个专门的文档记录其理论设计过程，与根据波形现象调节参数的过程，可以有助于大家深入理解理论的同时，能够结合仿真模型的结果进行调参。最后波形的分析，着重分析MTPA与id=0的效果对比，从现象阐述为什么MTPA可以实现电流利用率提升的问题。

第五部分：MTPA+弱磁 控制多方法实现详解专题
此部分将MTPA和弱磁控制结合，在基础MTPA控制的基础上，实现了直接计算法（公式法）和变交轴电压单电流调节器弱磁控制方法，从基础的超前角弱磁——公式法——变交轴电压单电流调节器法逐步深入，且在实现弱磁的基础上，持续优化系统的动态性能，其中变交轴单电流调节器法动态性能最为优越。

第六部分：基于模糊PI调节器的永磁同步电机MTPA+弱磁控制实现与分析详解
此部分相当于时上面双闭环控制、MTPA、弱磁控制和模糊PI的综合设计。如果只是单个实现一个功能其实是相对简单的，如果想要将这些东西全结合在一起，需要同学们具备比较深厚的基础，如果老师上来就让你做这个，可能就无从下手，所以我也在此把这些内容整合在了一起，我做出来了之后也是非常值得庆祝了一番，对此方面有兴趣的可以找我探讨。

第七部分：基于DSP的三闭环位置控制程序
第二部分是一个基于DSP的位置控制三闭环控制程序，且已在实际平台上验证了可行性。程序内部注释较多，CLAKR变换模块、PARK变换模块、SVPWM模块、转速调节器PI、位置调节器PI和电流环PI调节器，都有独立的算法模块。即使芯片不是DSP，里面的算法都是源码，移植起来比较方便。

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上述内容主要针对有感控制进行解释，下面内容主要针对无感控制。
永磁同步电机矢量控制到无速度传感器控制学习教程（PMSM）（二）
基础控制策略学习完成后，接下来就是深入到无速度传感器的控制，在此搜集了三种无速度的方法，分为滑模法、模型参考自适应法、脉振高频注入法，此三种方法涵盖了永磁同步电机高速区和低速区的无感控制策略，足够大家从基础到深入对无感控制整个过程的学习。

主要为以下顺序：
第八部分：简略的双闭环矢量到无速度传感器控制教程第九部分：无速度传感器控制——模型参考自适应控制实现与详解第十部分：无位置传感器控制——滑模观测器无位置控制详解第十一部分：无速度传感器控制——脉振高频注入（低速）
教程详细介绍如下，

第八部分：简略的双闭环矢量到无速度传感器控制教程
这个部分的教程呢其实对有一定基础的同学较为适合，解释和辅助文档较少，但是仿真较多，参考论文较多。每个部分仿真都是我验证过的，如果有需要基础知识框架的同学以这个文档进行学习，需要对电机控制世界有个宏观体会，这个其实也是较为方便，不需要入手那么多复杂的。

总的来说，仿真的分为两类，

第一类，id=0矢量控制，基于矢量控制的MTPA，基于矢量控制的弱磁控制，基于矢量控制的三闭环控制。第二类，无速度传感器，滑膜控制，模型参考自适应控制，高频注入控制。
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第九部分：无速度传感器控制——模型参考自适应控制实现与分享详解
在基础的控制理论得到夯实之后，可以试着进军无速度控制领域，对于无速度控制，模型参考自适应是一个非常好的入门方法，可以让你对如何实现无速度传感器控制的概念有一个基本的了解，所以我做了一个模型参考自适应详解供大家打基础。需要深入探究无速度控制的同学建议以此方法入门，然后深入了解其他方法，进军低速域高速域。基于数学模型的注入法，基于现代控制理论的各种观测器法都是解决无速度问题的深层次控制理论，希望大家加油，我也在往这方面努力。

最近准备把之前未整理出来的专题补上。拿到资料的同志们对我提出了非常宝贵的建议，大家都会想要从初始开始到结果，系统且完整的掌握知识，因此对自己的资料进行了一些偏向性的更改，对原理推导过程以及仿真搭建过程更详细的阐述。资料还在逐步的扩展中，还请大家多加支持，多加指正，我还会继续更新，感谢大家！！！

第十部分：无位置传感器控制——滑模观测器无位置控制详解
此部分是对一种基础的无位置传感器控制方法——滑模观测器（SMO）专题进行讲解。

文档内具备以下内容：

滑模观测器仿真搭建过程+SMO仿真滑模观测器公式原理推导解释（手写）滑模参数与双闭环PI参数设计与调节过程参考论文电机基本参数说明波形记录及其简要分析
文档内较为详细的介绍了滑模观测器的数学原理，以及滑模观测器模块的仿真搭建过程，这个过程以一个文档的形式单独记录下来。另外关键的PI调节器与滑模观测器的参数，也以一个专门的文档记录其理论设计过程，与根据波形现象调节参数的过程，可以有助于大家深入理解理论的同时，能够结合仿真模型的结果进行调参，深入的理解整个系统各个物理量之间的内在联系。另外，将滑模观测器封装为mask模块，可以在换个电机时，外部更改即可。

第十一部分：低速无速度传感器控制——脉振高频注入
脉振高频电压注入法是指在估计的同步旋转坐标系的直轴上（也就是d轴）注入高频正弦电压，所以注入信号在静止坐标系中是一个脉振的高频电压信号。注入后，对交轴高频电流进行调制解调，得到转子位置和速度信息。

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永磁同步电机无速度传感器：河北工业大学徐桂芝教授：大健康背景下生物电工领域的机遇与挑战

北京交通大学电气工程学院、北京纵横机电科技有限公司的研究人员许中阳、郭希铮、邹方朔、游小杰、邱腾飞，在2019年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，基于定子电流模型参考自适应的永磁同步电机无速度传感器控制算法简单，对参数扰动具有较强鲁棒性，适用于中高速运行场合下的转子位置估计。利用数字处理器执行无速度传感器控制算法时，需要将连续的电机时域模型转换为离散模型，常用的前向欧拉方法随着离散化步长的增加，已不能构造准确的可调模型。
本文以内置式永磁同步电机无速度传感器控制为目标，分析在开关频率变化时，七种不同离散化方法对于转子位置估计精度的影响。仿真与实验结果表明，当开关频率大于5kHz时，采用前向欧拉法或阶跃响应法，可以节省控制器运算资源，防止数字系统超限；在低开关频率2kHz下，采用斜坡响应变换法或时移阶跃响应变换法可兼顾转子位置估计精度与运算时长要求，更加适用于大功率、低开关频率的场合。
随着现代电力电子技术与电力电子器件的不断发展，电机控制技术由早期的工频驱动发展为变频控制调速，同时微电子技术与数字控制芯片运算能力的提高，使得交流调速系统可以有效实时数字化控制，具有更大的灵活性和可靠性。
为了节省成本，提高运行可靠性，永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）无位置传感器矢量控制成为当下研究热点，根据电机运行速度的不同，PMSM无位置传感器控制方法整体可分为两大类：一类是适用于零速或低速的控制方法，在电机基波信号上施加外部激励信号，通过检测外加信号响应估计转子位置，由于电机运行时持续的激励注入，会不可避免地带来高频损耗、转矩脉动等问题。
另一类方法适用于中高速运行阶段，其本质是直接或间接地从电机反电动势信息中获取和转子位置有关的量，其中降维状态观测器（Reduced-Order Observer, ROO），稳定性好、鲁棒性强，但存在算法复杂、计算量大的问题。
扩展卡尔曼滤波器（Extended Kalman Filter, EKF），基于最小方均差误差理论，抗干扰能力强，缺点是会涉及到大量的矩阵运算。滑模观测器（Sliding Mode Observer, SMO），参数鲁棒性强，存在不可避免的抖动现象。
模型参考自适应法（Model Reference Adaptive System, MRAS）按照参考模型和可调模型的不同，又可分为基于定子电流的MRAS方法、基于定子磁链的MRAS方法、基于无功功率的MRAS方法。
基于无功功率的MRAS方法从稳态方程出发，动态性能较差；基于定子磁链的MRAS方法的参考模型由电机参数方程计算得到，对参数准确性有很强的依赖；而基于定子电流的MRAS方法将电机模型作为参考模型，从而避免了因参考模型不准确带来的影响。
结合上述分析，本文采用基于定子电流的MRAS方法作为无速度传感器控制的理论基础。
目前对于无速度传感器控制，多数学者致力于在全速度范围内进行转子位置有效估计的研究，在数字实现时开关频率较高。但在轨道交通大功率应用场合中，一般开关频率不会超过2kHz。
在基于定子电流的MRAS无速度传感器矢量控制中，为了能够在DSP等数字控制系统中实现转子位置的有效估计，一般通过电流或电压的差分方程将可调模型从连续域转换到离散域，求解过程至少含有一个微分环节，随着开关频率下降，数字控制离散化方法的精度及稳定性会受到迭代步长和迭代方法选取的影响。
为了讨论不同离散算法在低频采样计算下对于转子位置估计的影响，除了常用的前向欧拉法（Forward Euler, FE）外，本文又引入了后向欧拉法（Back Euler, BE）、近似梯形法（Approximate Trapezoidal, ATZ）、梯形法（Trapezoidal, TZ）、阶跃响应变换法（Step Invariant Transformation, SIT）、斜坡响应变换法（Ramp Invariant Transformation, RIT）、时移阶跃响应变换法（Time Shifted Step Invariant Transformation, TSSIT）六种不同的离散化方法作为可调模型数字离散化实现的手段。
从离散精度、控制性能、运算步长、数字实现难易程度进行了综合对比分析，得到在较低开关频率下转子位置估计的最优离散化方法，理论分析及仿真结果都证明了该方法的正确性及可行性。
图10 永磁同步电机对拖实验平台
总结
本文深入剖析数字离散化方式对于PMSM转子位置估计的影响，将七种不同离散化方法应用于基于定子电流的MRAS系统中，发现在较低开关频率下，前向欧拉算法已不能在数字控制系统中构造较为准确的可调模型，这将影响转子位置估计的精确性。
理论分析和仿真实验结果表明，一阶精度SIT算法等同于FE算法，在低开关频率2kHz下，FE法与SIT法的转子位置估计误差最大，ATZ法的转子位置估计精度稍有提高，RIT法与TZ法的转子位置估计精度基本一致，且优于ATZ法。BE法与TSSIT法的转子位置估计误差最小。随着开关频率增加至5kHz，FE法、ATZ法、SIT法的转子位置估计精度明显提高，基本与TZ法、RIT法的估计精度一致，但对于BE法、TSSIT法的电角度估计精度改善并不显著。
综合考虑七种离散化方法的运行时长，在开关频率大于5kHz情况下，采用FE法可以节省运算资源，防止数字系统运算时间超限，在低开关频率2kHz下，采用RIT法或TSSIT法能够兼顾转子位置估计精度与运算时长要求，更加适合大功率牵引传动系统无速度传感器控制。
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