带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制系统及方法.pdf

带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制系统及方法，涉及电机设备的技术领域。它分为两个部分：一部分是在静止坐标系下构造状态观测器，此观测器仅仅通过在靠近逆变器端采集电流信号，从而估算电机的角度和转速；另一部分是在传统的双闭环控制算法的基础上，加入对于滤波器硬件的控制。两部分共同实现了整个系统的无位置传感器控制。本发明不改变电机驱动系统的原有硬件设计，且实现方式简单，并提高了控制性能。

1.一种带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制系统，包括电流采集模块、Clark变换模块、Park变换模块、反Park变换模块、电机速度控制模块、电机电流控制模块、LC滤波器滑模控制模块、状态观测器模块、锁相环模块、空间矢量脉宽调制模块、数字信号处理器、三相逆变器、LC滤波器和表贴式永磁同步电机，所述的电流采集模块用于采集靠近逆变器端的A相电流信号ia和B相电流信号ib，并传输至Clark变换和Park变换模块；所述的Clark变换模块用于将相电流变换为静止坐标系下的变量；所述的Park变换模块用于将静止坐标系下的电流变换为旋转坐标系下的变量；所述的反Park变换模块用于将旋转坐标系下的变量变为静止坐标系下的变量；所述的电机速度控制模块为比例积分控制器，用于速度调节处理，并输出电机端电流指令；所述的电机为表贴式永磁同步电机；所述的电机电流控制模块也采用PI控制器，用于电机端电流调节处理，并输出电机端电压指令，并输入LC滤波器滑模控制模块；所述的LC滤波器滑模控制模块用于控制输出电压；所述的状态观测器模块用于估算电机反电势和和电机端电流、电压变量；所述的锁相环模块用于估算电机角度和转速；所述的空间矢量脉宽调制模块利用接收到的电压信号，计算并产生PWM信号，并通过驱动放大电路传输至逆变器的功率开关管；所述的数字信号处理器用于完成所有软件算法；所述的三相逆变器接收脉宽调制信号并控制电机运行；所述的LC滤波器用于减缓电缆反射效应。 -->2.一种利用权利要求1所述的系统实现带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于：所述的方法包括如下步骤：步骤1：使用电流采集模块采集靠近逆变器一侧的A相电流ia和B相电流ib，信号进入DSP计算单元中，并进行Clark变换，转换为在静止坐标系下的α轴电流iiα和β轴电流iiβ以及旋转坐标系下的d轴电流iid和q轴电流iiq；步骤2：构造龙贝格形式的状态观测器，状态观测器的形式为： x ^ · = A x ^ + b u + L ( y - y ^ ) ]]> x ^ = i ^ i α β u ^ α β i ^ α β e ^ α β T , u = u i α β , y = i i α β , y ^ = i ^ i α β , u i α β = u i α u i β T , i i α β = i i α i i β T , ]]> A = 0 - 1 L f 0 0 1 C f 0 - 1 C f 0 0 1 L s - R s L s - 1 L s 0 0 0 0 ; ]]> b = 1 L f 0 0 0 T ; ]]>式中：x为状态变量，为状态变量估计值，为状态变量估计值的导数，u为输入变量，y为输出变量；上角标T为向量转置符号；A，b为系统矩阵；uiαβ为靠近逆变器端的三相电压信号经过Clark变换而得到的静止坐标系下的分量；为iiαβ的估计值；为静止坐标系下的电机端电压信号估计值；为静止坐标系下电机端电流的估计值；为电机的在静止坐标系下的反电动势eαβ的估计值；L矩阵为参数矩阵；Lf和Cf分别为滤波器的电感和电容值；Ls和Rs分别为电机的电感和电阻值；步骤3：通过步骤2中所得的反电动势信息，通过锁相环模块估算出电机转速并对电机转速进行积分运算即得到电机的角度步骤4：通过对步骤2中所得静止坐标系下的电机端电压和电机电流以及逆变器输入端电流估算值进行Park变换，获知在旋转坐标系下的电机端电压和电机端电流以及逆变器输入端电流估算值；步骤5：给定速度指令与根据步骤2中所估算出的转速作差，然后经过速度控制器模块，求出q轴上电机端电流指令iq*；步骤6：将d轴电机端电流指令id*设为0，0与步骤2中所得作差，经过电流控制器模块，产生d轴上的电机端电压指令ud*；iq*与步骤2中所得作差，经过电流控制器模块，产生q轴上的电压端指令uq*；步骤7：构造控制LC滤波器的滑模控制器，滑模控制器分为内环和外环，选取外环在旋转坐标系下的2个滑模面： --> s o d = u d * - u ^ d ]]> s o q = u q * - u ^ q ]]>外环的计算式为： i i d * = C f [ u · d * + ϵ o sgn ( s o d ) + k o s o d + 1 C f i ^ d - ω ^ e u ^ q ] ]]> i i q * = C f [ u · q * + ϵ o sgn ( s o q ) + k o s o q + 1 C f i ^ q + ω ^ e u ^ d ] ]]>式中，sgn函数为符号函数，ko和εo为所选取的参数；iid*和iiq*为旋转坐标系下的逆变器输入端电流指令；步骤8：根据步骤7求得的外环输出，选取内环在旋转坐标系下的2个滑模面： s i d = i i d * - i ^ i d ]]> s i q = i i q * - i ^ i q ]]>得到滑模控制器的内环计算式为： u i d * = L f [ i · i d * + ϵ i sgn ( s i d ) + k i s i d + 1 L f u ^ d - ω ^ e i ^ i q ] ]]>式中，sgn函数为符号函数，ki和εi为所选取的参数，uid*和uiq*为旋转坐标系下的逆变器输入端电压指令，在不采集任何电压的情况下，它们用来替代步骤2中的uid和uiq；步骤9：uid*和uiq*经过反Park变换，得到静止坐标系下逆变器输入端电压指令步骤10：步骤9中求得的电压指令经过空间矢量调制模块(SVPWM)，输出脉宽调制波，从而控制逆变器，并通过逆变器驱动电机和滤波器。 -->

带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机无位置传感器控制系统及方法，属于电机设备技术
领域。

背景技术

目前，永磁同步电机通常使用三相逆变器控制，软件上则使用双闭环矢量控制算
法。在深水或油井等极端环境中，逆变器与电机之间的电缆线会相应变长。当使用长线传输
时，由于传输线之间的分布电容与电感的存在，PWM脉冲信号将会在电缆上产生电磁波。根
据理论分析，当发生电压波的全反射时，入射波电压与反射波电压相叠加，电机端电压达到
正常电压的2倍，这有可能破坏整个系统的绝缘性能，甚至烧毁电机。目前，解决反射效应的
一般方法是在线缆靠近逆变器的一端装配三相LC滤波器，减缓脉冲信号的作用，从而抑制
反射效应。然而，与普通电机驱动器不同的是，当系统中加入了LC滤波器以后，将出现如下
问题：

1、由于逆变器与电机距离较远，电机位置传感器反馈信号的传输线也将相应变
长，通信的干扰较大，因此可以考虑使用已有方法估算位置与转速。但是，目前流行的角度
与转速估算方法大多基于电机的基本模型，而LC滤波器改变了系统固有模型，过去的方法
单纯针对电机模型，因而不再适用于带LC滤波器的永磁同步电机系统。有方法是在靠近电
机一端放置电流传感器，从而获知电机电流，然后再使用传统方法进行估算，但是此方法改
变了原有的硬件设计方式，且增加了硬件成本，降低了系统可靠性。也有人提出了仅在靠近
逆变器一端测量电流从而进行估算的方法，但算法形式较为复杂。

2、LC滤波器装配到逆变器与电机之间后，控制系统阶数升高，传统的电流环内环
加速度环外环的双闭环控制方式将不再是最优选择，需要对滤波器进行控制算法的设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种只在靠近逆变器端采集电流信号，即不改变原有硬件设
计的同时，能够在不使用位置传感器的情况下实时并方便地估算电机的角度和转速，且估
算方法简单易实现，并对电机和滤波器组成的系统进行控制的带LC滤波器的永磁同步电机
无位置传感器控制系统及方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：与权利要求相同，为便于审阅，暂
略。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

1、不需要改变原有硬件设计方式，仅仅测量逆变器端电流，即可实现永磁同步电
机的无位置传感器控制；

2、状态观测器的形式更为简洁，软件实现更为方便；

3、在速度环和电流环的基础上加入对LC滤波器进行滑模控制环节，提高了控制性
能。

附图说明

图1为本发明的一种带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制系统及方法的
系统框图；

图2为本发明的一种带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制系统及方法的
状态观测器和锁相环(PLL)估算角度的仿真波形图；

图3为本发明的一种带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制系统及方法的
速度响应仿真波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，一种带LC滤波器的永磁同步电机无位置传感器控制
系统，包括电流采集模块、Clark变换模块、Park变换模块、反Park变换模块、电机速度控制
模块、电机电流控制模块、LC滤波器滑模控制模块、状态观测器模块、锁相环(PLL)模块、空
间矢量脉宽调制模块、数字信号处理器(DSP)，三相逆变器、LC滤波器和表贴式永磁同步电
机，

所述的电流采集模块用于采集靠近逆变器端的A相电流信号ia和B相电流信号ib，
并传输至Clark变换和Park变换模块；

所述的Clark变换模块用于将相电流变换为静止坐标系下的变量；

所述的Park变换模块用于将静止坐标系下的电流变换为旋转坐标系下的变量；

所述的反Park变换模块用于将旋转坐标系下的变量变为静止坐标系下的变量；

所述的电机速度控制模块为比例积分(PI)控制器，用于速度调节处理，并输出电
机端电流指令；所述的电机为表贴式永磁同步电机；

所述的电机电流控制模块也采用PI控制器，用于电机端电流调节处理，并输出电
机端电压指令，并输入LC滤波器滑模控制模块；

所述的LC滤波器滑模控制模块用于控制输出电压；

所述的状态观测器模块用于估算电机反电势和和电机端电流、电压变量；

所述的锁相环模块(PLL)用于估算电机角度和转速；

所述的空间矢量脉宽调制模块利用接收到的电压信号，计算并产生PWM信号，并通
过驱动放大电路传输至逆变器的功率开关管；

所述的数字信号处理器(DSP)用于完成所有软件算法；

所述的三相逆变器接收脉宽调制(PWM)信号并控制电机运行；

所述的LC滤波器用于减缓电缆反射效应。

具体实施方式二：如图1所示，一种利用具体实施方式一所述的系统实现带LC滤波
器的永磁同步电机无位置传感器控制方法，所述的方法包括如下步骤：

步骤1：使用电流采集模块采集靠近逆变器一侧的A相电流ia和B相电流ib，信号进
入DSP计算单元中，并进行Clark变换，转换为在静止坐标系下的α轴电流iiα和β轴电流iiβ以
及旋转坐标系下的d轴电流iid和q轴电流iiq；

步骤2：构造龙贝格(Luenberger)形式的状态观测器，状态观测器的形式为：

式中：x为状态变量，为状态变量估计值，为状态变量估计值的导数，u为输入变
量，y为输出变量；上角标T为向量转置符号；A，b为系统矩阵；

uiαβ为靠近逆变器端的三相电压信号经过Clark变换而得到的静止坐标系下的分
量；为iiαβ的估计值；为静止坐标系下的电机端电压信号估计值；为静止坐标系下
电机端电流的估计值；为电机的在静止坐标系下的反电动势eαβ的估计值；L矩阵为参数
矩阵；Lf和Cf分别为滤波器的电感和电容值；Ls和Rs分别为电机的电感和电阻值；

通过状态观测器，估算出电机在静止坐标系下的反电动势信息和

步骤3：通过步骤2中所得的反电动势信息，通过锁相环模块估算出电机转速并
对电机转速进行积分运算即得到电机的角度

步骤4：通过对步骤2中所得静止坐标系下的电机端电压和电机电流
以及逆变器输入端电流估算值进行Park变换，获知在旋转坐标系下的电机端电压
和电机端电流以及逆变器输入端电流估算值；

步骤5：给定速度指令与根据步骤2中所估算出的转速作差，然后经过速度控
制器模块，求出q轴上电机端电流指令iq*；

步骤6：将d轴电机端电流指令id*设为0，0与步骤2中所得作差，经过电流控制器
模块，产生d轴上的电机端电压指令ud*；iq*与步骤2中所得作差，经过电流控制器模块，产
生q轴上的电压端指令uq*；

步骤7：构造控制LC滤波器的滑模控制器，滑模控制器分为内环和外环，选取外环
在旋转坐标系下的2个滑模面：

外环的计算式为：

式中，sgn函数为符号函数，ko和εo为所选取的参数；iid*和iiq*为旋转坐标系下的逆
变器输入端电流指令；

步骤8：根据步骤7求得的外环输出，选取内环在旋转坐标系下的2个滑模面：

得到滑模控制器的内环计算式为：

式中，sgn函数为符号函数，ki和εi为所选取的参数；uid*和uiq*为旋转坐标系下的逆
变器输入端电压指令，在不采集任何电压的情况下，它们用来替代步骤2中的uid和uiq；

步骤9：uid*和uiq*经过反Park变换，得到静止坐标系下逆变器输入端电压指令

步骤10：步骤9中求得的电压指令经过空间矢量调制模块(SVPWM)，输出
脉宽调制(PWM)波，从而控制逆变器，并通过逆变器驱动电机和滤波器。

图2为电机转速分别为500r/min和1000r/min时的真实角度与估算角度。可见，本
发明所提出的状态观测器+锁相环(PLL)可以准确估算出电机的位置和转速。

由图3的仿真结果对比可知，使用LC滤波器滑模控制器后，电机的转速波动有了明
显的改善，电机运行性能随之提高。