專利名稱：一種永磁同步電機無傳感器控制裝置的制作方法
技術領域：
一種永磁同步電機無傳感器控制裝置技術領域[0001 ] 本實用新型涉及一種永磁同步電機無傳感器控制裝置，屬于交流伺服電機控制技術領域。
背景技術：
[0002]永磁同步電機具有功率密度高、能量轉換效率高、調速范圍廣、體積小、重量輕等優點，在工業、民用、軍事等領域得到廣泛的應用。[0003]永磁同步電機的控制需要獲得電機轉子的位置和速度信息，目前應用比較普遍的位置傳感器包括光電編碼器、旋轉變壓器等裝置，而這些裝置的使用不但增加了系統的體積和成本，降低了系統的可靠性，也限制了永磁同步電機在特殊環境下的應用，因此無傳感器的控制方法已成為電機控制研究領域的一個研究熱點。當電機在中高速范圍內運轉時， 基于滑模觀測器的無傳感器控制方法得到廣泛的應用。[0004]這種方法首先通過構造滑模觀測器首先觀測電機的反電動勢，然后從反電動勢中直接或間接地估算出轉子位置和速度，具有原理簡單、穩定性好等特點，但是當存在系統參數攝動、負載擾動時，該方法的快速性和抗干擾能力非常有限。實用新型內容[0005]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種能夠在永磁同步電機控制系統存在參數攝動、負載擾動情況下實現對電機反電動勢以及轉子位置和速度的快速、準確估計，并有效提高系統的抗干擾能力的永磁同步電機無傳感器控制裝置。[0006]本實用新型采用如下技術方案解決上述技術問題:本實用新型設計了一種永磁同步電機無傳感器控制裝置，包括電流采集模塊、Clark變換模塊、PARK變換模塊、轉速調節模塊、第一比較模塊、q軸電流調節模塊、第二比較模塊、d軸電流調節模塊、第三比較模塊、 PARK逆變換模塊、空間矢量脈寬調制模塊、分數階滑模觀測模塊、分數階鎖相環模塊、三相逆變器和永磁同步電機，其中:[0007]所述三相逆變器的三路輸出端分別連接永磁同步電機的三相電壓輸入端和電流采集模塊的電流輸入端，所述電流采集模塊的電流輸出端與Clark變換模塊的電流輸入端連接，所述Clark變換模塊電流輸出端分別連接PARK變換模塊的電流輸入端和分數階滑模觀測模塊的電流輸入端，所述分數階滑模觀測模塊的反電動勢輸出端與分數階鎖相環模塊的反電動勢輸入端連接，所述分數階 鎖相環模塊的輸出端分別與第一比較模塊的輸入端、 PARK變換模塊的轉子角度輸入端和PARK逆變換模塊的轉子角度輸入端連接；[0008]所述第一比較模塊的輸出端與轉速調節模塊的誤差輸入端連接，所述轉速調節模塊的電流給定值輸出端與第二比較模塊的實際電流輸入端連接，所述第二比較模塊的差值輸出端與q軸電流調節模塊的誤差輸入端連接，所述q軸電流調節模塊的q軸電壓輸出端與PARK逆變換模塊的q軸電壓輸入端連接，所述第三比較模塊差值輸出端與d軸電流調節模塊的誤差輸入端連接，所述d軸電流調節模塊的d軸電壓輸出端與PARK逆變換模塊的d軸電壓輸入端連接；所述PARK逆變換模塊的電壓輸出端分別與空間矢量脈寬調制模塊的電壓輸入端和分數階滑模觀測模塊的電壓輸入端連接，所述PARK變換模塊的電流輸出端分別與第二比較模塊的實際電流輸入端、第三比較模塊的實際電流輸入端連接。本實用新型與現有技術相比具有如下優點:1.本實用新型中所提出的分數階滑模觀測器、分數階鎖相環中均包含一個分數階微積分算子，且算子的分數階次可調，通過選擇合適的分數階次，可以實現反電動勢、電機速度和轉子位置的快速準確估計；2.本實用新型對系統擾動、參數攝動等不確定性因素具有魯棒性，因此可以更好的實現永磁同步電機的無傳感器控制；3.本實用新型中的分數階滑模觀測器中采用飽和函數，通過選擇合理的邊界層厚度可以有效削弱滑模控制存在的抖振現象。
圖1是本實用新型的結構原理框圖；圖2是本實用新型中分數階滑模觀測器計算α _β坐標系下反電動勢觀測值e的原理框圖； 圖3是本實用新型中分數階滑模觀測器計算α _β坐標系下反電動勢觀測值&的原理框圖；圖4是本實用新型中分數階鎖相環的結構原理框圖；圖5是系統存在一定參數攝動和負載擾動時，本實用新型中分數階滑模觀測模塊輸出的反電動勢觀測值1、&的示意圖；圖6是系統存在一定參數攝動和負載擾動時，本實用新型中分數階鎖相環模塊輸出的電機轉子位置估計值古與電機實際轉子位置的比較示意圖；圖7是系統存在一定參數攝動和負載擾動時，本實用新型對永磁同步電機的無傳感器控制的速度輸出示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明:如圖1所示，本實用新型設計了一種永磁同步電機無傳感器控制裝置，包括電流采集模塊、Clark變換模塊、PA RK變換模塊、轉速調節模塊、第一比較模塊、q軸電流調節模塊、第二比較模塊、d軸電流調節模塊、第三比較模塊、PARK逆變換模塊、空間矢量脈寬調制模塊、分數階滑模觀測模塊、分數階鎖相環模塊、三相逆變器和永磁同步電機，其中:所述三相逆變器的三路輸出端分別連接永磁同步電機的三相電壓輸入端和電流采集模塊的電流輸入端，所述電流采集模塊的電流輸出端與Clark變換模塊的電流輸入端連接，所述Clark變換模塊電流輸出端分別連接PARK變換模塊的電流輸入端和分數階滑模觀測模塊的電流輸入端，所述分數階滑模觀測模塊的反電動勢輸出端與分數階鎖相環模塊的反電動勢輸入端連接，所述分數階鎖相環模塊的輸出端分別與第一比較模塊的輸入端、PARK變換模塊的轉子角度輸入端和PARK逆變換模塊的轉子角度輸入端連接；[0024]所述第一比較模塊的輸出端與轉速調節模塊的誤差輸入端連接，所述轉速調節模塊的電流給定值輸出端與第二比較模塊的實際電流輸入端連接，所述第二比較模塊的差值輸出端與q軸電流調節模塊的誤差輸入端連接，所述q軸電流調節模塊的q軸電壓輸出端與PARK逆變換模塊的q軸電壓輸入端連接，所述第三比較模塊差值輸出端與d軸電流調節模塊的誤差輸入端連接，所述d軸電流調節模塊的d軸電壓輸出端與PARK逆變換模塊的d 軸電壓輸入端連接；[0025]所述PARK逆變換模塊的電壓輸出端分別與空間矢量脈寬調制模塊的電壓輸入端和分數階滑模觀測模塊的電壓輸入端連接，所述PARK變換模塊的電流輸出端分別與第二比較模塊的實際電流輸入端、第三比較模塊的實際電流輸入端連接。[0026]其工作原理為:[0027]所述電流采集模塊用于采集電機三相定子電流ia、ib和i。，并傳輸至Clark變換模塊和PARK變換模塊；[0028]所述Clark變換模塊用于將電機三相定子電流ia、i,P i。變換為α - β坐標系下的等效電流1和％，并將α-β坐標系下的等效電流、和％以及α-β坐標系下的等效電壓Ua和U0輸入至分數階滑模觀測模塊；[0029]如圖2和圖3所示，所述分數階滑模觀測模塊用于利用上述α _β坐標系下的等效電壓ua、ue和α-β坐標系下的等效電流ia、ie產生α-β坐標系下反電動勢觀測值和4，并傳輸至分數階鎖相環模塊；[0030]實施方案中，為了進一步濾除反電動勢觀測值&、&中的高頻分量，可以采取常規的做法，就是將4、&先通過一個低通濾波器后再輸入給分數階鎖相環，分數階鎖相環輸出的位置估計值^加上一個角度補償即可。[0031]如圖4所示，所述分數階鎖相環模塊用于利用上述α 坐標系下反電動勢觀測值<和士產生轉子電子角速度估計值 和電機轉子位置估計值#并將所述電機轉子位置估計值4分別傳輸至PARK變換模塊和PARK逆變換模塊，將所述轉子電子角速度估計值 傳輸至第一比較模塊；[0032]所述PARK變換模塊用于利用接收到的電機轉子位置估計值#和α _β坐標系下的等效電流ia、i0產生d-q坐標系下的實際輸出電流值id和i,，并將所述d軸的實際輸出電流值id傳輸至第三比較模塊，將q軸的實際輸出電流值i,傳輸至第二比較模塊；[0033]所述第一比較器用于將電機運行速度給定值ωΜ 與轉子電子角速度的估計值^ 比較后的差值e傳輸至轉速調節模塊，轉速調節器用于輸出d-q坐標系下q軸電流給定值 C，所述q軸電流給定值^與q軸實際輸出電流值i,經過第二比較模塊比較后的差值輸入給 q軸 電流調節模塊，所述q軸電流調節模塊產生q軸電壓輸出值Uq，并將q軸電壓輸出值Uq 傳輸至PARK逆變換模塊；[0034]d軸電流給定值^與d軸實際輸出電流值id經過第三比較器比較后的差值輸入至 d軸電流調節模塊，所述d軸電流調節模塊產生d軸電壓輸出值Ud，并將d軸電壓輸出值Ud 傳輸至PARK逆變換模塊；[0035]所述PARK逆變換模塊利用接收到的q軸電壓輸出值Uq和d軸電壓輸出值Ud產生 α-β坐標系下的等效電壓控制給定值<和\并將所述等效電壓控制給定值<和<傳輸至空間矢量脈寬調制模塊；[0036]所述空間矢量脈寬調制模塊利用接收到的坐標系下的等效電壓控制給定值《I和4產生PWM信號，所述PWM信號用于控制三相逆變器產生三相電壓信號，并利用所述三相電壓信號控制永磁同步電機運行。[0037]在具體的實施例中，所述分數階滑模觀測模塊和分數階鎖相環模塊都可以使用硬件電路去實現。[0038]圖5是系統存在一定參數攝動和負載擾動時，本實用新型中分數階滑模觀測器輸出的反電動勢觀測值4、&的示意圖；圖中alfa軸反電動勢觀測值定義力t圖中beta軸反電動勢觀測值定義為4。[0039]圖6是系統存在一定參數攝動和負載擾動時，本實用新型中分數階鎖相環模塊輸出的電機轉子位置估計值點與電機實際轉子位置的比較示意圖。[0040]圖7是系統存在一定參數攝動和負載擾動時，本實用新型對永磁同步電機的無傳感器控制的速度輸出示意圖。[0041]從圖5-7中可以看出，當系統存在一定參數攝動以及在0.2秒存在負載擾動時，本實用新型可以正確估計反電動勢觀測值，也可以準確輸出電機轉子位置估計值灸且速度輸出響應快，超調量小，在擾動發生時能夠及時進行轉速調節，保持速度跟隨給定值。[0042]以上實施例僅為說明本實用新型的技術思想，不能以此限定本實用新型的保護范圍，凡是按照本實用新型提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落 入本實用新型保護范圍之內。
權利要求1.一種永磁同步電機無傳感器控制裝置，其特征在于，包括電流采集模塊、Clark變換模塊、PARK變換模塊、轉速調節模塊、第一比較模塊、q軸電流調節模塊、第二比較模塊、d軸電流調節模塊、第三比較模塊、PARK逆變換模塊、空間矢量脈寬調制模塊、分數階滑模觀測模塊、分數階鎖相環模塊、三相逆變器和永磁同步電機，其中: 所述三相逆變器的三路輸出端分別連接永磁同步電機的三相電壓輸入端和電流采集模塊的電流輸入端，所述電流采集模塊的電流輸出端與Clark變換模塊的電流輸入端連接，所述Clark變換模塊電流輸出端分別連接PARK變換模塊的電流輸入端和分數階滑模觀測模塊的電流輸入端，所述分數階滑模觀測模塊的反電動勢輸出端與分數階鎖相環模塊的反電動勢輸入端連接，所述分數階鎖相環模塊的輸出端分別與第一比較模塊的輸入端、PARK變換模塊的轉子角度輸入端和PARK逆變換模塊的轉子角度輸入端連接； 所述第一比較模塊的輸出端與轉速調節模塊的誤差輸入端連接，所述轉速調節模塊的電流給定值輸出端與第二比較模塊的實際電流輸入端連接，所述第二比較模塊的差值輸出端與q軸電流調節模塊的誤差輸入端連接，所述q軸電流調節模塊的q軸電壓輸出端與PARK逆變換模塊的q軸電壓輸入端連接，所述第三比較模塊差值輸出端與d軸電流調節模塊的誤差輸入端連接，所述d軸電流調節模塊的d軸電壓輸出端與PARK逆變換模塊的d軸電壓輸入端連接； 所述PARK逆變換模塊的電壓輸出端分別與空間矢量脈寬調制模塊的電壓輸入端和分數階滑模觀測模塊的電壓輸入端連接，所述PARK變換模塊的電流輸出端分別與第二比較模塊的實際電流輸入端、第三比較模塊的實際電 流輸入端連接。
專利摘要本實用新型公開了一種永磁同步電機無傳感器控制裝置，包括電流采集模塊、Clark變換模塊、PARK變換模塊、轉速調節模塊、第一比較模塊、q軸電流調節模塊、第二比較模塊、d軸電流調節模塊、第三比較模塊、PARK逆變換模塊、空間矢量脈寬調制模塊、分數階滑模觀測模塊、分數階鎖相環模塊、三相逆變器和永磁同步電機；本實用新型所設計的一種永磁同步電機無傳感器控制裝置能夠在永磁同步電機控制系統存在參數攝動、負載擾動情況下實現對電機反電動勢以及轉子位置和速度的快速、準確估計，并有效提高系統的抗干擾能力。
文檔編號H02P21/14GK203151429SQ201320068969
公開日2013年8月21日 申請日期2013年2月5日 優先權日2013年2月5日
發明者黃家才, 徐慶宏, 郭婧, 劉娣, 施昕昕 申請人:南京工程學院