基于高频方波电压注入法和改进龙伯格观测器的永磁同步电机转速估计的研究*

doi:10.11985/2021.04.015

电气工程学报 ›› 2021, Vol. 16 ›› Issue (4): 120-126.doi: 10.11985/2021.04.015

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基于高频方波电压注入法和改进龙伯格观测器的永磁同步电机转速估计的研究^*

巫庆辉¹(), 黄成鑫¹(), 侯元祥²()

1.辽宁工程技术大学电气与控制工程学院葫芦岛 125105
2.渤海大学工学院锦州 121013

收稿日期:2021-07-05 修回日期:2021-10-30 出版日期:2021-12-25 发布日期:2022-02-10
作者简介:巫庆辉,男,1974年生,博士,教授。主要研究方向为电力电子与电力传动。E-mail： qinghuiwu@qq.com
黄成鑫,男,1998年生,硕士研究生。主要研究方向为电力电子与电力传动。E-mail： 1204391187@qq.com
侯元祥,男,1995年生,硕士研究生。主要研究方向为电力电子与电力传动。E-mail： 1451582076@qq.com
基金资助:
* 辽宁省教育厅重点攻关资助项目(LZ2020001)

Sensorless FOC of PMSM Based on High Frequency Square-wave Voltage Injection and Improved Luenberger Position Observer

WU Qinghui¹(), HUANG Chengxin¹(), HOU Yuanxiang²()

1. Faculty of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105
2. College of Engineering, Bohai University, Jinzhou 121013

Received:2021-07-05 Revised:2021-10-30 Online:2021-12-25 Published:2022-02-10

摘要/Abstract

摘要：

针对传统矢量控制方法难以获得精确的转子位置和转速的问题,提出一种基于高频方波注入法和改进龙伯格观测器的永磁同步电机的转速研究方法。因高阶系统稳定性较差,微机控制难度较高,并且由于高阶的传递函数中参数对电机参数和控制器参数的依赖性较大,因此很难对于永磁同步电机具有通用的控制性能。为解决上述问题,将龙伯格观测器中的电磁转矩前馈项替换为一个由速度指令组成的二阶系统,并用最小二乘法得到该二阶系统。仿真结果表明,改进方案在负载扰动下具有更好的跟踪精度和鲁棒性。

关键词: 永磁同步电机, 无传感器控制, 方波电压注入法, 龙伯格观测器, 最小二乘法

Abstract:

Aiming at the problem that the traditional vector control method is difficult to obtain accurate rotor position and speed, a speed research method of permanent magnet synchronous motor based on high frequency square wave injection method and improved Luenberger observer is proposed. Because of the poor stability of the high-order system, the microcomputer control is difficult. Besides, the parameters in the high-order transfer function are highly dependent on the motor parameters and controller parameters, it is difficult to have general control performance for permanent magnet synchronous motor. In order to solve these problems, the electromagnetic torque feedforward term in the Luenberger observer is replaced by a second-order system composed of speed commands, and the second-order system is obtained by the least square method. Simulation results show that the improved scheme has better tracking accuracy and robustness under load disturbance.

Key words: PMSM, sensorless control, square-wave voltage, Luenberger observer, least square method

中图分类号:

TM561

巫庆辉, 黄成鑫, 侯元祥. 基于高频方波电压注入法和改进龙伯格观测器的永磁同步电机转速估计的研究^*[J]. 电气工程学报, 2021, 16(4): 120-126.

WU Qinghui, HUANG Chengxin, HOU Yuanxiang. Sensorless FOC of PMSM Based on High Frequency Square-wave Voltage Injection and Improved Luenberger Position Observer[J]. Journal of Electrical Engineering, 2021, 16(4): 120-126.

图/表 12

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参考文献 15

[1]	尹忠刚, 靳海旭, 张彦平, 等. 基于扰动观测器的交流伺服系统低速爬行滤波反步控制方法[J]. 电工技术学报, 2020, 35(S1):203-211.
	YIN Zhonggang, JIN Haixu, ZHANG Yanping, et al. Backstepping control method of low speed crawling filter for AC servo system based on disturbance observer[J]. Acta Electrotechnics Sinica, 2020, 35(S1):203-211.
[2]	李柏玉, 陆永耕, 黄禹铭. 基于改进龙贝格观测器的控制系统的研究与仿真[J]. 仪表技术, 2019(9):32-36.
	LI Baiyu, LU Yonggeng, HUANG Yuming. Research and simulation of control system based on improved Luenberger observer[J]. Instrumentation Technology, 2019(9):32-36.
[3]	胡荣光. 开关磁阻电机位置传感器故障诊断与低速无位置传感器方法研究[D]. 南京:南京航空航天大学, 2015.
	HU Rongguang. Fault diagnosis of switched reluctance motor position sensor and research on low speed sensorless method[D]. Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2015.
[4]	王逸之. 永磁同步牵引电机全速域无位置传感器控制研究[D]. 北京:北京交通大学, 2019.
	WANG Yizhi. Research on full speed sensorless control of permanent magnet synchronous traction motor[D]. Beijing:Beijing Jiaotong University, 2019.
[5]	孟柳. 基于半实物的高速永磁电机无速度传感器运行研究[D]. 北京:北方工业大学, 2019.
	MENG Liu. Research on speed sensorless operation of high speed permanent magnet motor based on hardware in the loop[D]. Beijing:North University of Technology, 2019.
[6]	杜思宸, 全力, 朱孝勇, 等. 基于高频注入的永磁同步电机零低速下位置传感器失效故障容错控制[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39(10):3038-3047.
	DU Sichen, QUAN Li, ZHU Xiaoyong, et al. Fault tolerance control of position sensor failure at zero low speed of permanent magnet synchronous motor based on high frequency injection[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(10):3038-3047.
[7]	张凯泉. 基于龙伯格观测器法的永磁同步电机无感矢量控制算法改进研究[D]. 长沙:湖南工业大学, 2018.
	ZHANG Kaiquan. Research on improvement of sensorless vector control algorithm of permanent magnet synchronous motor based on Luenberger observer method[D]. Changsha:Hunan University of Technology, 2018.
[8]	刘立佳. 镗杆镗削过程振动控制[J]. 科学技术创新, 2017(27):1-3.
	LIU Lijia. Vibration control in boring process of boring bar[J]. Science and Technology Innovation, 2017(27):1-3.
[9]	高福隆. 面贴式永磁同步电机无位置传感器控制技术研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2016.
	GAO Fulong. Research on sensorless control technology of surface mounted permanent magnet synchronous motor[D]. Harbin:Harbin Engineering University, 2016.
[10]	徐东, 王田苗, 刘敬猛, 等. 基于参数辨识的永磁同步电机电流精确控制方法[J]. 电力自动化设备, 2008(11):30-35.
	XU Dong, WANG Tianmiao, LIU Jingmeng, et al. Accurate current control method of permanent magnet synchronous motor based on parameter identification[J]. Electric Power Automation Equipment, 2008(11):30-35.
[11]	何晓会. 基于惯量辨识的永磁同步电机自抗扰控制策略研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2020.
	HE Xiaohui. Research on ADRC strategy of permanent magnet synchronous motor based on inertia identification[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2020.
[12]	侯利民, 王红发, 刘建双, 等. 基于NDOB的PMSM调速系统最优滑模控制[J]. 控制工程, 2017, 24(S1):64-68.
	HOU Limin, WANG Hongfa, LIU Jianshuang, et al. Optimal sliding mode control of PMSM speed regulation system based on NDOB[J]. Control Engineering, 2017, 24(S1):64-68.
[13]	侯本帅. 基于滑模观测器与预测控制的永磁同步电机优化控制研究[D]. 北京:北方工业大学, 2017.
	HOU Benshuai. Research on optimal control of permanent magnet synchronous motor based on sliding mode observer and predictive contro[D]. Beijing:North China University of Technology, 2017.
[14]	刘庆飞. 旋转高频信号注入法在电梯门机无位置传感器驱动系统中的应用[D]. 天津:天津大学, 2016.
	LIU Qingfei. Application of rotating high frequency signal injection method in sensorless driving system of elevator door motor[D]. Tianjin:Tianjin University, 2016.
[15]	矫日华. 抓捕工具控制器及伺服控制策略研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2019.
	JIAO Rihua. Research on capture tool controller and servo control strategy[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2019.

参数	数值
额定线电压/V	24
额定电流/A	5
额定功率/W	200
定子绕组/?	1.45
d轴电感/mH	4.15
q轴电感/mH	16.74
磁极对数	2
转动惯量/(kg·m²)	0.01
永磁体磁链/Wb	0.504

名称	速度阶跃指令响应时间/ms	误差标准差
传统观测器	35.52	5.696
改进后的观测器	35.77	4.510

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[1]	周长攀, 刘海峰, 景国秀, 孙向东, 刘坛, 史奔奔. 非正弦反电势五相永磁同步电机容错矢量控制^*[J]. 电气工程学报, 2021, 16(4): 108-119.
[2]	刘春强, 骆光照, 涂文聪. 航空机电作动永磁同步电机自抗扰控制研究综述^*[J]. 电气工程学报, 2021, 16(4): 12-24.
[3]	王道涵, 彭晨, 王秀和. 电动汽车高性能永磁电机转矩脉动与电磁振动抑制方法研究^*[J]. 电气工程学报, 2021, 16(4): 42-50.
[4]	于家文, 朱鹏程, 徐永向. 基于直轴电压分析的PMSM逆变器死区补偿策略[J]. 电气工程学报, 2021, 16(4): 51-58.
[5]	罗宇, 李政, 桂永麟, 柯栋梁, 潘先喜, 但志敏, 汪凤翔. 基于模型预测控制算法的永磁同步电机弱磁控制新策略[J]. 电气工程学报, 2021, 16(4): 68-77.
[6]	呼子茗, 朱景伟, 王高林, 杨旭. 基于高频方波信号注入的永磁同步电机初始位置检测方法研究^*[J]. 电气工程学报, 2021, 16(4): 78-84.
[7]	韩建斌, 张卓然, 黄健, 王晨, 杜亚辉. 分布式电驱动系统永磁同步电机改进型反馈式弱磁控制策略研究^*[J]. 电气工程学报, 2021, 16(4): 85-92.
[8]	张开继, 张国强, 李宇欣, 王高林, 徐殿国. 基于滑动平均滤波的永磁电机无位置传感器控制策略^*[J]. 电气工程学报, 2021, 16(4): 93-100.
[9]	郭鑫, 颜黎明, 田顺, 杨阳. 基于自校正模型的永磁同步电机鲁棒预测转矩控制^*[J]. 电气工程学报, 2021, 16(3): 9-16.
[10]	罗晓祎, 张凤阁. 一种分数槽永磁同步电机的转矩计算方法^*[J]. 电气工程学报, 2021, 16(3): 1-8.
[11]	周维, 刘鸿远, 徐彪, 张雷. 功率分流式混合动力矿用自卸车预测性等效燃油消耗最小控制策略研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(2): 200-209.
[12]	赵其进, 魏曙光, 廖自力, 苗成林. 装甲车用轮毂电机转矩观测及无位置传感器改进控制[J]. 机械工程学报, 2021, 57(18): 252-263.
[13]	王晓波, 祝长生. 基于相位偏移自适应LMS算法的电磁轴承柔性转子系统多频激励补偿控制[J]. 机械工程学报, 2021, 57(17): 110-119.
[14]	金石, 朱熙, 金无痕, 张凤阁. 基于谐波提取器的永磁同步电机谐波抑制方法 ^*[J]. 电气工程学报, 2021, 16(1): 9-15.
[15]	宋守许, 胡孟成, 李诺楠, 杜毅. 定子混合叠压再制造电机转矩优化分析[J]. 机械工程学报, 2020, 56(4): 265-272.