交流运动控制速度和位置估计的通用智能算法研究

摘 要：设计并分析了一种通常适用于交流电机驱动的计算效率高的速度和位置估计算法。应用包括：a）使用基本励磁作为信息源的无传感器永磁和磁阻同步电机驱动器；b） 使用显著性和信号注入的无传感器驱动；以及c）使用解析器的传感驱动。特别注意情况a）。整个速度范围内的参数灵敏度较低（磁阻电机低速除外），这意味着位置估计误差较小，并且在标称速度下验证了良好的动态财产。

1 引言 

       在过去的十年中，人们对交流电机，特别是感应电机（IM）和永磁同步电机（PMSM）的无传感器控制产生了极大的兴趣。该领域除了低速范围，已经成熟到任何交流电机类型的无传感器控制都不被视为主要困难的地步。多年来，市场上也出现了商用无传感器IM和PMSM驱动器。

      原则上，交流电机的速度和/或位置估计有两种策略。

      a） 基本励磁：三相定子电压和电流包含速度和位置信息。通过适当处理这些量的样本，可以提取信息（尽管该方法不允许IM的位置估计）。对于永磁同步电机，这本质上意味着估计反电动势。对于磁阻同步电机（RSM），转子显著性提供了类似的信息。已经提出了各种方法。我们的算法属于第一类。在速度和位置估计中使用了电压误差（而不是更常见的磁通量或电流）。这与稳态电压-电流关系相结合，而不是使用全阶状态观测器（，产生了计算效率高的算法。另一个与我们想法上接近的算法是人工智能能算法，尽管使用了当前的时间导数误差。仍然基本激励在标称速度下是一个良好的信息源，但随着速度的降低，信息消失，导致性能恶化。

      b） 显著性和信号注入：在许多交流电机中，转子具有一些位置相关特性。对于具有埋入或嵌入磁体的永磁同步电机和RSM，和方向上的电感存在差异。这可以通过从逆变器注入合适的测试信号来用于位置估计。我们建议注入高频（与激励频率相关）电压分量，通常为500Hz。尽管这些论文建议在所有速度下进行信号注入，但Schrodl使用了低速逆变器的自然注入波形（所谓的INFORM方法）和标称的基波激励。虽然IM的转子在理想情况下是非平稳的，但已经提出了对转子槽的调制，以创建小但可检测的显著性。

      本文介绍了一种通用的速度和位置估计算法，包括其设计、分析和应用。结果表明，后者包括上述情况a）和b），以及c）使用解析器的传感驱动。

       该算法是在非线性观测器设置下推导的，其动态特性与锁相环（PLL）的动态特性相对应。尽管先前已经提出了相关算法，但以下贡献被认为是新的。

首先，深入分析了动态和稳态性能。在大多数情况下，优秀的行为得到了验证。在此基础上，制定了参数选择的设计规则和建议。

       第二，制定了总体框架。该算法至少可以在上述情况下使用，只需稍加修改。这允许工业驱动器的快速发展，因为许多数字信号处理器（DSP）代码可以重复使用。希望该算法可以作为基准，例如，用于不同方法的组合。

       本文组织如下。第二节对算法进行了设计和分析。在第三节至第五节中，它分别适用于上述情况a）-c）。最后，第六节给出了实验结果。

2估计算法

A.设计

       如以下章节所示，可以获得以下形式的误差信号：

      其中θ是实际转子位置，是位置估计值，K是特定于应用的增益参数。在显著性用于位置估计的情况下，即无法检测转子的极性，m=2，否则当m=1。该信号ε可用于使用以下算法将速度和位置估计值驱动至其真实值：

其中y1和y2是增益参数。这是一个非线性观测器。位置估计作为由该项校正的速度估计的积分而获得。估计器（2）和（3）类似于PLL的基带等效模型。其中误差信号ε的计算对应于相位检测器（PD），用于计算的（3）积分对应于压控振荡器（VCO），而（2）和（3）的剩余部分形成环路滤波器。文献中经常出现与PLL相关的交流电机的速度和/或位置估计器。PLL在直流和交流驱动的速度控制系统中也有很长的历史。

       假设，即PLL是锁相的，（2）和（3）可以线性化为

       其中。这些微分方程具有特征多项式，因此通过适当选择增益y1和y2，线性化估计器的极点可以任意放置。为了获得鲁棒性并避免振荡，特别是k在可能不完全已知的情况下，建议将两个极点放置在δ=-ρ的位置，其中ρ为正常数。这会产生特征多项式，因此增益应选择为

      我们将研究所提出的估计器的各种应用，每个应用都有不同的表达式k。因此，使估计器适应不同的应用主要是修改的表达式k。在某些应用中，错误表达式与（1）不完全相同，但非常相似。

3 结语

      本文提出了一种交流电机速度和位置估计（跟踪）的通用算法。该算法具有与PLL相对应的动力学，并且被理想地显示为全局稳定（如果周期性出现的收敛点被视为一个）。提出了简化设计程序的规则。

     a） 无传感器PMSM和RSM驱动器使用基本励磁作为信息源：在PMSM的情况下，表明影响位置估计的唯一参数是q方向电感，即使在低速下也能提供良好的精度。

     b） 使用显著性和信号注入的无传感器驱动：

     c） 使用解析器的传感驱动。