[发明专利]基于扩张状态观测器的五相容错永磁电机无位置传感器控制方法

权利要求书

1.一种基于扩张状态观测器的五相容错永磁电机无位置传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，检测五相永磁容错电机的五相电流i_a,i_b,i_c,i_d,i_e，并经过5s/2s Clark变换得到两相静止坐标系下电流i_α和i_β；

S2，当电机启动开关处于1时，q轴给定电流为一个常数i_qref；

S3，当开关处于1时，通过位置角发生器产生给定的转子位置角θ_ref，经过2s/2r Park变换得到直轴电流i_d和交轴电流i_q；

S4，直轴电流给定为0，q轴给定电流为i_qref，它们与电流反馈值i_d和i_q分别作差，差值分别经过PI控制器得到直轴电压u_d和交轴电压u_q；

S5，利用给定或者估测出的转子位置信息，对直轴电压u_d和交轴电压u_q进行2r/2s反Park变换，得到的α-β轴电压u_α和u_β；

S6，u_α和u_β作为SVPWM模块的输入，产生10路PWM脉冲，控制五相电压源逆变器产生五相脉冲宽度变化的电压，驱动五相容错永磁电机的旋转；

S7，当处于开关1采用电流闭环启动，当电机稳定运行时系统切换到开关2，将α-β轴电压u_α和u_β以及α-β轴电流i_α和i_β送入扩张状态观测器得到观测出的α-β轴的反电势和观测出的反电势经过锁相环观测器得到观测出的位置角和电角速度

所述基于ESO的反电势观测器设计如下：

电机在两相静止坐标系下的状态方程如下：

其中L_s和R_s分别代表定子电感和电阻，e_α和e_β分别代表α-β轴的真实反电势；将两相静止坐标系下的反电势作为扰动量，对上式进行整理，在α轴中可以把上式中写成基于ESO的形式：

从上式中可以看出，z₂表示观测出的扰动量即反电势，z₁表示观测出的系统状态量即电流i_α的观测量，电压u_α可以通过控制量输出而得到，电流i_α可以通过电流传感器测量并进行变换得到，l₁和l₂是ESO中的增益参数；

观测出的反电势和电机的真实反电势之间的关系可以通过上式进一步推导，从而得出反电势观测器的传递函数：

反电势观测值和真实反电势之间的关系是一个二阶传递函数的关系，传递函数表示为一个二阶的滤波器，那么可以将上式改写成以下形式：

要使得传递函数成为二阶滤波器，由上式可知，观测器增益之间的关系可以表示为：

按照上述的公式推导，便可以合理的选择参数，完成电机反电势的观测；按照上式的观测器增益的选择方式，反电势观测值和电机真实反电势之间的关系可写为：

上式可以看作两个一阶低通滤波器级联在一起，截止频率为ω_cutoff＝-2l₂/l₁，同理，β轴的公式推导也是相同的；

利用扩张状态观测器估测出的反电势和实际的反电势在相位上相差一个固定的角度，通过计算来补偿估测出的位置角，使之接近于真实位置角；补偿后的位置角可以表示为下式：

其中表示由锁相环观测器得出的位置角，表示补偿过后的位置角，表示随电机转速而变化的补偿角，表示观测出的电角速度；

步骤S7.3中锁相环观测器的设计如下：

将锁相环应用到转子位置信号的提取中，以经扩张状态观测器估计出的反电势作为锁相环的输入信号，根据反电动势与转子位置之间的关系，建立锁相环转子位置检测系统，来提取反电动势中包含的转子位置信息；

锁相环转子位置检测系统中，锁相环的位置估计的误差传递函数为：

其中，ψ_f表示永磁磁链，表示观测出的电角速度，k_P(PLL)表示比例系数，k_i(PLL)表示积分系数；由于转子位置信号是斜坡函数，锁相环转子位置检测等效系统稳态误差为：

由上式可知，转子的误差信号的稳态误差为零，可见采用锁相环观测器可以准确的从反电势中提取出转子位置信息；

S8，当开关处于2时，将给定的机械转速ω^*和观测出的机械转速作差送入转速环PI控制器得到q轴给定电流给定的位置角被替换为由扩张状态观测器观测出的补偿后的位置角

S9，利用观测出的位置角和转速，实现电机转速和电流的双闭环控制。