[发明专利]基于EKF的永磁同步电机无传感器矢量控制系统

摘要

本发明基于EKF的永磁同步电机无传感器矢量控制系统，采用扩展卡尔曼滤波器EKF作为状态估计器，对定子转速和位置进行估算，所述状态估计器的输入信号为定子相电流Ia、Ib和Ic，状态估计器的输出信号为估计位置和估计转速，选取系统状态向量x＝(iα iβ ωe θe Tl)T，输入向量u＝(uα uβ Te)T，输出向量y＝(iα iβ θe)T，得到用于EKF状态估计的状态方程和输出方程，加入系统噪声矩阵V和测量噪声矩阵W，且将状态方程和输出方程离散化后为x(k+1)＝f[x(k)]+Beu(k)+V(k)，y(k)＝Cex(k)+W(k)。其目的在于提供一种抗干扰能力强、成本相对较低、可靠性高的基于EKF的永磁同步电机无传感器矢量控制系统。

主权项

1.基于EKF的永磁同步电机无传感器矢量控制系统，其特征在于：所述控制系统中采用扩展卡尔曼滤波器EKF作为状态估计器，对定子转速和位置进行估算，所述状态估计器的输入信号为定子相电流I_a、I_b和I_c，状态估计器的输出信号为估计位置和估计转速，永磁同步电机在α-β静止坐标系下用于EKF状态估计的状态方程和输出方程为：dxdt=f(x)+Beu]]>y＝C_exx＝(i_α i_β ω_e θ_e T_l)^Tu＝(u_α u_β T_e)^Ty＝(i_α i_β θ_e)^Tf(x)=-iαRe/Ls+ωesinθeψf/Ls-iβRe/Ls-ωecosθcψf/Ls-ωeB/J-npTl/Jωe0]]>Be=1/Ls000001/Ls00000np/J00T]]>Ce=100000100000010]]>式中：x为状态矢量，即预估计量；u为输入矢量；y为输出矢量；状态函数f(x)是状态矢量和输入矩阵的耦合项；i_α、i_β、u_α、和u_β分别为定子电流、电压在Clarke坐标系下α、β轴的分量；R_s为定子相电阻；L_s为等效同步电感；ψ_f为永磁体基波磁链；ω_e为转子电角速度；θ_e为电角位移；n_p为电机极对数；J为系统转动惯量，其中包括电机转子及负载折算到电机轴上的转动惯量；B为粘滞摩擦系统；T_e为电机输出的电磁转矩；T1为等效负载转矩，其中包括负载转矩以及由于粘滞摩擦系数非线性变化、电流给定偏差等因素造成的转矩波动；且认定加入系统噪声矩阵V和测量噪声矩阵W，且将状态方程和输出方程离散化后为：x(k+1)＝f[x(k)]+B_eu(k)十V(k)y(k)＝C_ex(k)+W(k)式中：x(k)、u(k)、y(k)、和f[x(k)]分别为状态矢量、输入矢量、输出矢量和状态函数的离散形式；V(k)和W(k)分别为离散化的系统噪声矢量和测量噪声矢量；所述状态估计器的估计过程分为预测和校正两个阶段，通过递推过程逼近真实状态，递推方程式为：x~(k+1)=x^(k)+Ts{f[x^(k)]+Beu(k)}]]>y~(k+1)=Cex~(k+1)]]>P~(k+1)=p^(k)+Ts[F(k)P^(k)+P^(k)FT(k)]+Q]]>K(k+1)=P~(k+1)CeT[CeP~(k+1)CeT+R]-1]]>x^(k+1)=x~(k+1)+K(k+1)[y(k+1)-y~(k+1)]]]>P^(k+1)=P~(k+1)-K(k+1)CeP~(k+1)]]>式中：T_s为电流环采样周期，和分别为状态变量的预测值和估计值；和分别为预测协方差矩阵和估计协方差矩阵；K(k)为增益矩阵；F(k)为梯度矩阵，定义如下：F(k)=∂f(x)∂x|x=x^(k)]]>噪声协方差矩阵Q和R分别为：Q=QiQiQωQθQT]]>R=RiRiRθ]]>式中：Q_i为定子电流系统噪声协方差值；Q_ω、Q_θ和Q_r分别为转子电角速度、电角位移和负载转矩的系统噪声协方差；R_i为定子电流测量噪声协方差值；R_θ为转子电角位移测量噪声协方差值。