永磁同步电机无速度算法--具有电流测量误差鲁棒性的永磁同步电机无传感器控制的自适应广义复矢量观测器

一、原理介绍

基于模型的无传感器控制技术在实现永磁同步电机（PMSM）的高性能控制方面得到普遍应用。然而，在估计的反电动势（BEMF）中总是存在由不可避免的电流测量误差引起的低阶谐波，传统基于模型的方法对这些低阶谐波无效，因为它们表现出受电机模型限制的低通特性，这增加了转子位置的估计误差，削弱了控制系统的性能，甚至可能导致系统不稳定。

因此采用一种自适应广义复向量观测器（AGCVO）来精确估计反电动势。首先，基于多块滤波器的传递函数反向设计自适应复矢量模型，以消除估计的反电动势的基波负序谐波和直流偏移误差。然后，通过速度自适应补偿实现了基本正序分量的精确提取，避免了额外的位置补偿。与现有的观测器相比，该观测器通过消除估计反电动势中的低阶谐波，有效地提高了转子位置估计的精度。

目前，抑制低阶谐波的方法主要有两种。第一种方法是级联基于模型的方法和滤波器，然而，在嵌入式平台上运行的复杂结构的过滤器会占用大量内存资源，并削弱系统的动态性能。另一种方法是通过改进基于模型的方法来避免使用额外的滤波器，使其能够自行抑制谐波。本次采用的方法相较于其他改进方法，实现在没有额外滤波器和位置补偿的情况下同时消除直流误差和基波负序谐波。

在永磁同步电机无传感器控制中，不可避免的电流测量误差是导致低阶反电动势谐波的主要因素之一。考虑到模拟元件的温度漂移、测量电路中无源元件的不准确性以及A/D转换器模块的非线性，电流测量误差主要分为电流缩放误差和偏移误差。

二、仿真模型

在MATLAB/simulink（软件版本为2020A）里面验证所提算法，搭建仿真。采用和实验中一致的控制周期1e-4，电机部分计算周期为1e-6。仿真模型如下所示：

仿真工况：电机空载零速启动，0s给定转速开始上升直至800rpm，在0.5s时给定转速阶跃至1200rpm，1s时施加负载转矩。在电机输出的a轴电流分别加入0.1倍的额定值直流分量和0.1倍的电流缩放误差。

对传统方法和AGCVO进行对比仿真验证，采用同样的转速环带宽、电流环带宽、PLL带宽以及转速滤波器系数。前面为龙贝格观测器（也可以叫做全阶观测器），后面为AGCVO。

2.1给定转速、实际转速和估计转速

2.2估计转速误差

2.3估计转角误差

2.4估计反电动势

横坐标为估计a轴反电动势，纵坐标为估计b轴反电动势

横坐标为估计a轴反电动势，纵坐标为估计b轴反电动势

为了减少电流测量误差对反电动势估计的影响，本文提出了一种用于永磁同步电机无传感器矢量控制的AGCVO。该观测器由两部分组成：自适应复矢量模型和速度自适应补偿。为了同时消除基波负序谐波和直流偏移误差，基于电机的数学模型和多块滤波器的传递函数，构建了一个自适应复矢量模型。由于该模型由多个变量组成，因此有效地提高了模型的准确性。在此基础上，为了避免位置补偿，该模型通过速度自适应补偿的方法进行了进一步的修改。与现有的观测器相比，所提出的观测器不仅在不添加额外滤波器的情况下消除了直流误差和基波负序谐波，而且有效地提取了反电动势的基波正序分量。