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基于虚拟降阶模型的反电动势估计与LC滤波PMSM驱动无速度传感器控制
Virtual Reduced-Order Model-Based Back EMF Estimation and Speed Sensorless Control for LC-Filtered PMSM Drives
| 作者 | Cheng Xue · Xuesong Wu · Yuzhuo Li · Yunwei Li |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年3月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 无速度传感器控制 永磁同步电机驱动 反电动势建模 虚拟降阶建模 卡尔曼滤波器观测器 |
语言:
中文摘要
在逆变器输出侧安装 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$LC$</tex-math></inline-formula> 滤波器可重塑电机端子的正弦输入电压,从而延长电机使用寿命。尽管如此,实现无速度传感器控制对于提高可靠性和节省成本仍然至关重要。目前,由于系统建模的复杂性增加和强耦合性,针对高阶驱动场景的无速度传感器控制开发的研究有限,并且当前普遍采用的通用观测器方法需要相当大维度的增益矩阵来保证可观测性。为填补这一重要研究空白,本文基于滤波器电感电流和电机定子电流之间的加权电流,为永磁同步电机驱动提出了一种新颖的反电动势(EMF)建模方法。这种新方法将三阶 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$LCL$</tex-math></inline-formula> 模型转换为一阶 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"><tex-math notation="LaTeX">$L$</tex-math></inline-formula> 情况(虚拟降阶建模),从而无需依赖电压传感器即可估计反电动势。此外,基于所提出的虚拟模型设计的观测器不仅消除了对电容参数的依赖,还减小了增益矩阵的规模。这进一步增强了反电动势估计的鲁棒性,同时简化了观测算法的设计和计算。本文以卡尔曼滤波器观测器进行反电动势估计为例,验证了所提出的建模方法。此外,还在滤波器和电机电感发生变化的场景下评估了所提出的无速度传感器控制的有效性。
English Abstract
The installment of the LC filter at the inverter output side reshapes the sinusoidal input voltage for the motor terminal, thus, extending a longer motor lifetime. Despite this, achieving speed sensorless control remains essential for enhanced reliability and saved costs. Currently, there is limited research on the development of a speed sensorless control tailored to high-order drive scenarios due to the increased complexity and strong coupling of the system modeling, and the unaltered adoption of the prevailing general observer methodology demands a considerably large dimensional gain matrix to guarantee observability. To fill this important research gap, this article proposes a novel back-electromotive force (EMF) modeling for the permanent magnet synchronous machine drives based on the weighted current between the filter inductor current and motor stator current. This new approach converts the third-order LCL model to the first-order L case (virtual reduced-order modeling), which enables the estimation of back EMF without relying on voltage sensors. In addition, the observer designed based on the proposed virtual model not only removes the dependency on capacitor parameters but also reduces the size of the gain matrix. This further enhances the robustness of the back EMF estimation and simultaneously simplifies the design and computation of the observation algorithm. A Kalman filter observer for back EMF estimation is implemented as a case study to verify the proposed modeling. The efficacy of the proposed speed sensorless control is also evaluated under scenarios involving variations in filter and motor inductance.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对LC滤波永磁同步电机的无速度传感器控制技术具有重要的战略价值。在光伏逆变器和储能系统中,永磁同步电机广泛应用于液冷系统、风机散热以及储能集装箱的环境控制等关键部件,而LC滤波器的引入能够有效抑制逆变器输出的高频谐波,延长电机寿命,这与公司产品高可靠性的定位高度契合。
该论文提出的虚拟降阶建模方法具有显著的工程应用价值。传统高阶系统的无传感器控制需要复杂的观测器设计和大量参数调试,增加了系统成本和故障风险。该技术通过加权电流建模,将三阶LCL模型简化为一阶模型,不仅消除了对电压传感器和电容参数的依赖,还大幅降低了观测器增益矩阵的维度。这意味着在阳光电源的逆变器和储能产品中,可以实现更低成本、更高可靠性的电机控制方案,同时减少传感器数量带来的故障点。
从技术成熟度评估,该方法基于成熟的卡尔曼滤波理论,并针对参数变化进行了鲁棒性验证,具备较好的工程化基础。对于阳光电源而言,主要机遇在于:一是可应用于新一代高功率密度逆变器的辅助系统优化;二是在储能温控系统中降低维护成本;三是提升系统在恶劣环境下的抗干扰能力。
潜在挑战包括算法在极端工况下的实时性验证、与现有控制平台的集成适配,以及需要建立完整的参数自整定机制。建议公司研发团队深入评估该技术在1500V高压系统和大型储能项目中的适用性,探索与公司自主芯片平台的协同开发路径。