CN101783636A - 电机转子位置估算方法及电机驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机转子位置估算方法及将该估算方法应用于电机的驱动控制方法。所述电机转子位置估算方法包括如下步骤：(1)建立实际旋转坐标系下定子电压u_d、u_q的方程；(2)建立与实际旋转坐标系夹角为Δθ的期望旋转坐标系下定子电压u_γ、u_δ的方程；(3)计算期望旋转坐标系下的电压与实际旋转坐标系下的电压之差Δu_γ(n)、Δu_δ(n)；(4)根据期望旋转坐标系下的电压与实际旋转坐标系下的电压之差估算电机反电动势；(5)根据估算的电机反电动势进而估算出转子的速度。本发明与现有技术相比，具有估算公式简单，引入参数少的特点，从而减小了电机参数对估算反电动势以及速度的影响，提高了速度估算的准确性以及系统的稳定性。

Description

电机转子位置估算方法及电机驱动控制方法

技术领域

本发明涉及电动控制领域，本发明涉及一种电机转子位置估算方法及将该估算方法应用于电机尤其是空调用基于正弦波驱动的电机驱动控制方法。

背景技术

随着世界能源形势的日益严峻，世界各国对能源及节能技术越来越重视。我国政府对能源的重视也提升到了一个前所未有的高度，尤其在国家“十一五计划”中就重点提到了节能的要求。直流变频空调由于节能效果明显而日益受到市场的广泛关注。

直流变频空调一般分方波变频(120度矩形波)和正弦波变频(180度正弦波)，其中正弦波变频控制技术是2002年才刚刚投入空调市场的最新变频技术，与方波变频技术相比具有效率高、控制压缩机运行平稳、噪音低的优点，更是未来变频技术的发展方向。

正弦波变频控制技术中需要时刻知道压缩机转子的位置，传统的方案是在压缩机上装霍尔元件来检测转子的位置，但是由于压缩机是个封闭的系统，霍尔元件容易受到温度、湿度和震动等条件的限制，使其可靠性大大降低，同时也增加了电机的成本。为了克服上述缺点，就需要采用一种算法来间接地实现电机位置的检测。

现有的技术(电气学会论文集D117卷1号1997年98-104或者CN1264212A里有引用)是根据期望坐标系下的电流与实际坐标系下的电流之差来估算压缩机电机的反电动势，进而得知压缩机转子的位置。

发明内容

本发明提供一种电机转子位置估算方法及相应的电机驱动控制方法，目的是通过该估算算法间接地检测电机转子的位置，用以实现例如空调用正弦波变频控制。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：

一种电机转子位置估算方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立实际旋转坐标系下定子电压u_d、u_q的方程；(2)建立与实际旋转坐标系夹角为Δθ的期望旋转坐标系下定子电压u_γ、u_δ的方程；(3)计算期望旋转坐标系下的电压与实际旋转坐标系下的电压之差Δu_γ(n)、Δu_δ(n)；(4)根据期望旋转坐标系下的电压与实际旋转坐标系下的电压之差估算电机反电动势；(5)根据估算的电机反电动势进而估算出转子的速度。

一种电机驱动控制方法，包括如下步骤：(I)首先读取电机三相电流A/D采样数据；(II)将的三相电流A/D采样数据转换为两相旋转坐标系下的电流数据；(III)电机位置估算，该步骤采用上述电机转子位置估算方法；(IV)电压矢量控制；(V)生成PWM信号给逆变器。

本发明是计算期望旋转坐标系下的电压与实际旋转坐标系下的电压之差，与现有技术相比，具有估算公式简单，引入的参数少的特点。从而减小了电机参数对估算反电动势以及速度的影响，提高了速度估算的准确性以及系统的稳定性。

附图说明

图1为期望坐标轴与实际坐标轴关系图；

图2为空调系统正弦波矢量控制系统框图；

图3为空调系统正弦波矢量控制流程图；

图4a现有技术的低频段有死区时间的电机的电流；

图4b采用本发明方法的低频段有死区时间的电机的电流。

具体实施方式

实施例一

请参见图1，其中U、V、W轴为电机的各相绕组的中心线，d、q轴为实际转子旋转坐标系下的轴线，γ、δ轴为期望旋转坐标系下的轴线，d轴与U轴之间的夹角为电机转角θ，γ轴与U轴之间的夹角为估算的电机转角θ_M，γ轴与d轴之间的夹角为Δθ。当Δθ很小时，期望旋转坐标轴与实际转子坐标轴重合，此时期望的速度与实际速度相一致，这样便达到了转子位置估算的目的。

转子在实际坐标轴d、q下的电机方程为：

u_d＝Ri_d+pL_di_d-L_qi_qω

u_q＝Ri_q+_pL_qi_q+L_di_dω+e

其中，u_d、u_q分别为定子电压d、q轴分量；i_d、i_q分别为定子电流d、q轴分量；L_d、L_q分别为d、q轴电感；ω为电机电角速度；R为定子相电阻；e为电机反电势；p为微分因子。

当期望坐标轴γ、δ与实际坐标轴d、q之间夹角为Δθ时，期望坐标系下的电机方程如下：

u_γ＝Ri_γ+pL_di_γ-L_qi_δω-esinΔθ(1)

u_δ＝Ri_δ+pL_qi_δ+L_di_γω+ecosΔθ

其中，u_γ、u_δ分别为定子电压γ、δ轴分量；i_γ、i_δ分别为定子电流γ、δ轴分量。

将上述方程(1)离散化，令采样时间为T可得：

$u_{\mathrm{\γ}}\left(n\right)=\frac{L_d}{T}{i}_{\mathrm{\γ}}\left(n\right)-\frac{L_d}{T}{i}_{\mathrm{\γ}}(n-1)+{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\γ}}\left(n\right)-\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\left(n\right)L_q{i}_{\mathrm{\δ}}\left(n\right)+e\sin \mathrm{\Δ\θ}---\left(2\right)$

$u_{\mathrm{\δ}}\left(n\right)=\frac{L_q}{T}{i}_{\mathrm{\δ}}\left(n\right)-\frac{L_q}{T}{i}_{\mathrm{\δ}}(n-1)+{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\δ}}\left(n\right)+\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\left(n\right)L_d{i}_{\mathrm{\γ}}\left(n\right)+e\cos \mathrm{\Δ\θ}$

其中，θ为估算转子位置；i_γ(n)、i_δ(n)分别为定子电流γ、δ轴分量第n采样周期值；i_γ(n-1)、i_δ(n-1)分别为定子电流γ、δ轴分量第n-1采样周期值。

而我们期望Δθ＝0，这样期望的速度就与实际坐标系下的速度基本一致，在此时的电机方程如下：

$u_{\mathrm{M\γ}}\left(n\right)=\frac{L_d}{T}{i}_{\mathrm{\γ}}\left(n\right)-\frac{L_d}{T}{i}_{\mathrm{\γ}}(n-1)+{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\γ}}\left(n\right)-\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\left(n\right)L_q{i}_{\mathrm{\δ}}\left(n\right)---\left(3\right)$

$u_{\mathrm{M\δ}}\left(n\right)=\frac{L_q}{T}{i}_{\mathrm{\δ}}\left(n\right)-\frac{L_q}{T}{i}_{\mathrm{\δ}}(n-1)+{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\δ}}\left(n\right)+\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\left(n\right)L_d{i}_{\mathrm{\γ}}\left(n\right)+e_M(n-1)$

其中，u_Mγ(n)、u_Mδ(n)分别为模型电机定子电压γ、δ轴分量；e_M(n-1)为期望旋转坐标系反电势。

将上述公式(2)与公式(3)相减，得到：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{M\γ}}\left(n\right)\\ u_{\mathrm{M\δ}}\left(n\right)\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\γ}}\left(n\right)\\ u_{\mathrm{\δ}}\left(n\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{\γ}}\left(n\right)\\ {\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{\δ}}\left(n\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}e\sin \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\\ e_M(n-1)-e\cos \left(\mathrm{\Δ\θ}\right)\end{array}\right]\≈\left[\begin{array}{c}\mathrm{e\Δ\θ}\\ -\mathrm{\Δe}\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，Δu_γ(n)、Δu_δ(n)分别为期望旋转坐标系电压γ、δ轴分量与实际旋转坐标系电压d、q轴分量之差；Δe为反电势估算误差。

公式(4)中Δe＝e-e_M(n-1)，在这里Δθ接近零，所以可得：

e_M(n)＝e_M(n-1)-KeΔu_δ(n)(5)

其中K_e为反电势估算常数。

从电压之差公式(4)中，可以得到如下转角公式：

${\mathrm{\θ}}_M\left(n\right)={\mathrm{\θ}}_M(n-1)+\frac{T}{K_E}{e}_M\left(n\right)+K_{\mathrm{\θ}}\mathrm{sign}\left\{{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{Mo}}(n-1)\right\}\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{\γ}}\left(n\right)---\left(6\right)$

其中，K_E为反电势系数；其中 $\mathrm{sign}\left\{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}\left(n\right)\right\}=\left\{\begin{array}{cc}1& :{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}(n-1)\&GreaterEqual;0\\ -1& :{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}(n-1)<0\end{array};\right.$ K_θ为转子位置估算常数。

根据公式(6)可以得到转速公式：

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_m\left(n\right)=\frac{1}{T}\{{\mathrm{\&theta;}}_M\left(n\right)-{\mathrm{\&theta;}}_M(n-1)\}=\frac{e_M\left(n\right)}{K_E}+\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_M\left(n\right)---\left(7\right)$

$\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_M\left(n\right)=\frac{K_{\mathrm{\&theta;}}}{T}\mathrm{sign}\left\{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}(n-1)\right\}\mathrm{\&Delta;}{u}_{\mathrm{\&gamma;}}\left(n\right)---\left(8\right)$

其中，

为估算转子位置误差。

由于采样周期较短，误差被放大，因而公式(7)、(8)需要一阶低通滤波，得到：

${\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}\left(n\right)=\frac{1}{K_E}{e}_M\left(n\right)+\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}\left(n\right)---\left(9\right)$

$\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}\left(n\right)=\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}(n-1)+K\{\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_M\left(n\right)-\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}(n-1)\}---\left(10\right)$

其中，

为

的一阶低通滤波值。

根据上述十个个公式就可以实现压缩机转子位置的估算。其中，本发明中公式(4)是计算期望旋转坐标系下的电压与实际旋转坐标系下的电压之差，相比较现有技术计算电流差的公式： $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{i}_{\mathrm{\&gamma;}}\left(n\right)\\ \mathrm{\&Delta;}{i}_{\mathrm{\&delta;}}\left(n\right)\end{array}\right]\&ap;\left[\begin{array}{c}\frac{T}{L_d}\mathrm{e\&Delta;\&theta;}\\ \frac{T}{L_q}\mathrm{\&Delta;e}\end{array}\right],$ (其中，Δi_γ(n)、Δi_δ(n)分别为模型电机定子电流γ、δ轴分量与实际电流之差)，减少了电机参数，如L_d、L_q，从而减小了电机参数对估算反电动势以及速度的影响(在高温高压情况下电机的参数会发生变化)，提高了速度估算的准确性以及系统的稳定性。此外在电机低频段，由于死区时间的存在，导致压缩机电流产生畸变，与现有技术相比，本发明的电流波形更好，结合图4a及图4b。

下面将上述电机转子位置估算方法应用于空调器的压缩机控制中，图2所示为变频空调正弦波系统控制框图，其程序流程图如图3所示。

一种基于上述电机转子位置估算方法的电机驱动控制方法，包括如下步骤：(I)首先读取压缩机电机三相电流A/D采样数据iu、iv、iw；(II)将三相电流A/D采样数据iu、iv、iw转换为两相旋转坐标系下的电流数据id、iq；(III)进行电机位置估算，具体地，根据公式(1)到(10)采用期望坐标系下的电压与转子旋转坐标系下的电压之差估算压缩机反电动势，进而估算出压缩机电机的速度n；(IV)电压矢量计算，即经过电压矢量控制算出压缩机电机转子坐标系下的电压，将该电压反馈给压缩机位置估算模块，用以下一个周期的位置的估算；(V)生成PWM信号给逆变器。

实施例二

实施例二与实施例一的区别在于，只不过在位置估算模块中公式5与公式6不同，如下：

由公式4可以看出，反电动势Δe与电压Δu_δ成正比，因为采用PI调节器来估算反电动势e，公式如下：

e_M(n)＝-K_peMΔu_δ(n)+e_MX(n)(11)

e_MX(n)＝e_MX(n-1)-K_ieMΔu_δ(n)

其中，K_peM为反电势PI调节器比例系数；K_ieM为反电势PI调节器积分系数；e_MX(n)为反电势PI调节器积分分量。

从4式中我们还可以看出，反电动势e在一个采样周期内变化不大，可认为不变，因而Δθ与Δu_γ接近正比，在此也采用PI调节器来估算转角θ，可以得到如下转角方程：

${\mathrm{\&theta;}}_M\left(n\right)=K_{\mathrm{p\&theta;}}\mathrm{sgn}\left({\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_M(n-1)\right){\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{i\&gamma;}}\left(n\right)+{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{MX}}\left(n\right)---\left(12\right)$

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{MX}}\left(n\right)={\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{MX}}(n-1)+K_{\mathrm{i\&theta;}}\mathrm{sgn}\left({\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_M(n-1)\right){\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{i\&gamma;}}\left(n\right)+e_M\left(n\right)T/\mathrm{KE}$

其中，K_pθ为估算转角PI调节器比例系数；K_iθ为估算转角PI调节器积分系数；θ_MX(n)为估算转角PI调节器积分分量。

Claims (12)

1.一种电机转子位置估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立实际旋转坐标系下定子电压u_d、u_q的方程；

(2)建立与实际旋转坐标系夹角为Δθ的期望旋转坐标系下定子电压u_γ、u_δ的方程；

(3)计算期望旋转坐标系下的电压与实际旋转坐标系下的电压之差Δu_γ(n)、Δu_δ(n)；

(4)根据期望旋转坐标系下的电压与实际旋转坐标系下的电压之差估算电机反电动势；

(5)根据估算的电机反电动势进而估算出转子的速度。

2.根据权利要求1所述的电机转子位置估算方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：a.采样时间为T将期望旋转坐标系下的电机方程离散化的步骤；b.对离散化的期望旋转坐标系下的电机方程将所述Δθ收敛于零的步骤；c.将a、b步骤分别所得结果相减，得到期望旋转坐标系下的电压与实际旋转坐标系下的电压之差的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的电机转子位置估算方法，其特征在于，所述步骤(4)采用如下公式：

e_M(n)＝e_M(n-1)-KeΔu_δ(n)

估算反电动势，其中K_e为反电势估算常数。

4.根据权利要求3所述的电机转子位置估算方法，其特征在于，所述步骤(5)采用如下公式获得转角：

${\mathrm{\&theta;}}_M\left(n\right)={\mathrm{\&theta;}}_M(n-1)+\frac{T}{K_E}{e}_M\left(n\right)+K_{\mathrm{\&theta;}}\mathrm{sign}\left\{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}(n-1)\right\}{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{\&gamma;}}\left(n\right)$

其中，K_E为反电势系数；其中 $\mathrm{sign}\left\{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}\left(n\right)\right\}=\left\{\begin{array}{c}1:{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}(n-1)\&GreaterEqual;0\\ -1:{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}(n-1)<0\end{array}\right.;$ K_θ为转子位置估算常数。

5.根据权利要求1或2所述的电机转子位置估算方法，其特征在于，所述步骤(4)采用PI调节器来估算反电动势，公式如下：

e_M(n)＝-K_peMΔu_δ(n)+e_MX(n)

e_MX(n)＝e_MX(n-1)-K_ieMΔu_δ(n)

其中K_peM为反电势PI调节器比例系数；K_ieM为反电势PI调节器积分系数；e_MX(n)为反电势PI调节器积分分量。

6.根据权利要求5所述的电机转子位置估算方法，其特征在于，所述步骤(5)采用PI调节器来估算转角θ，公式如下：

${\mathrm{\&theta;}}_M\left(n\right)=K_{\mathrm{p\&theta;}}\mathrm{sgn}\left({\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_M(n-1)\right){\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{i\&gamma;}}\left(n\right)+{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{MX}}\left(n\right)$

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{MX}}\left(n\right)={\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{MX}}(n-1)+K_{\mathrm{i\&theta;}}\mathrm{sgn}\left({\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_M(n-1)\right){\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{i\&gamma;}}\left(n\right)+e_M\left(n\right)T/\mathrm{KE}$

其中，K_pθ为估算转角PI调节器比例系数；K_iθ为估算转角PI调节器积分系数；θ_MX(n)为估算转角PI调节器积分分量。

7.一种电机驱动控制方法，包括如下步骤：

(I)首先读取电机三相电流A/D采样数据；

(II)将的三相电流A/D采样数据转换为两相旋转坐标系下的电流数据；

(III)电机位置估算；

(IV)电压矢量控制；

(V)生成PWM信号给逆变器；

其特征在于，所述电机位置估算具体包括：

(1)建立实际旋转坐标系下定子电压u_d、u_q的方程；

(2)建立与实际旋转坐标系夹角为Δθ的期望旋转坐标系下定子电压u_γ、u_δ的方程；

(3)计算期望旋转坐标系下的电压与实际旋转坐标系下的电压之差Δu_γ(n)、Δu_δ(n)；

(4)根据期望旋转坐标系下的电压与实际旋转坐标系下的电压之差估算电机反电动势；

(5)根据估算的电机反电动势进而估算出转子的速度。

8.根据权利要求7所述的电机驱动控制方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：a.采样时间为T将期望旋转坐标系下的电机方程离散化的步骤；b.对离散化的期望旋转坐标系下的电机方程将所述Δθ收敛于零的步骤；c.将a、b步骤分别所得结果相减，得到期望旋转坐标系下的电压与实际旋转坐标系下的电压之差的步骤。

9.根据权利要求7或8所述的电机驱动控制方法，其特征在于，所述步骤(4)采用如下公式：

e_M(n)＝e_M(n-1)-KeΔu_δ(n)

估算反电动势，其中K_e为反电势估算常数。

10.根据权利要求9所述的电机驱动控制方法，其特征在于，所述步骤(5)采用如下公式获得转角：

${\mathrm{\&theta;}}_M\left(n\right)={\mathrm{\&theta;}}_M(n-1)+\frac{T}{K_E}{e}_M\left(n\right)+K_{\mathrm{\&theta;}}\mathrm{sign}\left\{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}(n-1)\right\}{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{\&gamma;}}\left(n\right)$

其中，K_E为反电势系数；其中 $\mathrm{sign}\left\{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}\left(n\right)\right\}=\left\{\begin{array}{c}1:{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}(n-1)\&GreaterEqual;0\\ -1:{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_{\mathrm{Mo}}(n-1)<0\end{array}\right.;$ K_θ为转子位置估算常数。

11.根据权利要求7或8所述的电机驱动控制方法，其特征在于，所述步骤(4)采用PI调节器来估算反电动势，公式如下：

e_M(n)＝-K_peMΔu_δ(n)+e_MX(n)

e_MX(n)＝e_MX(n-1)-K_ieMΔu_δ(n)

其中K_peM为反电势PI调节器比例系数；K_ieM为反电势PI调节器积分系数；e_MX(n)为反电势PI调节器积分分量。

12.根据权利要求11所述的电机驱动控制方法，其特征在于，所述步骤(5)采用PI调节器来估算转角θ，公式如下：

${\mathrm{\&theta;}}_M\left(n\right)=K_{\mathrm{p\&theta;}}\mathrm{sgn}\left({\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_M(n-1)\right){\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{i\&gamma;}}\left(n\right)+{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{MX}}\left(n\right)$

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{MX}}\left(n\right)={\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{MX}}(n-1)+K_{\mathrm{i\&theta;}}\mathrm{sgn}\left({\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&theta;}}}_M(n-1)\right){\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{i\&gamma;}}\left(n\right)+e_M\left(n\right)T/\mathrm{KE}$

其中，K_pθ为估算转角PI调节器比例系数；K_iθ为估算转角PI调节器积分系数；θ_MX(n)为估算转角PI调节器积分分量。

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