CN102361430A - 一种内置式永磁同步电机无位置传感器矢量控制装置 - Google Patents

Abstract

一种内置式永磁同步电机无位置传感器矢量控制装置，属于电机控制领域，本发明为解决负载扰动过程中引起过大的位置观测误差，位置观测值收敛到S极方向而引起系统失控，不能够有效地改善内置式永磁同步电机无位置传感器低速运行控制性能的问题。本发明包括转速控制器单元、第一电流控制器单元、第二电流控制器单元、高频电压信号生成单元、直轴电压叠加单元、坐标旋转反变换单元、功率变换器单元、低通滤波器单元、三相到两相坐标变换单元、坐标旋转变换单元、高频电流信号处理单元、转子位置观测器单元、转速计算单元和电流检测传感器，本发明的控制装置能避免位置观测值收敛到S极方向而引起系统失控。

Description

一种内置式永磁同步电机无位置传感器矢量控制装置

技术领域

本发明涉及一种内置式永磁同步电机无位置传感器矢量控制装置，属于电机控制领域。

背景技术

内置式永磁同步电机具有高效节能以及调速范围宽等优点，在电动车驱动、舰船推进、数控系统及家用电器等领域得到了广泛应用。高性能永磁同步电机矢量控制需要转子位置及转速信息，通常通过安装机械位置传感器来获取。然而，位置传感器的安装会带来系列问题，例如系统成本增加、可靠性降低、尺寸增大以及抗干扰能力降低等问题。为了进一步扩宽永磁同步电机控制系统的应用领域，多种通过测量电参数以获取转子位置和转速信息的无机械传感器控制技术相继被提出。永磁同步电机无传感器控制技术主要分为低速的高频信号注入法和中高速的反电动势模型法两类。在中高速运行时可以通过反电动势模型对转子位置进行观测，然而低速运行时反电动势幅值太小，由于其信噪比过低而无法准确地获取转子位置信息。可以利用永磁同步电机的凸极特性实现低速以及零速无传感器运行。

在提取转子位置误差信号过程中，主要需考虑简单的信号处理方法、数字滤波器设计方法以及逆变器非理想因素影响等问题。目前主要采用锁相环和观测器两种方式，观测器结构及参数对观测精度和鲁棒性有较大的影响。然而，现有方法一般只考虑了稳态观测性能，或者仅通过经验进行实验调试来确定参数，较少对观测器的抗负载扰动能力进行研究。由于所提取的位置误差信号为三角函数周期信号，因此观测器存在多个稳定收敛点，无法区分磁极的N极和S极位置，当负载转矩发生较大突变时经常会引起观测误差增大，易使转子位置观测值由N极收敛到S极，从而引起磁场定向控制发生失调，最终导致转速失控。因此转子位置观测器对无位置传感内置式永磁同步电机矢量控制系统的稳定性极为重要。

发明内容

本发明目的是为了解决负载扰动过程中引起过大的位置观测误差，位置观测值收敛到S极方向而引起系统失控，不能够有效地改善内置式永磁同步电机无位置传感器低速运行控制性能的问题，提供了一种内置式永磁同步电机无位置传感器矢量控制装置。

本发明所述一种内置式永磁同步电机无位置传感器矢量控制装置，它包括转速控制器单元、第一电流控制器单元、第二电流控制器单元、高频电压信号生成单元、直轴电压叠加单元、坐标旋转反变换单元、功率变换器单元、低通滤波器单元、三相到两相坐标变换单元、坐标旋转变换单元、高频电流信号处理单元、转子位置观测器单元、转速计算单元和电流检测传感器，

转速给定指令信号A1与转速估计值B1经过转速控制器单元后，输出交轴转矩电流给定值D1，所述交轴转矩电流给定值D1与交轴定子电流分量E1通过第一电流控制器单元进行调节，输出交轴电压给定信号K1；

直轴电流给定指令G1与直轴定子电流分量F1通过第二电流控制器单元进行调节，输出直轴电压控制信号J1；高频电压信号生成单元根据注入信号频率和幅值输出高频电压信号H1，所述高频电压信号H1与所述直轴电压控制信号J1通过直轴电压叠加单元得到最终直轴电压给定信号L1；

交轴电压给定信号K1和最终直轴电压给定信号L1经坐标旋转反变换单元调节后输出静止坐标系下的定子电压给定信号N1，所述静止坐标系下的定子电压给定信号N1经过功率变换器单元放大后驱动内置式永磁同步电机工作；

电流检测传感器对内置式永磁同步电机的定子电流进行检测得到电流采样信号O1，通过低通滤波器单元对电流采样信号O1进行滤波后得到三相基频定子电流信号P1，所述三相基频定子电流信号P1经过三相到两相坐标变换单元进行变换后得到两相静止坐标系下的电流信号Q1，所述两相静止坐标系下的电流信号Q1再经过坐标旋转变换单元后，得到两相旋转坐标系下的交轴定子电流分量E1和直轴定子电流分量F1，交轴定子电流分量E1输入到第一电流控制器单元作为转矩电流反馈值，直轴定子电流分量F1输入到第二电流控制器单元作为直轴电流反馈信号；

所述定子电流采样信号O1还经过高频电流信号处理单元调节后得到转子位置误差信号R1，转子位置误差信号R1、交轴定子电流分量E1和直轴定子电流分量F1经过转子位置观测器单元调节后得到转子磁极位置观测值C1，所述转子磁极位置观测值C1再经过转速计算单元调节后得到转速估计值B1，转速估计值B1输入到转速控制器单元作为转反馈信号；

转子磁极位置观测值C1还输入到坐标旋转反变换单元和坐标旋转变换单元，为坐标变换提供转子位置角度信息。

本发明的优点：内置式永磁同步电机无位置传感器矢量控制器装置中需要对转子磁极位置进行估计，以实现磁场准确定向控制，本发明提出了一种基于高频信号注入的无位置传感器矢量控制装置，以改善转子位置观测器在不同负载扰动情况下具有较强的鲁棒性，从而保证内置式永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统具有较好的低速运行性能。

附图说明

图1是无位置传感器内置式永磁同步电机矢量控制装置结构示意图；

图2是图1中高频电流信号处理单元和转子位置观测器单元的结构示意图；

图3为内置式永磁同步电机零速运行时突加和突减额定负载的实验结果；

图4为给定转速为0rpm-300rpm-0rpm时带额定负载运行的实验结果。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种内置式永磁同步电机无位置传感器矢量控制装置，它包括转速控制器单元100、第一电流控制器单元101、第二电流控制器单元102、高频电压信号生成单元103、直轴电压叠加单元104、坐标旋转反变换单元105、功率变换器单元106、低通滤波器单元108、三相到两相坐标变换单元109、坐标旋转变换单元110、高频电流信号处理单元111、转子位置观测器单元112、转速计算单元113和电流检测传感器114，

转速给定指令信号A1与转速估计值B1经过转速控制器单元100后，输出交轴转矩电流给定值D1，所述交轴转矩电流给定值D1与交轴定子电流分量E1通过第一电流控制器单元101进行调节，输出交轴电压给定信号K1；

直轴电流给定指令G1与直轴定子电流分量F1通过第二电流控制器单元102进行调节，输出直轴电压控制信号J1；高频电压信号生成单元103根据注入信号频率和幅值输出高频电压信号H1，所述高频电压信号H1与所述直轴电压控制信号J1通过直轴电压叠加单元104得到最终直轴电压给定信号L1；

交轴电压给定信号K1和最终直轴电压给定信号L1经坐标旋转反变换单元105调节后输出静止坐标系下的定子电压给定信号N1，所述静止坐标系下的定子电压给定信号N1经过功率变换器单元106放大后驱动内置式永磁同步电机107工作；

电流检测传感器114对内置式永磁同步电机107的定子电流进行检测得到电流采样信号O1，通过低通滤波器单元108对电流采样信号O1进行滤波后得到三相基频定子电流信号P1，所述三相基频定子电流信号P1经过三相到两相坐标变换单元109进行变换后得到两相静止坐标系下的电流信号Q1，所述两相静止坐标系下的电流信号Q1再经过坐标旋转变换单元110后，得到两相旋转坐标系下的交轴定子电流分量E1和直轴定子电流分量F1，交轴定子电流分量E1输入到第一电流控制器单元101作为转矩电流反馈值，直轴定子电流分量F1输入到第二电流控制器单元102作为直轴电流反馈信号；

所述定子电流采样信号O1还经过高频电流信号处理单元111调节后得到转子位置误差信号R1，转子位置误差信号R1、交轴定子电流分量E1和直轴定子电流分量F1经过转子位置观测器单元112调节后得到转子磁极位置观测值C1，所述转子磁极位置观测值C1再经过转速计算单元113调节后得到转速估计值B1，转速估计值B1输入到转速控制器单元100作为转反馈信号；

转子磁极位置观测值C1还输入到坐标旋转反变换单元105和坐标旋转变换单元110，为坐标变换提供转子位置角度信息。

本发明提供一种基于高频信号注入的内置式永磁同步电机无位置传感器矢量变频控制器，采用一种由高频电流幅值提取转子位置误差信号的信号处理方法，并通过一个鲁棒转子位置观测器克服负载扰动过程中引起过大的位置观测误差，避免位置观测值收敛到S极方向而引起系统失控，可以能够有效地改善内置式永磁同步电机无位置传感器低速运行的控制性能。

转速给定指令信号A1与转速估计值B1经过转速控制器单元100后输出交轴转矩电流给定值D1，交轴转矩电流给定值D1与交轴定子电流分量E1(i_qf)通过第一电流控制器单元101进行调节，输出交轴电压给定信号K1；直轴电流给定指令G1与直轴定子电流分量F1(i_df)通过第二电流控制器单元102进行调节，输出直轴电压控制信号J1；高频电压信号生成单元103根据注入信号频率(ω_i，本方案中可以取PWM信号频率的1/20至1/5)和幅值(U_i，根据电机参数而定)输出高频电压信号H1，高频电压信号H1与直轴电压控制信号J1通过直轴电压叠加单元104得到最终直轴电压给定信号L1；交轴电压给定信号K1和叠加了高频信号的最终直轴电压给定信号L1经坐标旋转反变换单元105输出静止坐标系下的定子电压给定信号N1，N1经过功率变换器单元106放大后驱动内置式永磁同步电机107；电流检测传感器114对电机的定子电流进行检测得到电流采样信号O1(i_a，i_b，i_c)，通过低通滤波器单元108对O1进行滤波后得到三相基频定子电流信号P1，P1经过三相到两相坐标变换单元109进行变换后得到两相静止坐标系下的电流信号Q1，Q1再经过坐标旋转变换单元110后，得到两相旋转坐标系下的交轴定子电流分量E1(i_qf)和直轴定子电流分量F1(i_df)，交轴定子电流分量E1和直轴定子电流分量F1分别反馈到第一电流控制器单元101和第二电流控制器单元105作为反馈信号；另外，电流检测传感器114输出的定子电流采样信号O1经过高频电流信号处理单元111后得到转子位置误差信号R1(γ)，R1、E1和F1经过转子位置观测器单元112后得到转子磁极位置观测值

C1再经过转速计算单元113得到转速估计值按如下公式计算：

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_r=\frac{1}{P}\frac{d{\widehat{\mathrm{\θ}}}_e}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式中P为电机极对数；

为转子磁极位置观测值C1；

为转速估计值B1。

B1输入到转速控制器单元100作为转速反馈信号，另外

输入到坐标旋转变换单元110和坐标旋转反变换单元105，为坐标变换提供转子磁极位置角信息；

定子电流采样信号O1(i_a，i_b，i_c)经过三相静止到两相旋转坐标变换单元后输出电流分量A2(i_d2)和B2(i_q2)，可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d2}\\ i_{q2}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos ({\widehat{\mathrm{\θ}}}_e-\frac{1}{4}\mathrm{\π})& \cos ({\widehat{\mathrm{\θ}}}_e-\frac{11}{12}\mathrm{\π})& \cos ({\widehat{\mathrm{\θ}}}_e+\frac{5}{12}\mathrm{\π})\\ -\sin ({\widehat{\mathrm{\θ}}}_e-\frac{1}{4}\mathrm{\π})& -\sin ({\widehat{\mathrm{\θ}}}_e-\frac{11}{12}\mathrm{\π})& -\sin ({\widehat{\mathrm{\θ}}}_e+\frac{5}{12}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中，i_d2为交轴电流分量A2；

i_q2为直轴电流分量B2；

i_a，i_b，i_c定子电流采样信号O1的三相电流。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一进一步说明，高频电流信号处理单元111包括三相静止到两相旋转坐标变换单元201、余弦函数运算单元202、一号带通滤波器单元203、二号带通滤波器单元204、一号乘法运算单元205、二号乘法运算单元206、一号低通滤波器单元207、二号低通滤波器单元208、电流方均根计算单元209、减法运算单元210和除法运算单元211，

定子电流采样信号O1经过三相静止到两相旋转坐标变换单元201调节后输出交轴电流分量A2和直轴电流分量B2，变换角C1的取值为45°，2倍的高频电压电角度通过余弦函数运算单元202后得到高频信号E2，

交轴电流分量A2经过一号带通滤波器单元203后得到交轴滤波信号C2，高频信号E2和交轴滤波信号C2经过一号乘法运算单元205后得到交轴乘积信号F2，交轴乘积信号F2通过一号低通滤波器单元207后得到交轴低频信号H2，

直轴电流分量B2经过二号带通滤波器单元204后得到直轴滤波信号D2，高频信号E2和直轴滤波信号D2经过二号乘法运算单元206后得到直轴乘积信号G2，直轴乘积信号G2通过二号低通滤波器单元208后得到直轴低频信号I2；

交轴低频信号H2和直轴低频信号I2经过电流方均根计算单元209后得到方均根信号J2，交轴低频信号H2和直轴低频信号I2还经过减法运算单元210后得到减法信号H2，减法信号H2和方均根信号J2通过除法运算单元211后得到转子位置误差信号R1。

A2经过一号带通滤波器单元203后得到信号C2，B2则经过二号带通滤波器单元204后得到信号D2，高频电压电角度乘以2后，通过余弦函数运算单元202得到信号E2(为cos2ω_i)，E2和C2经过一号乘法运算单元205后得到信号F2，同时E2和D2经过二号乘法运算单元206后得到信号G2，F2通过一号低通滤波器单元207后得到信号H2(i_di)，G2通过二号低通滤波器单元208后得到信号I2(i_qi)；H2和I2经过电流方均根计算单元209后得到信号J2(I_mi)，H2和I2还经过减法运算单元210后得到信号H2，H2和J2通过除法运算单元211后得到转子位置误差信号R1(γ)，按下述公式进行计算：

$\mathrm{\γ}=\frac{i_{\mathrm{di}}-i_{\mathrm{qi}}}{\sqrt{i_{\mathrm{di}}^2+i_{\mathrm{qi}}^2}}---\left(3\right)$

其中，γ为转子位置误差信号R1；

i_di为交轴低频信号H2；

i_qi为方均根信号J2。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一进一步说明，转子位置观测器单元112包括一号积分运算单元301、二号积分运算单元302、三号积分运算单元303、四号积分运算单元304、一号增益单元305、二号增益单元306、三号增益单元307、四号增益单元308、转矩计算单元309、一号加法运算单元310、二号加法运算单元311，

转子位置误差信号R1还经过三号增益单元307得到三号增益信号A3，转子位置误差信号R1还经过四号增益单元308得到四号增益信号I3，

转子位置误差信号R1经过一号积分运算单元301后得到一号积分信号B3，一号积分信号B3经过二号增益单元306得到二号增益信号C3，二号增益信号C3再通过二号积分运算单元302后得到二号积分信号D3，二号积分信号D3又经过一号增益单元305后得到一号增益信号E3，

交轴定子电流分量E1和直轴定子电流分量F1通过转矩计算单元309输出转矩信号F3，三号增益信号A3、转矩信号F3、二号增益信号C3和一号增益信号E3经过一号加法运算单元310输出一号加法信号G3；一号加法信号G3经过三号积分运算单元303得到三号积分信号H3，三号积分信号H3与四号增益信号I3经过二号加法运算单元311后得到二号加法信号J3，二号加法信号J3再经过四号积分运算单元304后得到转子磁极位置观测值C1。

转子位置误差信号R1经过三号增益单元307(增益为k₃)得到信号A3，转子位置误差信号R1经过四号增益单元305(增益为k₄)后得到信号I3，R1经过一号积分运算单元301后得到B3，B3再经过二号增益单元306(增益为k₂)得到信号C3，C3还通过二号积分运算单元302后得到信号D3，D3又经过一号增益单元305(增益为k₁)后得到信号E3，另外交轴定子电流分量E1和直轴定子电流分量F1通过转矩计算单元309输出F3(τ_e)，按照下述公式进行计算：

${\mathrm{\τ}}_e=\frac{3}{2}P[{\mathrm{\ψ}}_f{i}_{\mathrm{qf}}+\left(L_d{-L}_q\right)i_{\mathrm{qf}}{i}_{\mathrm{df}}]---\left(4\right)$

式中ψ_f为转子永磁体磁链；

L_d为定子直轴电感；

L_q为定子交轴电感；

τ_e为转矩信号F3。

A3、F3、C3和E3经过一号加法运算单元310输出G3(τ₁)，G3按照下述公式进行计算：

τ₁＝k₃·γ+k₂∫γdt+k₁k₂∫(∫γdt)dt+τ_e    (5)

式中：τ₁为一号加法信号G3；

k₁、k₂、k₃表示增益系数，其值根据观测器动态性能的要求来设计。

G3经过三号积分运算单元303得到信号H3，H3与I3经过二号加法运算单元311后得到J3，J3再经过四号积分运算单元304后得到转子磁极位置观测值

按下述公式获取：

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_e=\∫(P\∫\frac{{\mathrm{\τ}}_1}{J}\mathrm{dt}+k_4\mathrm{\γ})\mathrm{dt}---\left(6\right)$

式中J为转动惯量；

k₄表示增益系数，其值根据观测器动态性能的要求来设计。

Claims (3)

1.一种内置式永磁同步电机无位置传感器矢量控制装置，其特征在于，它包括转速控制器单元(100)、第一电流控制器单元(101)、第二电流控制器单元(102)、高频电压信号生成单元(103)、直轴电压叠加单元(104)、坐标旋转反变换单元(105)、功率变换器单元(106)、低通滤波器单元(108)、三相到两相坐标变换单元(109)、坐标旋转变换单元(110)、高频电流信号处理单元(111)、转子位置观测器单元(112)、转速计算单元(113)和电流检测传感器(114)，

转速给定指令信号A1与转速估计值B1经过转速控制器单元(100)后，输出交轴转矩电流给定值D1，所述交轴转矩电流给定值D1与交轴定子电流分量E1通过第一电流控制器单元(101)进行调节，输出交轴电压给定信号K1；

直轴电流给定指令G1与直轴定子电流分量F1通过第二电流控制器单元(102)进行调节，输出直轴电压控制信号J1；高频电压信号生成单元(103)根据注入信号频率和幅值输出高频电压信号H1，所述高频电压信号H1与所述直轴电压控制信号J1通过直轴电压叠加单元(104)得到最终直轴电压给定信号L1；

交轴电压给定信号K1和最终直轴电压给定信号L1经坐标旋转反变换单元(105)调节后输出静止坐标系下的定子电压给定信号N1，所述静止坐标系下的定子电压给定信号N1经过功率变换器单元(106)放大后驱动内置式永磁同步电机(107)工作；

电流检测传感器(114)对内置式永磁同步电机(107)的定子电流进行检测得到电流采样信号O1，通过低通滤波器单元(108)对电流采样信号O1进行滤波后得到三相基频定子电流信号P1，所述三相基频定子电流信号P1经过三相到两相坐标变换单元(109)进行变换后得到两相静止坐标系下的电流信号Q1，所述两相静止坐标系下的电流信号Q1再经过坐标旋转变换单元(110)后，得到两相旋转坐标系下的交轴定子电流分量E1和直轴定子电流分量F1，交轴定子电流分量E1输入到第一电流控制器单元(101)作为转矩电流反馈值，直轴定子电流分量F1输入到第二电流控制器单元(102)作为直轴电流反馈信号；

所述定子电流采样信号O1还经过高频电流信号处理单元(111)调节后得到转子位置误差信号R1，转子位置误差信号R1、交轴定子电流分量E1和直轴定子电流分量F1经过转子位置观测器单元(112)调节后得到转子磁极位置观测值C1，所述转子磁极位置观测值C1再经过转速计算单元(113)调节后得到转速估计值B1，转速估计值B1输入到转速控制器单元(100)作为转反馈信号；

转子磁极位置观测值C1还输入到坐标旋转反变换单元(105)和坐标旋转变换单元(110)，为坐标变换提供转子位置角度信息。

2.根据权利要求1所述一种内置式永磁同步电机无位置传感器矢量控制装置，其特征在于，高频电流信号处理单元(111)包括三相静止到两相旋转坐标变换单元(201)、余弦函数运算单元(202)、一号带通滤波器单元(203)、二号带通滤波器单元(204)、一号乘法运算单元(205)、二号乘法运算单元(206)、一号低通滤波器单元(207)、二号低通滤波器单元(208)、电流方均根计算单元(209)、减法运算单元(210)和除法运算单元(211)，

定子电流采样信号O1经过三相静止到两相旋转坐标变换单元(201)调节后输出交轴电流分量A2和直轴电流分量B2，变换角C1的取值为45°，2倍的高频电压电角度通过余弦函数运算单元(202)后得到高频信号E2，

交轴电流分量A2经过一号带通滤波器单元(203)后得到交轴滤波信号C2，高频信号E2和交轴滤波信号C2经过一号乘法运算单元(205)后得到交轴乘积信号F2，交轴乘积信号F2通过一号低通滤波器单元(207)后得到交轴低频信号H2，

直轴电流分量B2经过二号带通滤波器单元(204)后得到直轴滤波信号D2，高频信号E2和直轴滤波信号D2经过二号乘法运算单元(206)后得到直轴乘积信号G2，直轴乘积信号G2通过二号低通滤波器单元(208)后得到直轴低频信号I2；

交轴低频信号H2和直轴低频信号I2经过电流方均根计算单元(209)后得到方均根信号J2，交轴低频信号H2和直轴低频信号I2还经过减法运算单元(210)后得到减法信号H2，减法信号H2和方均根信号J2通过除法运算单元(211)后得到转子位置误差信号R1。

3.根据权利要求1所述一种内置式永磁同步电机无位置传感器矢量控制装置，其特征在于，转子位置观测器单元(112)包括一号积分运算单元(301)、二号积分运算单元(302)、三号积分运算单元(303)、四号积分运算单元(304)、一号增益单元(305)、二号增益单元(306)、三号增益单元(307)、四号增益单元(308)、转矩计算单元(309)、一号加法运算单元(310)、二号加法运算单元(311)，

转子位置误差信号R1还经过三号增益单元(307)得到三号增益信号A3，转子位置误差信号R1还经过四号增益单元(308)得到四号增益信号I3，

转子位置误差信号R1经过一号积分运算单元(301)后得到一号积分信号B3，一号积分信号B3经过二号增益单元(306)得到二号增益信号C3，二号增益信号C3再通过二号积分运算单元(302)后得到二号积分信号D3，二号积分信号D3又经过一号增益单元(305)后得到一号增益信号E3，

交轴定子电流分量E1和直轴定子电流分量F1通过转矩计算单元(309)输出转矩信号F3，三号增益信号A3、转矩信号F3、二号增益信号C3和一号增益信号E3经过一号加法运算单元(310)输出一号加法信号G3；一号加法信号G3经过三号积分运算单元(303)得到三号积分信号H3，三号积分信号H3与四号增益信号I3经过二号加法运算单元(311)后得到二号加法信号J3，二号加法信号J3再经过四号积分运算单元(304)后得到转子磁极位置观测值C1。

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