CN102545740A - 面贴式永磁同步电机的低速无位置传感器控制方法 - Google Patents

面贴式永磁同步电机的低速无位置传感器控制方法 Download PDF

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CN102545740A CN201210004057XA CN201210004057A CN102545740A CN 102545740 A CN102545740 A CN 102545740A CN 201210004057X A CN201210004057X A CN 201210004057XA CN 201210004057 A CN201210004057 A CN 201210004057A CN 102545740 A CN102545740 A CN 102545740A
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刘颖
周波
冯瑛
赵承亮
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Abstract

本发明公开了一种面贴式永磁同步电机的低速无位置传感器控制方法，其中，包括一种估计系统中的调制信号的构造方法，以及一种位置估计误差的补偿方法，本发明所设计的面贴式永磁同步电机的低速无位置传感器控制方法从本质上解决了电机参数和注入信号频率的变化对估计系统稳定性的影响以及实现了估计位置对实际位置的准确跟踪，保证了系统的可靠运行。

Description

面贴式永磁同步电机的低速无位置传感器控制方法
技术领域
本发明涉及一种面贴式永磁同步电机(SPMSM)低速和零速无位置传感器控制的方法，属于永磁电机控制领域。
背景技术
永磁同步电动机的控制需要精确的转子位置与转速信号，实现磁场定向和转速闭环控制。传统的检测电机转速和磁极位置的方法中，多采用机械传感器，如光电编码器或者旋转变压器等，使得永磁同步电动机系统不能在一些特殊的场合里可靠地工作，如航天、水下以及过热、振动等恶劣环境中，无传感器控制技术在这些场合比具有机械传感器的系统具有优势。根据适用的转速区间不同，可以把永磁同步电机无位置传感器控制方法分为两大类：一类适用于中高速，大多基于电机基波模型；另一类适用于低速(或零速)，多为基于电机谐波模型，利用电机结构的物理特性或电感的饱和特性。众所周知，后者的实现难度较前者要高，是无位置传感器技术的关键。
永磁同步电机分为凸极式和隐极式两种形式。面贴式永磁同步电机属于隐极式，其特点为：通常情况下，交轴和直轴电感近似相等，即Lq＝Ld。但有研究表明，随着电机磁路的饱和，会导致直轴电感随之变小，此时呈现出Lq＞Ld，称为电感饱和效应。据此，韩国学者Seung-Ki Sul等提出了脉动高频电压信号注入法，在估计的同步旋转坐标系直轴上注入高频正弦电压信号，利用这种电感饱和效应，获得有效的凸极特性来实现转子位置估计。该方法不需要确切的电机参数，所以成为了面贴式永磁同步电机低速无位置传感器控制的研究热点。
在应用脉动高频电压信号注入法时，首先是建立永磁同步电机的高频模型，然后基于此高频模型进行估计系统设计。为了简化，通常做出两个忽略：在高频电压信号激励下Umhcos(ωht)，定子相绕组的高频感抗值ωhL远大于电阻值Rs，即ωhL□Rs，忽略电机的电阻，将等效为了纯电感模型；由于所加的高频信号角频率ωh远高于转子旋转角频率ωe，即ωh□ωe，认为ωe≈0，则忽略电压方程中的反电动势项ωeψf，以及交叉耦合项ωeLq和ωeLd。得到如下电机的电压方程：
u d u q = jω h L d 0 0 jω h L q i d i q - - - ( 1 )
其中，ud、uq和id、iq分别为直、交轴电压和电流。
但是，随着电机参数和注入信号频率的变化，未必满足“ωhL□Rs”，定子电阻不能被忽略，它会引起估计系统出现不稳定的现象；并且，随着电机转速的升高，其电压方程中的反电动势和交叉耦合项不能被简单的忽略，呈现出转子的估计的转子位置与实际位置误差会随着转速的升高而逐渐变大，导致系统不能可靠运行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够较好的实现估计的转子位置对实际位置的准确跟踪，保证系统可靠运行的面贴式永磁同步电机的低速无位置传感器控制方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种面贴式永磁同步电机的低速无位置传感器控制方法，包括如下具体步骤：
步骤(1)：建立实际同步旋转坐标系d-q、估计的同步旋转坐标系
Figure BDA0000129486050000022
和实际两相静止坐标系α-β，定义估计的转子位置误差为
Figure BDA0000129486050000023
其中，θ定义为实际位置、
Figure BDA0000129486050000024
定义为估计的转子位置，
Figure BDA0000129486050000025
的初始值为0；
步骤(2)：在估计的同步旋转坐标系的
Figure BDA0000129486050000027
轴上注入高频电压信号
Figure BDA0000129486050000028
用于驱动面贴式永磁同步电机，具体还包括如下处理：
步骤(21)：在估计的同步旋转坐标系
Figure BDA0000129486050000029
的
Figure BDA00001294860500000210
轴上注入高频电压信号
Figure BDA0000129486050000031
将该高频电压信号
Figure BDA0000129486050000032
与电流环PI调节器的轴输出
Figure BDA0000129486050000034
相加，共同作为
Figure BDA0000129486050000035
轴电压给定
Figure BDA0000129486050000036
其中，Umh定义为高频电压信号的幅值，ωh定义为高频电压信号的角频率；
步骤(22)：采用估计的转子位置将步骤(2)中的
Figure BDA0000129486050000038
轴电压给定与电流环PI调节器输出的
Figure BDA00001294860500000310
轴电压结合
Figure BDA00001294860500000311
进行Park逆变换和Clarke逆变换，获得三相电压给定值ua、ub和uc；
步骤(23)：对步骤(22)中的三相电压给定值ua、ub和uc进行SPWM调制，得到六个驱动信号，所述六个驱动信号用于控制三相全桥逆变器，从而驱动面贴式永磁同步电机；
步骤(3)：检测面贴式永磁同步电机的两相电流iA和iB，并进行电流闭环控制，具体还包括如下处理：
步骤(31)：检测面贴式永磁同步电机的两相电流iA和iB，将两相电流iA和iB经过Clarke逆变换得到实际两相静止坐标系α-β下的α轴电流iα和β轴电流iβ；
步骤(32)：利用估计的转子位置
Figure BDA00001294860500000312
将步骤(31)中得到的实际两相静止坐标系下的α轴电流iα和β轴电流iβ进行Park坐标系变换，得到估计的同步旋转坐标系
Figure BDA00001294860500000313
下的
Figure BDA00001294860500000314
轴电流
Figure BDA00001294860500000315
和
Figure BDA00001294860500000316
利用
Figure BDA00001294860500000317
轴电流判断并得到永磁体磁极极性结果；
步骤(33)：将步骤(32)中得到的估计的同步旋转坐标系
Figure BDA00001294860500000319
下的
Figure BDA00001294860500000320
轴电流
Figure BDA00001294860500000321
和
Figure BDA00001294860500000322
进行低通滤波处理，得到
Figure BDA00001294860500000323
和
Figure BDA00001294860500000324
分别将
Figure BDA00001294860500000325
和
Figure BDA00001294860500000326
与给定的电流idref和iqref相减，得到
Figure BDA00001294860500000327
和
Figure BDA00001294860500000328
并将
Figure BDA00001294860500000329
和
Figure BDA00001294860500000330
送入电流环PI调节器，进行电流闭环控制，其中，idref＝0，iqref定义为速度环PI调节器输出值；
步骤(4)：利用步骤(3)中得到的估计的同步旋转坐标系
Figure BDA0000129486050000041
下轴的电流
Figure BDA0000129486050000043
设计出转子位置与转速的估计系统，具体还包括如下处理：
步骤(41)：构造出一种调制信号gm(t)，将
Figure BDA0000129486050000044
与
Figure BDA0000129486050000045
相减得到
Figure BDA0000129486050000046
并利用锁相环技术锁定
Figure BDA0000129486050000047
的相位，其中，gm(t)的幅值是1，相位与
Figure BDA0000129486050000048
中频率为ωh信号的相位相同；
步骤(42)：将步骤(41)中的调制信号gm(t)与
Figure BDA0000129486050000049
相乘，得到信号gm(t)；
步骤(43)：对步骤(42)中的信号gm(t)1进行低通滤波处理，得到转子位置与转速估计所需的输入量f(Δθ)；
步骤(5)：进行误差补偿处理，得到最终估计的转子位置
Figure BDA00001294860500000410
具体包括如下处理：
步骤(51)：将步骤(43)中的得到的转子位置与转速估计所需的输入量f(Δθ)经过一个增益放大器ki后，得到估计转速
步骤(52)：将估计转速
Figure BDA00001294860500000412
与补偿系数kc相乘，并相乘后的结果与转子位置与转速估计所需的输入量f(Δθ)相加后共同作用于增益放大器ki；
步骤(53)：对估计转速
Figure BDA00001294860500000413
进行积分，结合步骤(32)中利用
Figure BDA00001294860500000414
轴电流
Figure BDA00001294860500000415
判断并得到的永磁体磁极极性结果，得到最终估计的转子位置
Figure BDA00001294860500000416
步骤(6)：用给定转速ωref减去步骤(51)中得到的估计转速
Figure BDA00001294860500000417
后，送入速度环PI调节器，进行速度闭环控制。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明可实现面贴式永磁同步点电机低速和零速范围内无位置传感器控制，通过选取合理的调制信号，无需准确的电机参数，可以保证估计系统的稳定性；
2.本发明解决了随转速升高位置估计误差变大的问题，通过对估计的转子位置误差进行补偿，使得系统的可靠运行；
3.本发明所设计的方法无需电机的准确参数和额外的硬件电路，具有较好的实用性和可行性。
附图说明
图1是本发明所设计的面贴式永磁同步电机的低速无位置传感器控制方法的原理框图。
图2是本发明所建立的坐标系的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
图1所示为本发明所述的控制方法的原理框图，由速度环PI调节器、电流环PI调节器、电压信号
Figure BDA0000129486050000051
注入、两相旋转/三相静止坐标系Park逆变换和Clarke逆变换、SPWM调制、三相逆变器、面贴式永磁同步电机、电流传感器、三相静止/两相旋转坐标系Clarke变换和Park变换和转子位置与转速估计系统构成。
本发明设计了一种面贴式永磁同步电机的低速无位置传感器控制方法，包括如下具体步骤：
如图2所示，步骤(1)：建立实际同步旋转坐标系d-q、估计的同步旋转坐标系
Figure BDA0000129486050000052
和实际两相静止坐标系α-β，定义估计的转子位置误差为其中，θ定义为实际位置、
Figure BDA0000129486050000054
定义为估计的转子位置，
Figure BDA0000129486050000055
的初始值为0；
步骤(2)：在估计的同步旋转坐标系的轴上注入高频电压信号用于驱动面贴式永磁同步电机，具体还包括如下处理：
步骤(21)：在估计的同步旋转坐标系的轴上注入高频电压信号
Figure BDA0000129486050000063
将该高频电压信号
Figure BDA0000129486050000064
与电流环PI调节器的轴输出相加，共同作为
Figure BDA0000129486050000067
轴电压给定
Figure BDA0000129486050000068
其中，Umh定义为高频电压信号的幅值，ωh定义为高频电压信号的角频率；
步骤(22)：采用估计的转子位置
Figure BDA0000129486050000069
将步骤(2)中的
Figure BDA00001294860500000610
轴电压给定与电流环PI调节器输出的轴电压结合进行Park逆变换和Clarke逆变换，获得三相电压给定值ua、ub和uc；
步骤(23)：对步骤(22)中的三相电压给定值ua、ub和uc进行SPWM调制，得到六个驱动信号，所述六个驱动信号用于控制三相全桥逆变器，从而驱动面贴式永磁同步电机；
步骤(3)：检测面贴式永磁同步电机的两相电流iA和iB，并进行电流闭环控制，具体还包括如下处理：
步骤(31)：检测面贴式永磁同步电机的两相电流iA和iB，将两相电流iA和iB经过Clarke逆变换得到实际两相静止坐标系α-β下的α轴电流iα和β轴电流iβ；
步骤(32)：利用估计的转子位置
Figure BDA00001294860500000614
将步骤(31)中得到的实际两相静止坐标系下的α轴电流iα和β轴电流iβ进行Park坐标系变换，得到估计的同步旋转坐标系
Figure BDA00001294860500000615
下的
Figure BDA00001294860500000616
轴电流
Figure BDA00001294860500000617
和
Figure BDA00001294860500000618
利用
Figure BDA00001294860500000619
轴电流
Figure BDA00001294860500000620
判断并得到永磁体磁极极性结果；
步骤(33)：将步骤(32)中得到的估计的同步旋转坐标系
Figure BDA00001294860500000621
下的
Figure BDA00001294860500000622
轴电流
Figure BDA00001294860500000623
和
Figure BDA00001294860500000624
进行低通滤波处理，得到
Figure BDA00001294860500000625
和
Figure BDA00001294860500000626
分别将
Figure BDA00001294860500000627
和
Figure BDA00001294860500000628
与给定的电流idref和iqref相减，得到和
Figure BDA00001294860500000630
并将
Figure BDA00001294860500000631
和
Figure BDA00001294860500000632
送入电流环PI调节器，进行电流闭环控制，其中，idref＝0，iqref定义为速度环PI调节器输出值；
步骤(4)：利用步骤(3)中得到的估计的同步旋转坐标系
Figure BDA0000129486050000071
下
Figure BDA0000129486050000072
轴的电流
Figure BDA0000129486050000073
设计出转子位置与转速的估计系统，具体还包括如下处理：
步骤(41)：构造出一种调制信号gm(t)，将
Figure BDA0000129486050000074
与
Figure BDA0000129486050000075
相减得到
Figure BDA0000129486050000076
并利用锁相环技术锁定的相位，其中，gm(t)的幅值是1，相位与
Figure BDA0000129486050000078
中频率为ωh信号的相位相同；
步骤(42)：将步骤(41)中的调制信号gm(t)与
Figure BDA0000129486050000079
相乘，得到信号gm(t)；
步骤(43)：对步骤(42)中的信号gm(t)1进行低通滤波处理，得到转子位置与转速估计所需的输入量f(Δθ)；
步骤(5)：进行误差补偿处理，得到最终估计的转子位置具体包括如下处理：
步骤(51)：将步骤(43)中的得到的转子位置与转速估计所需的输入量f(Δθ)经过一个增益放大器ki后，得到估计转速
Figure BDA00001294860500000711
步骤(52)：将估计转速
Figure BDA00001294860500000712
与补偿系数kc相乘，并相乘后的结果与转子位置与转速估计所需的输入量f(Δθ)相加后共同作用于增益放大器ki；
步骤(53)：对估计转速
Figure BDA00001294860500000713
进行积分，结合步骤(32)中利用轴电流
Figure BDA00001294860500000715
判断并得到的永磁体磁极极性结果，得到最终估计的转子位置
Figure BDA00001294860500000716
步骤(6)：用给定转速ωref减去步骤(51)中得到的估计转速
Figure BDA00001294860500000717
后，送入速度环PI调节器，进行速度闭环控制。

Claims (1)

1.一种面贴式永磁同步电机的低速无位置传感器控制方法，其特征在于包括如下具体步骤：
步骤(1)：建立实际同步旋转坐标系d-q、估计的同步旋转坐标系
Figure FDA0000129486040000011
和实际两相静止坐标系α-β，定义估计的转子位置误差为
Figure FDA0000129486040000012
其中，θ定义为实际位置、
Figure FDA0000129486040000013
定义为估计的转子位置，
Figure FDA0000129486040000014
的初始值为0；
步骤(2)：在估计的同步旋转坐标系
Figure FDA0000129486040000015
的
Figure FDA0000129486040000016
轴上注入高频电压信号
Figure FDA0000129486040000017
用于驱动面贴式永磁同步电机，具体还包括如下处理：
步骤(21)：在估计的同步旋转坐标系的
Figure FDA0000129486040000019
轴上注入高频电压信号
Figure FDA00001294860400000110
将该高频电压信号
Figure FDA00001294860400000111
与电流环PI调节器的
Figure FDA00001294860400000112
轴输出
Figure FDA00001294860400000113
相加，共同作为
Figure FDA00001294860400000114
轴电压给定
Figure FDA00001294860400000115
其中，Umh定义为高频电压信号的幅值，ωh定义为高频电压信号的角频率；
步骤(22)：采用估计的转子位置
Figure FDA00001294860400000116
将步骤(2)中的
Figure FDA00001294860400000117
轴电压给定
Figure FDA00001294860400000118
与电流环PI调节器输出的
Figure FDA00001294860400000119
轴电压结合
Figure FDA00001294860400000120
进行Park逆变换和Clarke逆变换，获得三相电压给定值ua、ub和uc；
步骤(23)：对步骤(22)中的三相电压给定值ua、ub和uc进行SPWM调制，得到六个驱动信号，所述六个驱动信号用于控制三相全桥逆变器，从而驱动面贴式永磁同步电机；
步骤(3)：检测面贴式永磁同步电机的两相电流iA和iB，并进行电流闭环控制，具体还包括如下处理：
步骤(31)：检测面贴式永磁同步电机的两相电流iA和iB，将两相电流iA和iB经过Clarke逆变换得到实际两相静止坐标系α-β下的α轴电流iα和β轴电流iβ；
步骤(32)：利用估计的转子位置将步骤(31)中得到的实际两相静止坐标系下的α轴电流iα和β轴电流iβ进行Park坐标系变换，得到估计的同步旋转坐标系下的
Figure FDA0000129486040000023
轴电流
Figure FDA0000129486040000024
和
Figure FDA0000129486040000025
利用
Figure FDA0000129486040000026
轴电流
Figure FDA0000129486040000027
判断并得到永磁体磁极极性结果；
步骤(33)：将步骤(32)中得到的估计的同步旋转坐标系下的
Figure FDA0000129486040000029
轴电流
Figure FDA00001294860400000210
和
Figure FDA00001294860400000211
进行低通滤波处理，得到和
Figure FDA00001294860400000213
分别将
Figure FDA00001294860400000214
和与给定的电流idref和iqref相减，得到和
Figure FDA00001294860400000217
并将
Figure FDA00001294860400000218
和送入电流环PI调节器，进行电流闭环控制，其中，idref＝0，iqref定义为速度环PI调节器输出值；
步骤(4)：利用步骤(3)中得到的估计的同步旋转坐标系
Figure FDA00001294860400000220
下
Figure FDA00001294860400000221
轴的电流
Figure FDA00001294860400000222
设计出转子位置与转速的估计系统，具体还包括如下处理：
步骤(41)：构造出一种调制信号gm(t)，将
Figure FDA00001294860400000223
与
Figure FDA00001294860400000224
相减得到
Figure FDA00001294860400000225
并利用锁相环技术锁定
Figure FDA00001294860400000226
的相位，其中，gm(t)的幅值是1，相位与
Figure FDA00001294860400000227
中频率为ωh信号的相位相同；
步骤(42)：将步骤(41)中的调制信号gm(t)与相乘，得到信号gm(t)；
步骤(43)：对步骤(42)中的信号gm(t)1进行低通滤波处理，得到转子位置与转速估计所需的输入量f(Δθ)；
步骤(5)：进行误差补偿处理，得到最终估计的转子位置
Figure FDA00001294860400000229
具体包括如下处理：
步骤(51)：将步骤(43)中的得到的转子位置与转速估计所需的输入量f(Δθ)经过一个增益放大器ki后，得到估计转速
Figure FDA00001294860400000230
步骤(52)：将估计转速
Figure FDA00001294860400000231
与补偿系数kc相乘，并相乘后的结果与转子位置与转速估计所需的输入量f(Δθ)相加后共同作用于增益放大器ki；
步骤(53)：对估计转速
Figure FDA0000129486040000031
进行积分，结合步骤(32)中利用
Figure FDA0000129486040000032
轴电流
Figure FDA0000129486040000033
判断并得到的永磁体磁极极性结果，得到最终估计的转子位置
步骤(6)：用给定转速ωref减去步骤(51)中得到的估计转速
Figure FDA0000129486040000035
后，送入速度环PI调节器，进行速度闭环控制。
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