CN103078572A - 一种永磁同步电机高精度转子位置估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机高精度转子位置估计方法，利用霍尔传感器与反电动势来确定电机转子位置。霍尔传感器将电机空间电角度分成6个扇区，每个扇区对应60°电角度，通过霍尔传感器确定转子位置范围，使得位置估计误差不超过30°；而利用电机反电动势来估算电机转子位置，无需传感器，但在电机起动时，由于无反电动势，则转子起始位置无法确定，且在电机低速运行时，因反电动势值较小，则转子位置估计误差较大。为此，将反电动势转子位置细分定位算法与霍尔传感器相结合，通过霍尔传感器判断转子处于哪一个扇区，再通过反电动势来获取精确的转子位置。本方法能以较低成本精确估计电机转子位置，且可解决永磁同步电机起动和转矩脉动问题。

Description

一种永磁同步电机高精度转子位置估计方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制技术，尤其是涉及永磁同步电机转子位置估计方法。

背景技术

永磁同步电机具有高效率、高转矩电流比、高功率密度、可靠性等优点，已在各个领域得到了广泛应用。在永磁同步电机控制系统中，需要准确定位转子位置以实现高性能控制，而若转子位置估计误差过大，则导致电机运转脉动大、甚至不能顺利起动电机。

在永磁同步电机有传感器控制中，常常利用旋转变压器或光电编码器进行转子位置估计，这种传感器能达到很好的转子位置估计精度，但成本高、体积较大，在一些场合无法应用。而霍尔传感器具有成本较低、体积小等优点，在方波驱动无刷直流电机控制系统中得到了广泛应用。但在正弦波驱动永磁同步电机控制系统中，通常利用霍尔传感器只能在60°电角度内获取转子位置信息(最大位置估计误差为30°)，则利用霍尔传感器无法获得精确的电机转子位置估计，从而会导致较大的转矩脉动，甚至可能引起过流现象。

考虑到可靠性与成本等因素，无传感器永磁同步电机控制技术受到越来越多的关注。在无传感器永磁同步电机控制系统中，通过反电动势来估算电机转子位置。然而，在永磁同步电机起动阶段，由于电机静止无反电动势，则转子起始位置也无法估测，导致电机就不能顺利起动；当永磁同步电机低速运行时，反电动势值较小，则转子位置估计误差较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁同步电机高精度转子位置估计方法。该方法利用霍尔传感器与反电动势，可以准确获取电机转子位置，能减少永磁电机转矩脉动，实现可靠电机起动。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种永磁同步电机高精度转子位置估计方法，该方法包括如下步骤：

1)在电机转子位置未知的时候，旋转坐标系d-q的具体位置是不确定的，故采用坐标系ω-υ来表示电机绕组的电气方程；

2)计算电机转子的估算位置跟反电动势之间的关系；

3)将电角度的位置误差减至0，转换为坐标系ω-υ中ω轴的反电动势矢量为0；

4)根据电机转子转速校正公式，得到电机转子转速校正值；

5)算得电机转子在坐标系ω-υ中的角速度；

6)结合霍尔传感器获取的电机转子位置信号与反电动势及角速度之间的关系，算得电机转子的实际位置。

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1：d-q坐标系与ω-υ坐标系；

图2：基于反电动势的转子位置细分定位算法框图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图对本发明作进一步详述，该实施实例仅用于解释本方面，并不构成对本发明保护范围的限定。

1、在电机转子位置未知的时候，旋转坐标系d-q的具体位置是不确定的，故采用坐标系ω-υ来表示电机绕组的电气方程，表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_s\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{\ω}}=-R_s{i}_{\mathrm{\ω}}+p{L}_s{i}_{\mathrm{\υ}}{\mathrm{\Ω}}_s-e_{\mathrm{\ω}}+v_{\mathrm{\ω}}\\ L_s\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{\υ}}=-R_s{i}_{\mathrm{\υ}}+p{L}_s{i}_{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\Ω}}_s-e_{\mathrm{\υ}}+v_{\mathrm{\υ}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，v_ω、v_υ是坐标系ω-υ中定子电压分量，i_ω、i_υ是坐标系ω-υ中定子电流分量，

是坐标系ω-υ的机械角速度，e_ω、e_υ是定子在坐标系ω-υ中的反电动势。

2、在坐标系ω-υ中反电动势e_ω、e_υ的定义为：

其中，为转子位置误差，

为转子位置的估算值，θ为转子所在的位置；e＝K_fΩ是指反电动势，K_f是指电机极对数p与转子永磁体磁链的励磁磁链ψ_f的乘积值。

3、将电机转子的位置误差

减至0，也就是坐标系δ-γ中的δ轴的反电动势矢量为0。得到转子估算转速的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\widehat{e_{\mathrm{\ω}}}=v_{\mathrm{\ω}}-R_s\·i_{\mathrm{\ω}}+p\·L_s\·{\mathrm{\Ω}}_s\·i_{\mathrm{\υ}}\\ \widehat{e_{\mathrm{\υ}}}=v_{\mathrm{\υ}}-R_s\·i_{\mathrm{\υ}}+p\·L_s\·{\mathrm{\Ω}}_s\·i_{\mathrm{\ω}}\end{array}\right.---\left(11\right)$

其中，

为电机转子的估算转速，

为反电动势在ω轴方向的估算值，为反电动势在υ轴方向的估算值。

4、在如图2所示的基于反电动势的转子位置细分定位算法结构框图中，得到反电动势与转子转速校正值之间的关系为：

${\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{cor}}=-\frac{1}{K_f}\·(\widehat{e_{\mathrm{\ω}}}-e_{\mathrm{\ωref}})\·[1-\mathrm{sign}\left(\widehat{e_{\mathrm{\ω}}}\right)]\·\mathrm{sign}\left(\widehat{e_{\mathrm{\υ}}}\right)---\left(12\right)$

其中，Ω_cor为机械角速度的校正值，e_ωref为ω轴方向的电动势的参考值；sign()为符号函数，当括号内的数值大于0时，sign()取值为1，当括号内的数值为0时，sign()取值为0，当括号内的数值小于0时，sign()取值为-1。

5、电机转子在坐标系ω-υ下的转子角速度为：

${\mathrm{\Ω}}_s={\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{cor}}+\widehat{\mathrm{\Ω}}---\left(13\right)$

6、得到转子估算位置与反电动势、角速度之间的关系为：

其中，

是霍尔传感器获取的电机转子位置。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机高精度转子位置估计方法，其特征在于其包括步骤：

1)在电机转子位置未知的时候，旋转坐标系d-q的具体位置是不确定的，故采用坐标系ω-υ来表示电机绕组的电气方程，表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_s\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{\ω}}=-R_s{i}_{\mathrm{\ω}}+p{L}_s{i}_{\mathrm{\υ}}{\mathrm{\Ω}}_s-e_{\mathrm{\ω}}+v_{\mathrm{\ω}}\\ L_s\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{\υ}}=-R_s{i}_{\mathrm{\υ}}+p{L}_s{i}_{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\Ω}}_s-e_{\mathrm{\υ}}+v_{\mathrm{\υ}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，L_s是定子电容，R_s是指定子电阻，p是电机的极对数，v_ω、v_υ是坐标系ω-υ中定子电压分量，i_ω、i_υ是坐标系ω-υ中定子电流分量，

是坐标系ω-υ的机械角速度，e_ω、e_υ是定子在坐标系ω-υ中的反电动势。

2)在坐标系ω-υ中反电动势e_ω、e_υ的定义为：

其中，

为转子位置误差，

为转子位置的估算值，θ为转子所在的位置；e＝K_fΩ是指反电动势，K_f是指电机极对数p与转子永磁体磁链的励磁磁链ψ_f的乘积值。

3)将电机转子的位置误差减至0，也就是坐标系ω-υ中的ω轴的反电动势矢量为0。得到电机转子估算转速为：

$\left\{\begin{array}{c}\widehat{e_{\mathrm{\ω}}}=v_{\mathrm{\ω}}-R_s\·i_{\mathrm{\ω}}+p\·L_s\·{\mathrm{\Ω}}_s\·i_{\mathrm{\υ}}\\ \widehat{e_{\mathrm{\υ}}}=v_{\mathrm{\υ}}-R_s\·i_{\mathrm{\υ}}+p\·L_s\·{\mathrm{\Ω}}_s\·i_{\mathrm{\ω}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，

为电机转子的估算转速，为反电动势在ω轴方向的估算值，

为反电动势在υ轴方向的估算值。

4)电机转子转速校正值为：

${\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{cor}}=-\frac{1}{K_f}\·(\widehat{e_{\mathrm{\ω}}}-e_{\mathrm{\ωref}})\·[1-\mathrm{sign}\left(\widehat{e_{\mathrm{\ω}}}\right)]\·\mathrm{sign}\left(\widehat{e_{\mathrm{\υ}}}\right)---\left(5\right)$

其中，Ω_cor为机械角速度的校正值，e_ωref为ω轴方向的电动势的参考值；sign()为符号函数，当括号内的数值大于0时，sign()取值为1，当括号内的数值为0时，sign()取值为0，当括号内的数值小于0时，sign()取值为-1。

5)电机转子在坐标系ω-υ下的角速度为：

${\mathrm{\Ω}}_s={\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{cor}}+\widehat{\mathrm{\Ω}}---\left(6\right)$

6)得到转子估算位置与反电动势、角速度之间的关系为：

其中，

是霍尔传感器获取的电机转子位置。

2.根据权利1所述的一种永磁同步电机高精度转子位置估计方法，其特征在于：减少转子位置误差的思想转变为减少ω-υ坐标系与d-q坐标之间的角度误差。

3.根据权利1所述的一种永磁同步电机高精度转子位置估计方法，其特征在于：将电角度的位置误差

减至0，也就是坐标系ω-υ中的ω轴的反电动势矢量为0。同时结合霍尔传感器获取的电机转子位置与反电动势及角速度之间的关系来高精度地估计电机转子位置。

Images