CN103326658A - 一种内置式永磁同步电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置式永磁同步电机无位置传感器控制方法。所述控制方法使用旋转高频注入方法，计算得到相电感；利用相电感对称性以及交变性，对所得相电感两两求差，得到相电感之差以消除相电感之中直流分量；通过对相电感之差作迭代求和计算，理论上可得到一系列无限细分的电感；通过对所得细分电感简单比较运算，根据具有最大幅值的电感项判定得到当前转子位置；根据转子位置、估算速度和三相低频电流，以矢量控制方式驱动电机运转。本发明中转子位置估算过程不需要坐标变换及凸极追踪算法，具有简单可靠的控制结构，易于工程实现。

Description

一种内置式永磁同步电机无位置传感器控制方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，尤其是涉及一种内置式永磁同步电机无位置传感器控制方法。

背景技术

永磁同步电机在使用矢量控制等高性能控制策略时，需要得到实时转子位置。转子位置一般利用光电编码器、旋转变压器等位置传感器得到，这些装置的使用增加了电机驱动系统机构复杂性和成本，同时降低了系统可靠性。

永磁同步电机无位置传感器控制方法主要有高频注入法、反电势法、卡尔曼滤波法等，其中高频注入法是解决永磁同步电机无位置传感器启动的最有效方法之一。高频注入法的核心思想是利用注入的高频电压(电流)信号检测电机凸极所在位置，从而间接得到转子位置。内置式永磁同步电机由于自身的凸极性，在使用高频注入法时具有天然优势。当前高频注入法大多数采用在电机直轴方向输入高频信号的方法。但该类方法涉及大量坐标变换以及凸极追踪算法环节，结构复杂，计算繁琐，实现困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,提出了一种内置式永磁同步电机无位置传感器控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种内置式永磁同步电机无位置传感器控制方法，包括如下步骤：

步骤A，生成高频电压信号，

高频电压信号模块生成高频电压信号：

u_hfα=U_ampcos(ω_hft)，u_hfβ=U_ampsin(ω_hft)

其中ω_hf=2πf_hf，ω_hf是高频电压信号角频率，f_hf是高频电压信号频率，U_amp是高频电压信号幅值；t为时间；u_hfα是高频电压信号α,β定子静止坐标系中α轴方向的值，u_hfβ是高频电压信号α,β定子静止坐标系中β轴方向的值；

步骤B，高频电压信号注入；

将高频电压信号u_hfα注入α轴，u_hfβ注入β轴；

步骤C，高频电流信号检测；

利用电流传感器得到电机三相电流信号分别为i_a、i_b、i_c，其中包含电机正常运行时的低频电流信号和由注入高频电压信号引起的高频电流信号；分别利用带通滤波方法得到三相电流信号i_a、i_b、i_c中具有注入频率的高频电流信号，再通过低通滤波方法取得该高频电流信号的包络线值I_ah、I_bh、I_ch；同时将三相电流信号i_a、i_b、i_c通过低通滤波方法滤除高频电流信号得到电机正常运行的低频电流信号i_lfa、i_lfb、i_lfc；

步骤D，相电感计算；

利用已知高频电压信号电压幅值U_amp和三相高频电流信号包络线值I_ah、I_bh、I_ch分别求商，得到三相绕组相电感瞬时值l_a、l_b、l_c；

步骤E，相电感之差迭代计算；

对相电感瞬时值l_a、l_b、l_c两两求差，得到相电感之差瞬时值l_ab、l_bc、l_ca，相电感之差以空间矢量形式表示为L_ab、L_bc、L_ca；对L_ab、L_bc、L_ca相邻电感矢量两两求和并除以衰减系数1，得到电感矢量L_ac、L_ba、L_cb，此时共得到6个等幅值电感矢量，分别是L_ab、L_ac、L_bc、L_ba、L_ca、L_cb；对L_ab、L_ac、L_bc、L_ba、L_ca、L_cb相邻电感矢量两两求和并除以衰减系数

共得到12个等幅值电感矢量，分别是L_ba、L_caba、L_ca、L_cbca、L_cb、L_abcb、L_ab、L_acab、L_ac、L_bcac、L_bc、L_babc；经k次两两相邻电感矢量求和运算，得到3*2^k个电感矢量，每次求和处理得到结果除以衰减系数2cos(60°/2^k-1)以保持电感矢量幅值恒定；其中k为大于等于1的正整数；

步骤F，转子位置区间确定；

根据步骤E得到的电感矢量，判断电机转子所在位置区间，进而得到位置信号，所得位置信号分辨率为(60/2^k)°电角度；

步骤G，驱动电机运转；

根据步骤F所得电机转子位置信号，控制电机运转。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种内置式永磁同步电机无位置传感器控制方法。所述方法采用向电机三相绕组注入旋转高频电压或电流信号的方法，计算得到相电感；利用相电感对称性以及交变性，对所得相电感两两求差，并对所得相电感的差以矢量形式作迭代求和运算，得到细分的电感矢量；通过对该所有电感矢量的瞬时幅值进行比较，得到电机转子位置信号，并依此控制电机运转。本发明方法中电机转子位置获得过程不需要坐标变换以及凸极追踪运算，简单、可靠。

附图说明

图1是系统整体结构图。

图2是相电流信号滤波示意图。

图3是相电感与转子位置对应关系示意图。

图4是初始时相电感之差矢量示意图。

图5是k=1时电感矢量示意图。

图6是k=2时电感矢量示意图。

图7是细分电感与转子位置对应关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明提出的一种内置式永磁同步电机无位置传感器控制方法进行详细说明：

如图1所示的一种内置式永磁同步电机无位置传感器控制方法结构图，图中αβ表示定子静止坐标系，dq表示转子旋转坐标系，n^*、n分别表示给定、反馈转速信号，

分别表示直、交轴给定电流信号，i_d、i_q分别表示直、交轴反馈电流信号，u_d、u_q分别表示直、交轴输出电压信号，u_hfα、u_hfβ分别表示在α、β轴注入的高频电压信号，i_a、i_b、i_c分别表示三相绕组电流，I_ah、I_bh、I_ch分别表示经滤波得到的三相高频相电流的幅值信号，i_lfa、i_lfb、i_lfc分别表示经滤波得到的三相低频电流信号。

本发明一种内置式永磁同步电机无位置传感器控制方法的实现步骤如下：

(1)利用矢量控制模块中的旋转高频电压信号单元发出高频电压信号u_hfα和u_hfβ，分别与矢量控制输出的电压信号u_α和u_β相加，再使用空间矢量调制环节和功率模块，将所发电压施加于电机，其中

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{hf\α}}=U_{\mathrm{amp}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{hf}}\right)\\ u_{\mathrm{hf\β}}=U_{\mathrm{amp}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{hf}}\right)\end{array}\right.$

ω_hf=2πf_hf，ω_hf是高频信号角频率，f_hf是高频信号频率，U_amp是高频信号幅值。

(2)使用电流传感器采样得到三相绕组相电流信号i_a、i_b、i_c，该相电流信号包含：由注入的高频电压引起的高频电流信号，以及电机正常运行的低频电流信号。为区分其中高频电流信号和低频电流信号，如图2所示，分别使用带通滤波方法得到注入频率的高频电流信号，再利用低通滤波方法得到三相绕组高频相电流的包络线值I_ah、I_bh、I_ch；使用低通滤波方法滤除高频电流分量得到三相绕组低频电流信号i_lfa、i_lfb、i_lfc。

(3)利用高频电压幅值U_amp和高频相电流的包络线值I_ah、I_bh、I_ch，根据

$\left\{\begin{array}{c}{l}_a=U_{\mathrm{amp}}/\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{hf}}{I}_{\mathrm{ah}}\right)\\ l_b=U_{\mathrm{amp}}/\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{hf}}{I}_{\mathrm{bh}}\right)\\ l_c=U_{\mathrm{amp}}/\left({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{hf}}{I}_{\mathrm{ch}}\right)\end{array}\right.$

计算得到三相绕组相电感瞬时值l_a、l_b、l_c。以A相轴线为0位置，理想相电感随电机转子位置变化波形如图3所示，为消除相电感中存在的直流分量，对相电感两两求差，得到相电感之差瞬时值l_ab、l_bc、l_ca，

$\left\{\begin{array}{c}{l}_{\mathrm{ab}}=l_a-l_b\\ l_{\mathrm{bc}}=l_b-l_a\\ l_{\mathrm{ca}}=l_c-l_a\end{array}\right.$

由于相电感之差瞬时值在空间上随转子位置对称正弦变化，因此相电感之差以空间矢量形式可表示为L_ab、L_bc、L_ca，如图4所示。

(4)根据迭代规律：初始电感为相电感之差矢量L_ab、L_bc、L_ca，电感矢量个数为3，经k次两两相邻电感矢量求和运算，得到3*2^k个电感矢量，每次求和处理得到结果除以衰减系数(2*cos(60°/2^n-1))以保持电感矢量幅值恒定，其中k是大于等于1的正整数。如图5所示，k=1时，对所得相电感之差矢量两两相邻求和，即

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{ac}}=L_{\mathrm{ab}}+L_{\mathrm{bc}}\\ L_{\mathrm{ba}}=L_{\mathrm{bc}}+L_{\mathrm{ca}}\\ L_{\mathrm{cb}}=L_{\mathrm{ca}}+L_{\mathrm{ab}}\end{array}\right.$

并除以衰减系数1，共得到平均分布的6个电感矢量L_ab、L_bc、L_ca、L_ac、L_ba、L_cb，具有相同幅值。k=2时，对已有电感矢量两两相邻求和，即

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{\mathrm{acab}}=L_{\mathrm{ac}}+L_{\mathrm{ab}}\\ L_{\mathrm{bcac}}=L_{\mathrm{bc}}+L_{\mathrm{ac}}\\ L_{\mathrm{babc}}=L_{\mathrm{ba}}+L_{\mathrm{bc}}\\ L_{\mathrm{caba}}=L_{\mathrm{ca}}+L_{\mathrm{ba}}\\ L_{\mathrm{cbca}}=L_{\mathrm{cb}}+L_{\mathrm{ca}}\\ L_{\mathrm{abcb}}=L_{\mathrm{ab}}+L_{\mathrm{cb}}\end{array}\right.$

并除以衰减系数

共得到如图6所示的12个等幅均分电感矢量L_ba、L_caba、L_ca、L_cbca、L_cb、L_abcb、L_ab、L_acab、L_ac、L_bcac、L_bc、L_babc。依此规律，理论上可对电感矢量无限扩展细分。

(5)如图7所示，以波形表示上述k=2时的12个电感矢量，可见该12个电感将电机180°电角度空间12等分，根据下表

通过比较电感大小，根据具有最大数值的电感项可判断得到电机转子当前所处位置区间，即得到位置信号，所得位置信号分辨率为(60/2^k)°，k=2时，位置分辨率为15°。

根据图3，由于电感的变化频率是位置变化频率的2倍，因此需要结合常规初始磁极判断方法，在电机启动之前确定电机当前所处磁极位置。

(6)根据步骤(5)所得转子位置θ，利用位置变化量Δθ和时间间隔Δt估算实际电机速度n，即

$n=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{6\mathrm{\Δt}}$

根据已知转子位置θ、电机速度n及低频电流信号i_lfa、i_lfb、i_lfc，按照常规矢量控制方法，利用转速、交轴电流、直轴电流PI闭环调节，控制电机运转。

Claims (1)

1.一种内置式永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A，生成高频电压信号，

高频电压信号模块生成高频电压信号：

u_hfα=U_ampcos(ω_hft)，u_hfβ=U_ampsin(ω_hft)

其中ω_hf=2πf_hf，ω_hf是高频电压信号角频率，f_hf是高频电压信号频率，U_amp是高频电压信号幅值；t为时间；u_hfα是高频电压信号定子静止坐标系中α轴方向的值，u_hfβ是高频电压信号定子静止坐标系中β轴方向的值；

步骤B，高频电压信号注入；

将高频电压信号u_hfα注入α轴，u_hfβ注入β轴；

步骤C，高频电流信号检测；

利用电流传感器得到电机三相电流信号分别为i_a、i_b、i_c，其中包含电机正常运行时的低频电流信号和由注入高频电压信号引起的高频电流信号；分别利用带通滤波方法得到三相电流信号i_a、i_b、i_c中注入频率的高频电流信号，再通过低通滤波方法取得该高频电流信号的包络线值I_ah、I_bh、I_ch；同时将三相电流信号i_a、i_b、i_c通过低通滤波方法滤除高频电流信号得到电机正常运行的低频电流信号i_lfa、i_lfb、i_lfc；

步骤D，相电感计算；

利用已知高频电压信号电压幅值U_amp和三相高频电流信号包络线值I_ah、I_bh、I_ch分别求商，得到三相绕组相电感瞬时值l_a、l_b、l_c；

步骤E，相电感之差迭代计算；

对相电感瞬时值l_a、l_b、l_c两两求差，得到相电感瞬时值之差l_ab、l_bc、l_ca，相电感瞬时值之差以空间矢量形式表示为L_ab、L_bc、L_ca；

迭代过程如下：初始电感为相电感瞬时值之差矢量L_ab、L_bc、L_ca，电感矢量个数为3；经k次两两相邻电感矢量求和运算，得到3*2^k个电感矢量，每次求和运算得到的值除以衰减系数2cos(60°/2^k-1)，以保持电感矢量幅值恒定；其中k为大于等于1的正整数；

步骤F，转子位置区间确定；

根据步骤E得到的电感矢量，判断电机转子所在位置区间，进而得到位置信号，所得位置信号分辨率为(60/2^k)°电角度；

步骤G，驱动电机运转；

根据步骤F所得电机转子位置信号，控制电机运转。

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