CN103427746B - 一种面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，首先在两相旋转估计坐标系的轴上注入脉振高频电压信号，注入角度在360°电角度范围内进行扫描，根据轴高频反馈实现初始位置识别；其次根据轴高频反馈电流完成位置实时跟踪；然后分别利用脉振高频注入法和滑模观测器法实现中高速和低速范围无位置传感器控制，并根据指令速度和实际速度实时选择控制方法，从而实现全速范围无位置传感器控制。由于两种控制方法相辅相成，因此控制性能较单独使用时有所提升，同时摆脱了滑模观测器法对电机参数的依赖，解决了高频注入法对原有控制及滑模观测器的影响，提出了完善的面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制策略。

Description

一种面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机矢量控制领域，具体涉及一种面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法。

背景技术

永磁同步电机因为其较高的功率因数和突出的带载能力而得到越来越广泛的应用，其发展方向也由普通中小型向微型化和大功率化转变。作为位置检测元件的光电编码器是永磁同步电机精确控制的常规配置，但编码器的存在增加了电机与其控制系统之间的连线及接口电路，使系统容易受到干扰，影响整个系统的可靠性，限定了永磁同步电机的应用范围；另外，精度越高的编码器价格越昂贵，提高了永磁同步电机的成本。由于上述原因，一些学者近年来开始研究舍弃编码器的永磁同步电机无位置传感器控制方法。

无位置传感器控制的方法按照其可以运用的转速范围可以分为两大类，一类是是适用于中高速范围的反电动势法，主要包括滑模观测器法、扩展卡尔曼滤波法、模型参考自适应等，它们共同的特点是依赖反电动势的幅值，当电机转速较低时，反电动势很小，反电动势法的效果就会下降，因此只适用于中速及高速的场合。

为了解决电机起动及低速运行问题，近些年出现了一类新的无位置传感器控制方法，即高频注入法。它是通过向电机的电枢绕组中注入高频电压信号，提取受到电机凸极的调制作用的定子电流信号，通过对高频载波信号进行解调从而提取转子的磁极位置和转速信息。目前，高频注入法主要分为旋转高频注入法和脉振高频注入法。针对凸极效应不明显的面贴式永磁同步电机，只能采用脉振高频注入法。

但是，脉振高频注入法算法复杂、信号处理难度大，对硬件处理能力要求高，因此较难实现。而且，当转速升至中高速范围内时，由于滤波器产生的位置和转速的延迟将会影响速度控制的动态性能，可能出现跟踪失败的情况，死区效应的影响也会使估计精度下降，另外DSP运算过程中产生的截断误差产生的影响也将凸显迟来。因此，应用脉振高频电压注入法只能实现零速及低速范围内的无位置传感器控制，无法将其应用到中高速的范围。

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明提供了一种面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，解决面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制的问题。

为达到以上目的，本发明的技术方案为：

包括以下步骤：

(1)在电机静止时，向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入脉振高频电压信号在轴上不注入信号，其中，U_dh为注入脉振高频电压幅值，ω_h为注入脉振高频电压角频率，注入角度在360°电角度范围内进行扫描，根据两相旋转估计坐标系下轴的高频反馈电流幅值曲线和定子铁心的非线性磁化特性，获取电机转子的初始位置；

(2)在电机转动时，向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入脉振高频电压信号在轴上不注入信号，获取轴上的高频反馈电流信号，对所述高频反馈电流信号进行处理，获取与角度估计误差成线性比例关系的数值，根据电机转子的初始位置和所述数值，估计电机转子的实时角度，并根据实时角度计算实时转速；

(3)对电机同时运行滑模观测器法和脉振高频注入法进行无位置传感器控制，监测实时速度是否高于设定的临界转速，若是，执行步骤(4)，否则，执行步骤(6)，其中，所述临界转速在脉振高频注入法与滑模观测器法控制下的电机转子转速范围的重叠区域选取；

(4)监测实际速度是否高于设定的失控转速，若是，执行步骤(5)，否则，执行步骤(6)，其中，所述失控转速是指滑模观测器法的失控转速；

(5)从脉振高频注入法切换到滑模观测器法进行中高速下的无位置传感器控制，脉振高频注入法仍然运行，辅助进行速度监测，然后，周期性的执行步骤(3)，直到电机停止；

(6)利用脉振高频注入法进行低速下的无位置传感器控制，滑模观测器法仍然运行，辅助进行速度监测；周期性的执行步骤(3)，直到电机停止。

所述步骤(1)中，转子初始位置识别的具体步骤包括：

(1-1)向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入等频率电压信号，并调整注入等频率电压信号的注入电压幅值，获取估计坐标系下轴等频率反馈电流信号，绘制等频率反馈电流幅值曲线，在电机转子不动的前提下，根据等频率反馈电流幅值曲线选取凸极效应最明显的注入电压幅值；

(1-2)向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入等幅值电压信号，并调整注入等幅值电压信号的注入电压频率，获取估计坐标系下轴等幅值反馈电流信号，绘制等幅值反馈电流频率曲线，根据等幅值反馈电流频率曲线选择凸极效应最明显且噪声小的注入电压频率；其中，所述等幅值电压信号的幅值为步骤(1-1)中所获取的凸极效应最明显的注入电压频率；

(1-3)根据步骤(1-1)和步骤(1-2)中确定的注入电压幅值和注入电压频率，向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上进行脉振高频电压注入，注入角度在360°电角度范围内扫描，获取估计坐标系下轴的高频反馈电流信号，绘制高频反馈电流幅值曲线，并根据高频反馈电流幅值曲线获取峰值最大的峰值位置；

(1-4)在提取到的峰值位置及与其相差180°的电角度的位置先后注入两个恒定的脉冲电压矢量，根据估计坐标系下的电流响应确定磁极方向，并根据磁极方向确定出转子初始位置。

对所述高频反馈电流信号进行处理具体包括：

将估计坐标系下轴高频反馈电流为：

${\tilde{i}}_{qh}=\frac{U_{dh}sin2{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r}{2{\mathrm{\ω}}_h^2{L}_{dh}{L}_{qh}}\[r_{diff}{\mathrm{cos\ω}}_{h}t-L_{diff}{\mathrm{sin\ω}}_{h}t\]$

其中，r_diff为d、q轴电阻差值，L_diff为d、q轴电感差值；

在上式两端同乘以sinω_ht，并经低通滤波后得到：

$i_{{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r}=LPF\left({\tilde{i}}_{qsh}{\mathrm{sin\ω}}_{h}t\right)=-\frac{U_{dh}{L}_{diff}}{4{\mathrm{\ω}}_h{L}_{dh}{L}_{qh}}sin2{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r$

其中，为自定义参数；

当电机转过的角度都趋于无穷小时，所述高频反馈电流信号与角度估计误差成线性比例关系，即

$i_{{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r}\≈-\frac{U_{dh}{L}_{diff}}{2{\mathrm{\ω}}_h{L}_{dh}{L}_{qh}}{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r=K_{err}{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r$

其中，K_err为数值。

所述步骤(5)中，从脉振高频注入法控制切换到滑模观测器法控制的具体包括：

(5-1)脉振高频注入法始终运行，辅助进行速度监测；

(5-2)切换前，利用脉振高频注入法对滑模观测器法的估计结果进行修正，以消除其稳态误差；

(5-3)切换时的切换位置和电机转子转速均采用逐渐过渡的方式。

与现有技术比较，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，由于将滑模观测器法和脉振高频注入法进行无位置传感器控制相结合，使得两种控制方法相辅相成，因此控制性能较单独使用时有所提升，同时摆脱了滑模观测器法对电机参数的依赖。解决了脉振高频注入法对原有控制及滑模观测器的影响，通过结合两类不同转速范围的控制方法，提出了完善的面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制策略。

附图说明

图1是本发明面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法流程框图；

图2是本发明面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法电机转子初始位置识别过程流程图；

图3是本发明面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法中运角度修正更新过程；

图4是本发明面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法中初始位置识别及位置跟踪结果图，其中，a为初始位置识别中电角度曲线图，4b为位置跟踪中估计电角度曲线图；

图5是本发明面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法中低速控制性能结果，其中，a为反馈电流的实际电角度曲线图，b为电机转子转速曲线图；

图6是本发明面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法中全速控制性能曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

一种面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，包括以下步骤，参见图1所示：

(1)在电机静止时，向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入脉振高频电压信号在轴上不注入信号，其中，U_dh为注入脉振高频电压幅值，ω_h为注入脉振高频电压角频率，注入角度在360°电角度范围内进行扫描，根据两相旋转估计坐标系下轴的高频反馈电流幅值曲线和定子铁心的非线性磁化特性，获取电机转子的初始位置。具体内容包括参见图2所示：

(1-1)向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入等频率电压信号，并调整注入等频率电压信号的注入电压幅值，获取估计坐标系下轴等频率反馈电流信号，绘制等频率反馈电流幅值曲线，在电机转子不动的前提下，根据等频率反馈电流幅值曲线选取凸极效应最明显的注入电压幅值；

(1-2)向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入等幅值电压信号，并调整注入等幅值电压信号的注入电压频率，获取估计坐标系下轴等幅值反馈电流信号，绘制等幅值反馈电流频率曲线，根据等幅值反馈电流频率曲线选择凸极效应最明显且噪声小的注入电压频率；其中，所述等幅值电压信号的幅值为步骤(1-1)中所获取的凸极效应最明显的注入电压频率；

(1-3)根据步骤(1-1)和步骤(1-2)中确定的注入电压幅值和注入电压频率，向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上进行脉振高频电压注入，注入角度在360°电角度范围内扫描，获取估计坐标系下轴的高频反馈电流信号，绘制高频反馈电流幅值曲线，并根据高频反馈电流幅值曲线获取峰值最大的峰值位置；

(1-4)在提取到的峰值位置及与其相差180°的电角度的位置先后注入两个恒定的脉冲电压矢量，根据估计坐标系下的电流响应确定磁极方向，并根据磁极方向确定出转子初始位置。

(1-5)锁定SVPWM计算模块和速度环PI控制器，以避免起动瞬间电流环与速度环发生振荡。

脉振高频电压注入时，估计坐标系下的高频电流响应为

$\left\{\begin{array}{c}{\tilde{i}}_{dh}=\frac{U_{dh}{\mathrm{cos\ω}}_{h}t}{z_{dh}{z}_{qh}}(z_{avg}-\frac{1}{2}{z}_{diff}cos2{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r)\\ {\tilde{i}}_{qh}=\frac{U_{dh}{\mathrm{cos\ω}}_{h}t}{z_{dh}{z}_{qh}}(-\frac{1}{2}{z}_{diff}\sin 2{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r)\end{array}\right.$

其中，z_dh和z_qh分别为d、q轴高频阻抗，Z_avg＝(Z_dh+Z_qh)/2，z_diff＝z_dh-z_qh，为角度估计误差。

由于存在直流偏置，因此用于转子初始位置识别。

为应用脉振高频注入法进行转子初始位置识别的流程图，由于进行了凸极特性验证，注入电压幅值、频率选择，注入角度扫描方式优化，因此提高了识别精度并削弱了注入过程的不利影响，可以针对任意面贴式永磁同步电机进行有效的转子初始位置识别。

(2)在电机转动时，向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入脉振高频电压信号在轴上不注入信号，获取轴上的高频反馈电流信号，对所述高频反馈电流信号进行处理，获取与角度估计误差成线性比例关系的数值，根据电机转子的初始位置和所述数值，估计电机转子的实时角度，并根据实时角度计算实时转速。具体内容包括：

(A)位置跟踪根据所提取的量通过bang-bang控制实现；

(B)增加带通与带阻滤波器，实现高频注入信号与正常低频信号的隔离；

(C)起动过程根据指令速度逐渐加速；

(D)起动一段时间后，启用滑模观测器法，增加带阻滤波器，滤除滑模观测器输入中的高频成分。滑模观测器的估计位置和转速将逐渐趋于平稳。

估计坐标系下轴高频反馈电流可以表示为如下形式

${\tilde{i}}_{qh}=\frac{U_{dh}sin2{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r}{2{\mathrm{\ω}}_h^2{L}_{dh}{L}_{qh}}\[r_{diff}{\mathrm{cos\ω}}_{h}t-{\mathrm{\ω}}_h{L}_{diff}{\mathrm{sin\ω}}_{h}t\]$

其中，r_diff为d、q轴电阻差值，L_diff为d、q轴电感差值。

两端同乘以sinω_ht，并经低通滤波，可以得到与位置估计误差两倍的正弦成正比的一个数值

$i_{{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r}=LPF\left({\tilde{i}}_{qsh}{\mathrm{sin\ω}}_{h}t\right)=-\frac{U_{dh}{L}_{diff}}{4{\mathrm{\ω}}_h{L}_{dh}{L}_{qh}}sin2{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r$

在实时估计过程中，任何两个控制周期之间，电机转过的角度都是一个小值，因此可以近似地认为上面得到的数值与角度估计误差成正比，即

$i_{{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r}\≈-\frac{U_{dh}{L}_{diff}}{2{\mathrm{\ω}}_h{L}_{dh}{L}_{qh}}{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r=K_{err}{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r$

参见图3所示，引入一个bang-bang控制，使上值趋于零，就可以使角度估计误差趋于零，从而实现位置的实时跟踪。

为了避免高频注入对电机正常起动过程以及滑模观测器的影响，因此需要特别注意频带隔离。为了提高滤波效果，滤波器采用高阶带通、带阻滤波器，滤波频率为注入频率及其二倍频。滤波对象包括Clarke、Park、Ipark变换的输入输出以及滑模观测器的输入。

(3)对电机同时运行滑模观测器法和脉振高频注入法进行无位置传感器控制，监测实时速度是否高于设定的临界转速，若是，执行步骤(4)，否则，执行步骤(6)，其中，所述临界转速在脉振高频注入法与滑模观测器法控制下的电机转子转速范围的重叠区域选取。

高频注入法及滑模观测器法的可控范围存在重叠区域，因此临界转速在重叠区域选取。由于滑模观测器法低速控制性能相对高频注入法较差，因此临界转速偏向高频注入法的控制上限。针对实验测试电机，其额定转速为2500rpm，临界转速选为200rpm。

(4)监测实际速度是否高于设定的失控转速，若是，执行步骤(5)，否则，执行步骤(6)，其中，失控转速是指滑模观测器法的失控转速；

由于滑模观测器法的转速估计值存在偏差及波动，因此转速越低偏差及波动越明显。针对实验测试电机，实验表明，在50rpm以下基于滑模观测器法的无位置传感器控制效果很差，因此选择50rpm为滑模观测器法的失控转速，作为基于滑模观测器法控制切换到基于高频注入法控制的判定标准。

(5)从脉振高频注入法切换到滑模观测器法进行中高速下的无位置传感器控制，脉振高频注入法仍然运行，辅助进行速度监测，然后，周期性的执行步骤(3)，直到电机停止。具体内容包括：

(5-1)为了避免突加负载使转速降至失控范围以下无法及时切换，高频注入法始终运行，辅助进行速度监测；

(5-2)切换前，利用高频注入法对滑模观测器法的估计结果进行修正，以消除其稳态误差；

(5-3)为了避免切换控制策略引起电机速度环振荡，切换时位置和转速均采用逐渐过渡的方式。

由于滑模观测器法的转速估计结果存在一定的偏差和波动，相比之下，高频注入法的估计结果比较准确，因此在可控范围重叠区域应用高频注入法对滑模观测器法的稳态误差进行修正，可以有效提高滑模观测器法的控制精度。

此外，应用高频注入法对滑模观测器法进行修正，可以消除滑模观测器法对电机参数的依赖和敏感，是滑模观测器法可以直接应用于任意电机。

(6)利用脉振高频注入法进行低速下的无位置传感器控制，滑模观测器法仍然运行，辅助进行速度监测；周期性的执行步骤(3)，直到电机停止。

在位置跟踪程序中，使用的bang-bang控制如下所示：

${\mathrm{\&theta;}}_{err}=\left\{\begin{array}{cc}kw& i_{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}>E_0\\ -kw& i_{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}<-E_0\\ kw\&CenterDot;i_{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}/E_0& -E_0<i_{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}<E_0\end{array}\right.$

其中，E₀为bang-bang控制阈值，kw为bang-bang控制量。E₀和kw的选取直接影响了位置跟踪动态性能。在实际程序中，kw的值应当根据上一周期的速度进行调整，而阈值E₀影响了位置值的波动特性。

位置跟踪性能的好坏直接影响了低速控制性能的好坏。图4a所示为将E₀和kw调整至最佳状态后的初始位置识别中电角度曲线图，图4b为位置跟踪中估计电角度曲线图；参见图5a所示为起动及低速控制时，反馈电流的实际电角度曲线图，图5b为实时监测的电机转子转速曲线图，参见图6所示，为对实验电机在全速范围内进行无位置传感器控制的曲线图。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在电机静止时，向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入脉振高频电压信号在轴上不注入信号，其中，U_dh为注入脉振高频电压幅值，ω_h为注入脉振高频电压角频率，t为时间，注入角度在360°电角度范围内进行扫描，根据两相旋转估计坐标系下轴的高频反馈电流幅值曲线和定子铁心的非线性磁化特性，获取电机转子的初始位置；

(2)在电机转动时，向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入脉振高频电压信号在轴上不注入信号，获取轴上的高频反馈电流信号，对所述高频反馈电流信号进行处理，获取与角度估计误差成线性比例关系的数值，根据电机转子的初始位置和所述数值，估计电机转子的实时角度，并根据实时角度计算实时转速；

(3)对电机同时运行滑模观测器法和脉振高频注入法进行无位置传感器控制，监测实时速度是否高于设定的临界转速，若是，执行步骤(4)，否则，执行步骤(6)，其中，所述临界转速在脉振高频注入法与滑模观测器法控制下的电机转子转速范围的重叠区域选取；

(4)监测实际速度是否高于设定的失控转速，若是，执行步骤(5)，否则，执行步骤(6)，其中，所述失控转速是指滑模观测器法的失控转速；

(5)从脉振高频注入法切换到滑模观测器法进行中高速下的无位置传感器控制，脉振高频注入法仍然运行，辅助进行速度监测，然后，周期性的执行步骤(3)，直到电机停止；

(6)利用脉振高频注入法进行低速下的无位置传感器控制，滑模观测器法仍然运行，辅助进行速度监测；周期性的执行步骤(3)，直到电机停止；

所述步骤(1)中，转子初始位置识别的具体步骤包括：

(1-1)向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入等频率电压信号，并调整注入等频率电压信号的注入电压幅值，获取估计坐标系下轴等频率反馈电流信号，绘制等频率反馈电流幅值曲线，在电机转子不动的前提下，根据等频率反馈电流幅值曲线选取凸极效应最明显的注入电压幅值；

(1-2)向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入等幅值电压信号，并调整注入等幅值电压信号的注入电压频率，获取估计坐标系轴等幅值反馈电流信号，绘制等幅值反馈电流频率曲线，根据等幅值反馈电流频率曲线选择凸极效应最明显且噪声小的注入电压频率；其中，所述等幅值电压信号的幅值为步骤(1-1)中所获取的凸极效应最明显的注入电压频率；

(1-3)根据步骤(1-1)和步骤(1-2)中确定的注入电压幅值和注入电压频率，向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上进行脉振高频电压注入，注入角度在360°电角度范围内扫描，获取估计坐标系下轴的高频反馈电流信号，绘制高频反馈电流幅值曲线，并根据高频反馈电流幅值曲线获取峰值最大的峰值位置；

(1-4)在提取到的峰值位置及与其相差180°的电角度的位置先后注入两个恒定的脉冲电压矢量，根据估计坐标系下的电流响应确定磁极方向，并根据磁极方向确定出转子初始位置。

2.根据权利要求1所述的面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，其特征在于，对所述高频反馈电流信号进行处理具体包括：

估计坐标系下轴高频反馈电流为：

${\tilde{i}}_{qh}=\frac{U_{dh}\sin 2{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_r}{2{\mathrm{\&omega;}}_h^2{L}_{dh}{L}_{qh}}\&lsqb;r_{diff}{\mathrm{cos\&omega;}}_{h}t-{\mathrm{\&omega;}}_h{L}_{diff}{\mathrm{sin\&omega;}}_{h}t\&rsqb;$

其中，r_diff为d、q轴电阻差值，L_diff为d、q轴电感差值；为角度估计误差；

在上式两端同乘以sinω_ht，并经低通滤波后得到：

$i_{{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_r}=LPF\left({\tilde{i}}_{qh}{\mathrm{sin\&omega;}}_{h}t\right)=-\frac{U_{dh}{L}_{diff}}{4{\mathrm{\&omega;}}_h{L}_{dh}{L}_{qh}}sin2{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_r,$ 其中为自定义参数；

当电机转过的角度都趋于无穷小时，与角度估计误差成线性比例关系，即

$i_{{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_r}\&ap;-\frac{U_{dh}{L}_{diff}}{2{\mathrm{\&omega;}}_h{L}_{dh}{L}_{qh}}{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_r=K_{err}{\widehat{\mathrm{\&theta;}}}_r$

其中，K_err为数值。

3.根据权利要求1所述的面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中，从脉振高频注入法控制切换到滑模观测器法控制的具体包括：

(5-1)脉振高频注入法始终运行，辅助进行速度监测；

(5-2)切换前，利用脉振高频注入法对滑模观测器法的估计结果进行修正，以消除其稳态误差；

(5-3)切换时的切换位置和电机转子转速均采用逐渐过渡的方式。