CN104135198A - 永磁同步马达的转子角度估测方法 - Google Patents

Abstract

本发明有关于一种永磁同步马达的转子角度估测方法，尤指一种注入高频方波讯号以无感测器方式估测转子角度之方法，其预估一转子角度以对应取得转子的一直轴与一交轴之预估位置，注入一高频的方波讯号至预估的直轴上，在预估的交轴上连续取样交轴电流，比较前后三次取样时间之交轴电流计算出两笔电流差量，利用这两笔电流差量计算出一误差角度，将误差角度加上原本预估的转子角度即可估测出一实际的转子角度，之后使用估测出的转子角度取代原预估的转子角度，以进行下一次转子角度估测程序。

Description

永磁同步马达的转子角度估测方法

【技术领域】

本发明有关于一种永磁同步马达的转子角度估测方法，尤指一种注入高频方波讯号以估测永磁同步马达的转子角度之方法。

【背景技术】

在永磁同步马达的控制上，为了达到良好的直接扭力向量控制效果，必须随时侦测马达转子与定子的相对位置。基于成本及环境的考量，在许多应用上并不适合安装用以侦测转子位置角度的感测器，如光学编码器、黑尔感测器、解角器等。故，需使用无感测器的转子角度估测方法来估测马达转子的角度。

又，永磁同步马达运转在高速时，由于马达的反电动势(back-EMF)相当明显，系可以利用反电动势来作为估测转子角度的依据。然而，当永磁同步马达运转在零速或低速时，会因为无法量测到反电动势或所量测到的反电动势太小，而令以反电动势为基础的转子角度估测方法无法被实行。于此，为了可以在马达运转于零速或低速的状态下可以正确估测出马达的转子角度，系以马达凸极效应(saliency)为基础的讯号注入法已被提出。

以往的研究都使用频率较低的弦波讯号注入法，其注入频率多介于250Hz～2KHz之间，由于硬件实现上的困难度，弦波讯号注入法的注入频率很难再向上提高。再者，弦波讯号注入法之注入频率落在人耳的敏感区，以致于常伴随着噪音上的问题。

有鉴于此，本发明将提供一种创新的永磁同步马达之转子角度估测方法，其利用注入高频的方波讯号以在马达运转在零速或低速时估测转子的角度位置，以具有注入讯号容易产生且注入频率可以远高于传统弦波注入方法等等优点，并藉由提高注入频率以减少噪音，将会是本创作欲达到的目的。

【发明内容】

本发明提出一种永磁同步马达的转子角度估测方法，其方法预估一转子角度以对应取得转子的一直轴与一交轴之预估位置，注入一高频的方波讯号至预估的直轴上，在预估的交轴上连续取样交轴电流，比较前后三次取样时间之交轴电流计算出两笔电流差量，利用这两笔电流差量计算出一误差角度，将误差角度加上原本预估的转子角度即可估测出一实际的转子角度，之后使用估测出的转子角度取代原预估的转子角度，以进行下一次转子角度估测程序，而后利用估测出的转子角度以回授精确地控制永磁同步马达之运转。

本发明提出一种永磁同步马达的转子角度估测方法，其利用高频方波讯号注入法只需三个取样周期就可以在预估的交轴上取得注入高频方波讯号后所产生之电流差量，并因此取得原本预估的转子角度与实际的转子角度间之误差角度以计算出实际的转子角度，其计算出实际的转子角度之所需时间相较于以往低频弦波注入法减少许多，如此，将可以快速地精准控制永磁同步马达之运转。

本发明提出一种永磁同步马达的转子角度估测方法，其方波讯号之注入频率远高于人耳可以听见的频率范围，藉以避免产生低频噪音而引起人们的不适。

为达成上述目的，本发明提供一种永磁同步马达的转子角度估测方法，其方法实行于一用以控制永磁同步马达运转之微处理器中，永磁同步马达之结构包括一定子及一转子，方法包括：预估一转子角度以对应取得转子的一直轴与一交轴之预估位置；注入一高频的方波讯号至预估的直轴上；连续地在预估的交轴上取样三笔交轴电流；比较三笔交轴电流以取得两笔电流差量；利用两笔电流差量以计算出一误差角度；及令误差角度加上预估的转子角度以得到一实际的转子角度。

本发明一实施例中，其中高频的方波讯号包括一负电压位准状态及一正电压位准状态，当高频的方波讯号在负电压位准状态时在预估的交轴上取样第一笔交轴电流，在正电压位准状态时在预估的交轴上取样第二笔交轴电流，而在下一次负电压位准状态时在预估的交轴上取样第三笔交轴电流。

本发明一实施例中，其中在取得转子的直轴与交轴之预估位置之步骤后，包括下列步骤：基于预估的直轴及交轴以取得一动态方程式，动态方程式为：

$\left[\begin{array}{c}\widehat{i_d}\\ \widehat{i_q}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{L_{d}p}& 0\\ 0& L_{q}p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\widehat{v_d}\\ \widehat{v_1}\end{array}\right]$

其中，为预估的直轴电流，为预估的交轴电流，为预估的直轴输入电压，为预估的交轴输入电压，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，p为微分运算子；及将误差角度之变数代入于动态方程式中，并改写动态方程式为一离散型之动态方程式，离散型之动态方程式为：

其中，代表为该误差角度之变数，Δ表示为邻近两次取样时间之间的差量。

本发明一实施例中，其特徵在于，高频的方波讯号注入于预估的直轴上，则，预估的直轴上之电压为：

$\widehat{v_d}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}{v}_d^{*}\left(n\right)+V_{\mathrm{sequre}},n=\mathrm{0,2,4,6},...\\ v_d^{*}\left(n\right)-V_{\mathrm{sequre}},n=\mathrm{1,3,5,7},...\end{array}\right.$

其中，为预估直轴上之电压，为原本输入至一实际的直轴之电压命令讯号，±V_square为高频方波讯号之正负电压位准，而预估的交轴上之电压为：其中，为预估交轴上之电压，为原本交轴上用以控制马达之电压命令讯号。

本发明一实施例中，预估直轴上之电压及预估交轴上之电压代入于离散型之动态方程式之中，并连续地在预估的交轴上取样三笔交轴电流，比较三笔交轴电流以取得两笔电流差量为：

其中，为三笔所取样的交轴电流间之两笔电流差量。

本发明一实施例中，其特徵在于，在取得两笔电流差量后，包括下列步骤：连续两个时间点取得两笔电流差量；及相减两笔电流差量，以通过两笔电流差量之相减值而计算出误差角度，误差角度为：

本发明一实施例中，误差角度与预估的转子角度相加以取得实际的转子角度，实际的转子角度为：

本发明一实施例中，转子角度估测方法应用在永磁同步马达运转在零速或低速时。

【附图说明】

图1为本发明永磁同步马达系统之系统结构图。

图2为本发明永磁同步马达之内部结构示意图。

图3为本发明永磁同步马达的转子角度估测方法之流程图。

主要组件符号说明：

100   永磁同步马达系统  10    微处理器

11    转子角度估测模组  111   正座标转换单元

112   转子角度估测单元  12    正座标转换模组

13    微分器            14    速度控制器

151   比例积分器        152   比例积分器

16    反座标转换模组    17    脉冲宽度调变器

20    电源转换器        30    永磁同步马达

31    定子              33    转子

【具体实施方式】

请参阅图1及图2，为本发明永磁同步马达系统之系统结构图及永磁同步马达之内部结构示意图。如图1所示，本发明永磁同步马达系统100之结构主要包括一微处理器10、一电源转换器20及一永磁同步马达(Permanent-Magnet Synchronous Motor,PMSM)30。电源转换器20将一直流电源转换为三相电源。微处理器10输出控制讯号Da、Db、Dc，利用控制讯号Da、Db、Dc控制三相电源之大小，并将三相电源输入至永磁同步马达30之中而驱动永磁同步马达30进行运转。再者，微处理器10接收永磁同步马达30运转时所产生之电流讯号i_a、i_b，经由运算电流讯号i_a、i_b以对应产生另一控制讯号Da、Db、Dc，而后再利用另一控制讯号Da、Db、Dc继续控制三相电源之大小以持续驱使永磁同步马达30运转。

图2所示，永磁同步马达30包括一定子31及一转子33，转子33将会在定子31内部进行转动。再者，对于转子33之位置座标定义有一转子磁场方向之直轴(d)及一垂直于转子磁场方向之交轴(q)。永磁同步马达30之动态方程式如下所示：

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{R}_S+L_{d}p& -\mathrm{\ω}{L}_q\\ {\mathrm{\ωL}}_d& R_S+L_{p}p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ {\mathrm{\ω\λ}}_m\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，V_d为直轴输入电压，V_q为交轴输入电压，Rs为定子等效电阻，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，ω为马达角速度，P为微分运算子，i_d为直轴电流，i_q为交轴电压，λ_m为转子磁通链。

再者，本发明于永磁同步马达30运转在零速或低速时，注入一高频的方波讯号至微处理器10之中，此注入的讯号频率将会远高于马达电流的控制频率及旋转频率，因此，式(1)可以近似于式(2)：

$\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{L}_{d}p& 0\\ \mathrm{\ω}{L}_d& L_{q}p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]---\left(2\right)$

将式(2)移项成为式(3)

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{L_{d}p}& 0\\ 0& L_{q}p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_d\\ v_q\end{array}\right]---\left(3\right)$

又，微处理器10包括一转子角度估测模组11、一正座标转换模组12、一微分器13、一速度控制器14、两比例积分器151、152、一反座标转换模组16及一脉冲宽度调变器17。本发明永磁同步马达系统100可以利用微处理器10之转子角度估测模组11来演算出一实际的转子角度θ，其演算的过程如图3之流程步骤所示，并同时参阅图2。首先，如步骤501，微处理器10可以对于永磁同步马达30之转子33预估一转子角度此预估的转子角度与实际转子角度θ的关系为其中代表实际转子角度θ与预估的转子角度间之误差角度。在此，藉由预估转子角度以对应取得转子33的直轴与交轴所预估的位置。

转子角度估测模组11包括一正座标转换单元111及一转子角度估测单元112。正座标转换单元111参考于预估转子角度之直轴与交轴以将接收到三相的电流讯号i_a、i_b转换成轴电流讯号在此，基于预估的直轴与交轴所取得的一动态方程式为：

$\left[\begin{array}{c}\widehat{i_d}\\ \widehat{i_q}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{L_{q}p}& 0\\ 0& L_{q}p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\widehat{v_d}\\ \widehat{v_q}\end{array}\right]---\left(4\right)$

接着，转子角度估测单元112将会对于动态方程式(4)进行演算，将误差角度之变数代入于式(4)之中以推导出：

$\left[\begin{array}{c}\widehat{i_d}\\ \widehat{i_q}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)& -\sin \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)\\ \sin \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)& \cos \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{L_{d}p}& 0\\ 0& \frac{1}{L_{q}p}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)& \sin \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)\\ -\sin \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)& \cos \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\widehat{v_d}\\ \widehat{v_q}\end{array}\right]---\left(5\right)$

将微分运算子移项：

$\begin{array}{c}p\left[\begin{array}{c}\widehat{i_d}\\ \widehat{i_1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)& -\sin \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)\\ \sin \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)& \cos \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)& \sin \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)\\ -\sin \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)& \cos \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{cc}\frac{{\cos }^2\left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)}{L_d}+\frac{{\sin }^2\left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)}{L_q}& \frac{\cos \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)\sin \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)}{L_q}-\frac{\cos \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)\sin \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)}{L_d}\\ \frac{\cos \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)\sin \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)}{L_q}-\frac{\cos \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)\sin \left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)}{L_d}& \frac{{\sin }^2\left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)}{L_d}+\frac{{\cos }^2\left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)}{L_q}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\widehat{v_d}\\ \widehat{v_q}\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{cc}\frac{L_q{\cos }^2\left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)+L_d{\sin }^2\left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)}{L_d{L}_q}& \frac{L_d-L_q}{L_q{L}_d}\sin \left(2\stackrel{\mathrm{\τ}}{\mathrm{\θ}}\right)\\ \frac{L_d-L_q}{L_q{L}_d}\sin \left(2\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)& \frac{L_q{\sin }^2\left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)+L_d{\cos }^2\left(\widetilde{\mathrm{\θ}}\right)}{L_d{L}_q}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\widehat{v_d}\\ \widehat{v_q}\end{array}\right]\end{array}---\left(6\right)$

将式(6)改写成离散型：

其中，Δ表示为邻近两次取样之间的差量。经过式(5)～(7)推导移项后，将可取得一离散型之动态方程式。

接着，步骤S502，注入一高频的方波讯号至预估的直轴上，注入的方波电压大小为±Vsquare，则，预估的直轴上之电压为：

$\widehat{v_d}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}{v}_d^{*}\left(n\right)+V_{\mathrm{sequre}},n=\mathrm{0,2,4,6},...\\ v_d^{*}\left(n\right)-V_{\mathrm{sequre}},n-\mathrm{1,3,5,7},...\end{array}\right.---\left(8\right)$

而预估的交轴上之电压为：

$\widehat{v_q}\left(n\right)=v_q^{*}\left(n\right)---\left(9\right)$

其中，及为原本微处理器10输入至实际的直轴d及交轴q的电压命令讯号。

步骤S503，将式(8)及式(9)代入于式(7)中，并在预估的交轴上取样三笔交轴电流之后，步骤S504，比较三笔交轴电流以取得两电流差量为：

又，高频方波讯号包括一负电压位准状态(-Vsquare)及一正电压位准状态(+Vsquare)。当高频的方波讯号脉动在负电压位准状态(-Vsquare)时，转子角度估测单元112可以在预估的交轴上取样第一笔交轴电流接续，当高频的方波讯号转态脉动在正电压位准状态(+Vsquare)时，转子角度估测单元112可以在预估的交轴上取样第二笔交轴电流之后，再于下一次负电压位准状态(-Vsquare)时，转子角度估测单元112可以在预估的交轴上取样第三笔交轴电流在此，本发明转子角度估测单元112只需三个取样周期即可取得式(10)之两笔电流差量

由于及之电压命令讯号频率远低于取样频率，故以及因此，可以将连续两个时间点所取得的两笔电流差量之式(10)进一步相减以得到：

进一步考虑到极性随着n转换，式(11)可以改写为：

步骤S505，对于电流差量之公式(12)进行移项，以计算出误差角度

最后，步骤S506，将误差角度加上预估的转子角度则，转子角度估测单元112即可以计算得到一实际的转子角度θ。

继续，转子角度估测单元112执行完转子角度的估测流程后，将计算出实际的转子角度θ分别传送至正座标转换模组12、微分器13及反座标转换模组16。微分器13微分实际的转子角度θ，以产生及传送一实际转速ω至速度控制器15。速度控制器15将实际转速ω比较于一命令转速ω^*以得到一速度差值，再对于速度差值进行一比例积分运算以得到一电流命令讯号

正座标转换模组12参考于实际的转子角度θ以将接收到的三相的i_a、i_b转换成d-q轴电流讯号i_d、i_q。d-q轴电流讯号i_d、i_q与电流命令讯号 进行比较以得到两个电流差值，两个电流差值分别经由两比例积分器151、152进行比例积分运算以分别得到两个电压命令讯号

电压命令讯号与注入于直轴(d)之高频方波讯号(±Vsquare)进行加总，以取得电压命令讯号 与在传送至反座标转换模组16以转换成三相的电压命令讯号最后，三相的电压命令讯号在经由空间向量的脉冲宽度调变器(SVPWM)17的调变后，即可产生数位的控制讯号Da、Db、Dc，以对于永磁同步马达30供电之三相电源进行控制。

综合上述，本发明永磁同步马达系统100利用高频方波讯号注入法只需三个取样周期就可以在预估的交轴上取得注入高频方波讯号后所产生之电流差量并因此换算出误差角度而计算得到实际的转子角度θ，其计算出实际的转子角度θ之所需时间相较于以往采用弦波注入法减少许多。于此，以快速地精准控制永磁同步马达30之运转。再者，方波讯号之注入频率能够远高于人耳可以听见的频率范围，藉以避免产生注入噪音而引起人耳的不适。

以上所述者，仅为本发明之一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施之范围，即凡依本发明申请专利范围所述之形状、构造、特徵及精神所为之均等变化与修饰，均应包括于本发明之申请专利范围内。

Claims (8)

1.一种永磁同步马达的转子角度估测方法，其方法实行于一用以控制永磁同步马达运转之微处理器中，永磁同步马达之结构包括一定子及一转子，其特徵在于，该转子角度估测方法的步骤包括：

预估一转子角度以对应取得转子的一直轴与一交轴之预估位置；

注入一高频的方波讯号至预估的直轴上；

连续地在预估的交轴上取样三笔交轴电流；

比较三笔交轴电流以取得两笔电流差量；

利用两笔电流差量以计算出一误差角度；及

令误差角度加上预估的转子角度以得到一实际的转子角度。

2.根据权利要求1所述的转子角度估测方法，其特徵在于，该高频的方波讯号包括一负电压位准状态及一正电压位准状态，当该高频的方波讯号在该负电压位准状态时在该预估的交轴上取样第一笔该交轴电流，在该正电压位准状态时在该预估的交轴上取样第二笔该交轴电流，而在下一次负电压位准状态时在预估的交轴上取样第三笔该交轴电流。

3.根据权利要求1所述的转子角度估测方法，其特徵在于，在取得该转子的该直轴与该交轴之预估位置之步骤后，包括下列步骤：

基于该预估的直轴及交轴以取得一动态方程式，该动态方程式为：

$\left[\begin{array}{c}\widehat{i_d}\\ \widehat{i_q}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{L_{d}p}& 0\\ 0& L_{q}p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\widehat{v_d}\\ \widehat{v_1}\end{array}\right]$

其中，为预估的直轴电流，为预估的交轴电流，为预估的直轴输入电压，为预估的交轴输入电压，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，p为微分运算子；及

将该误差角度之变数代入于该动态方程式中，并改写该动态方程式为一离散型之动态方程式，该离散型之动态方程式为：

其中，代表为该误差角度之变数，Δ表示为邻近两次取样时间之间的差量。

4.根据权利要求3所述的转子角度估测方法，其特徵在于，该高频的方波讯号注入于该预估的直轴上，则，该预估的直轴上之电压为：

$\widehat{v_d}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}{v}_d^{*}\left(n\right)+V_{\mathrm{sequre}},n=\mathrm{0,2,4,6},...\\ v_d^{*}\left(n\right)-V_{\mathrm{sequre}},n=\mathrm{1,3,5,7},...\end{array}\right.$

其中，为该预估直轴上之电压，为原本输入至一实际的直轴之电压命令讯号，±V_square为该高频方波讯号之正负电压位准，而该预估的交轴上之电压为：其中，为该预估交轴上之电压，为原本交轴上用以控制马达之电压命令讯号。

5.根据权利要求4所述的转子角度估测方法，其特徵在于，该预估直轴上之电压及该预估交轴上之电压代入于该离散型之动态方程式之中，并连续地在该预估的交轴上取样三笔该交轴电流，比较三笔该交轴电流以取得两笔该电流差量为：

其中，为三笔所取样的该交轴电流间之两笔该电流差量。

6.根据权利要求5所述的转子角度估测方法，其特徵在于，在取得两笔该电流差量后，包括下列步骤：

连续两个时间点取得两笔该电流差量；及

相减两笔该电流差量，以通过两笔该电流差量之相减值而计算出该误差角度，该误差角度为：

7.根据权利要求6所述的转子角度估测方法，其特徵在于，该误差角度与该预估的转子角度相加以取得该实际的转子角度，该实际的转子角度为：

8.根据权利要求1所述的转子角度估测方法，其特徵在于，该转子角度估测方法应用在该永磁同步马达运转在零速或低速时。