CN104300848A - 提高永磁同步电机无位置传感器估算转子位置精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及永磁同步电机的控制技术，其公开了一种提高永磁同步电机无位置传感器估算转子位置精度的方法，解决传统积分法的永磁同步电机无位置传感器算法估计转子位置精度低，影响系统的控制精度和稳定性的问题。本发明中将基于转子磁链和锁相环的永磁同步电机无位置传感器估算方法中的积分环节替换为一阶惯性环节，为了补偿系统幅频特性的改变，将高通滤波环节引入定子磁链与转子磁链间的耦合磁链。然后利用后项差分法计算得出转子磁链，经锁相环输出估算的转子位置和速度。本发明适用于对永磁同步电机转子位置信息检测。

Description

提高永磁同步电机无位置传感器估算转子位置精度的方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机的控制技术，具体来说，是涉及一种提高永磁同步电机无位置传感器估算转子位置精度的方法，适用于对永磁同步电机转子位置信息检测。 

背景技术

在对永磁同步电机控制时，需要时刻检测转子位置和电流信息。其中转子位置是影响电机转矩和电感参数的关键值，因此如何实时并且精确的检测转子位置信息是控制中的一个难点。现如今，无位置传感器算法已经渐臻成熟，其中包括假定旋转坐标法、模型参考自适应系统辨识算法、扩展卡尔曼滤波和磁链观测等基于反电势积分的方法，以及高频信号注入法等基于转子凸极效应的算法。由于基于积分法的永磁同步电机无位置传感器调速系统具有控制方法简单，电压脉动小，抗扰动能力强等特点越来越受到国内外重视。 

然而，在实际的控制系统中，积分环节的引入会将系统的直流偏差无限放大，传统积分方法下基于转子磁链估计和锁相环无位置传感器算法如图1所示；利用积分法实现永磁同步电机无位置传感器估算方法，由于积分环节的累加效应，将导致估算的转子位置存在较大的偏差但积分环节的引入必然会导致系统误差的叠加，从而影响系统的控制精度和稳定性。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种提高永磁同步电机无位置传感器估算转子位置精度的方法，解决传统积分法的永磁同步电机无位置传感器算法估计转子位置精度低，影响系统的控制精度和稳定性的问题。 

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是： 

提高永磁同步电机无位置传感器估算转子位置精度的方法，包括以下步骤： 

a.理论推导基于转子磁链估计和锁相环无位置传感器算法中转子磁链估计表达式，并将表达式中对时间的积分转化为对转子位置的积分； 

b.将作用于定子磁链部分的纯积分环节更改为低通滤波环节； 

c.设计高通滤波器环节作用于定子磁链与转子磁链间的耦合磁链，使其与低通滤波器的超前角度相对应； 

d.利用后项差分离散化计算得出两相静止坐标下转子磁链； 

e.将转子磁链作为锁相环的输入，经锁相环输出估算的转子位置和速度； 

f.对锁相环输出估算的转子位置进行角度补偿得到转子的实际位置。 

具体的，步骤a中，所述将表达式中对时间的积分转化为对转子位置的积分是指将定子 磁链表达式中反电势对时间的积分转化为反电势对转子位置的积分。 

具体的，步骤f中，所述转子的实际位置＝估算的转子位置-45°。 

本发明的有益效果是： 

1.可以有效的避免基于转子磁链和锁相环的永磁同步电机无位置传感器估算方法中积分环节所产生的累加误差，从而提高转子位置估算精度； 

2.该方法理论推导过程简单，且实现了转子磁链与定子磁链间的解耦； 

3.根据实际工程应用中永磁同步电机无位置传感器估算方法的不同，该方法能够适应各种积分方案以实现永磁同步电机转子位置估算。 

附图说明

图1为传统积分方法下基于转子磁链估计和锁相环无位置传感器算法图； 

图2为本发明中积分方法下基于转子磁链估计和锁相环无位置传感器算法图； 

图中2中，1＇为高通滤波器，2＇为低通滤波器，3＇锁相环输出角度补偿。 

具体实施方式

本发明实现了基于转子磁链和锁相环的永磁同步电机无位置传感器估算方法中积分环节不稳定情况下的位置估计处理方法。通过使用低通滤波器代替积分器作用于定子磁链部分，从而消除纯积分环节引入的系统累加误差。将定子磁链表达式中对时间的积分转化为对转子位置的积分，根据转子磁链与定子磁链的关系，利用后项差分离散化计算得出两相静止坐标下转子磁链。 

下面结合附图2对本发明的方案作进一步的描述： 

1.将低通滤波环节作用于定子磁链部分。由于纯积分不稳定，因此使用w₀/(s+w₀)代替1/s。但是滤波器必然会带来相移，影响转子位置估计结果。此时由于w＝w₀，因此幅频特性衰减-3分贝，也就是输出幅值＝0.707*输入幅值；相频特性移动-45°，而纯积分相频特性移动-90°，这样相当于相频超前实际45°。总结起来就是，在理论的基础上，幅值变为0.707倍，相移超前45°。 

2.将定子磁链表达式中对时间的积分转化为对转子位置的积分，这使得低通滤波环节的表达式变形为1/(s+w₀)。 

3.将高通滤波环节作用于定子磁链与转子磁链间的耦合磁链，传递函数形式为s/(s+w₀)由于w＝w₀，因此HPF输出超前输入45°，幅频依旧衰减-3分贝。这样设计是为了与上述低通滤波器的超前角度对应，以便于后面锁相环角度输出的补偿。 

4.由附图2得知，估计转子磁链表达式为： 

${\mathrm{\ψ}}_r=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}\end{array}\right]={\mathrm{\ψ}}_f\left[\begin{array}{c}{\cos \mathrm{\θ}}_r\\ {\sin \mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]=\frac{1}{{s+w}_0}\left({u-R}_{s}i\right)-\frac{s}{{s+w}_0}(L_{i}I+L_{m}Q)i$

其中，ψ_f转子永磁体磁极的励磁磁链。 

以alpha轴为例，有： 

${y=\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\α}}=\frac{1}{{s+w}_0}(u_{\mathrm{\α}}-R_s{i}_{\mathrm{\α}})-\frac{s}{{s+w}_0}[L_i{i}_{\mathrm{\α}}-L_m(i_{\mathrm{\α}}\cos {2\mathrm{\θ}}_r+i_{\mathrm{\β}}\sin {2\mathrm{\θ}}_r)]=\frac{1}{{s+w}_0}{x}_1-\frac{s}{{s+w}_0}{x}_2$

在编写代码时，利用后项差分离散化，得到： 

$y=\frac{1}{{s+w}_0}{x}_1-\frac{s}{{s+w}_0}{x}_2{|}_{s=\frac{z-1}{\mathrm{Tz}}}$

$y_1\left[n\right]=\frac{1}{{s+w}_0}{x}_1{|}_{s=\frac{z-1}{\mathrm{Tz}}}=\frac{1}{w_{0}T+1}\left(y_1\right[n-1]+{\mathrm{Tx}}_1[n\left]\right)$

$y_2\left[n\right]=\frac{s}{{s+w}_0}{x}_2{|}_{s=\frac{z-1}{\mathrm{Tz}}}=\frac{1}{w_{0}T+1}\left(y_2\right[n-1]+x_2[n]-x_2[n-1\left]\right)$

其中，w₀为高/低通滤波器的截至频率，实现过程中w₀等价于锁相环的估计转速z为将时域信号转化为复频域信号，等同于拉普拉斯变换中的s；T为离散化采样时间。 

5.将估计的转子磁链作为锁相环的输入，锁相环的输出经角度补偿就可以写为： 

真实角度＝估计角度–45°。 

Claims (3)

1.提高永磁同步电机无位置传感器估算转子位置精度的方法，其特征在于，包括步骤：

a.理论推导基于转子磁链估计和锁相环无位置传感器算法中转子磁链估计表达式，并将表达式中对时间的积分转化为对转子位置的积分；

b.将作用于定子磁链部分的纯积分环节更改为低通滤波环节；

c.设计高通滤波器环节作用于定子磁链与转子磁链间的耦合磁链，使其与低通滤波器的超前角度相对应；

d.利用后项差分离散化计算得出两相静止坐标下转子磁链；

e.将转子磁链作为锁相环的输入，经锁相环输出估算的转子位置和速度；

f.对锁相环输出估算的转子位置进行角度补偿得到转子的实际位置。

2.如权利要求1所述的提高永磁同步电机无位置传感器估算转子位置精度的方法，其特征在于，步骤a中，所述将表达式中对时间的积分转化为对转子位置的积分是指将定子磁链表达式中反电势对时间的积分转化为反电势对转子位置的积分。

3.如权利要求1或2所述的提高永磁同步电机无位置传感器估算转子位置精度的方法，其特征在于，步骤f中，所述转子的实际位置＝估算的转子位置-45°。