CN104579085B - 电机转子位置的检测方法和检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机转子位置的检测方法，其包括以下步骤：向电机的定子绕组注入高频电压激励信号，并检测所述定子绕组的中性点零序电压；根据所述中性点零序电压估算出所述电机的转子位置。本发明的电机转子位置的检测方法，通过向电机的定子绕组注入高频电压激励信号，并检测电机的中性点零序电压来估算电机的转子位置，不仅信号处理过程简单，信噪比高，而且估算精度高，拓宽了电机的转速范围，增加了整个电机控制系统的应用场合。本发明还公开了一种电机转子位置的检测装置。

Description

电机转子位置的检测方法和检测装置

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种电机转子位置的检测方法以及一种电机转子位置的检测装置。

背景技术

PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor，永磁同步电机)的高效控制需要精确的电机的转子位置信息，常规的控制系统一般通过位置传感器来获得电机的转子位置信息。但是，由于位置传感器增加了整个电机控制系统的成本，造成系统引线多且易受干扰，因此通常需要通过软件算法来估算电机的转子位置信息。

目前，现有的位置估算算法可分为两大类：第一类是基于电机基波模型的位置估算法，该方法实现简单，效果好，但当电机处于低速或静止状态时，该方法失效，无法估算出电机的转子位置信息。第二类是高频信号注入法，该方法不受电机的转速约束，在电机全速度范围内都能估算电机的转子位置信息，并且高频信号注入法通常是利用电机的凸极特性，通过向电机的定子绕组注入高频电压激励信号，并检测高频电流响应来估算电机的转子位置，但由于高频电流响应信噪比低，信号提取及处理过程复杂，信号延时大，因此整个系统带宽较低，影响了其稳定性。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种电机转子位置的检测方法，通过向电机的定子绕组注入高频电压激励信号，并检测电机的中性点零序电压来估算电机的转子位置，不仅信号处理过程简单，信噪比高，而且估算精度高，拓宽了电机的转速范围，增加了整个电机控制系统的应用场合。

本发明的另一个目的在于提出一种电机转子位置的检测装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出的一种电机转子位置的检测方法，包括以下步骤：向电机的定子绕组注入高频电压激励信号，并检测所述定子绕组的中性点零序电压；根据所述中性点零序电压估算出所述电机的转子位置。

根据本发明实施例的电机转子位置的检测方法，利用电机的凸极特性，通过向电机的定子绕组注入高频电压激励信号，并检测定子绕组的中性点零序电压来估算出电机的转子位置，由于检测的是电机的中性点零序电压信号，因此，信号处理过程简单，信噪比高，并且信号处理过程中的延时不会影响转子位置估算的精度和带宽，估算精度高。此外，高频信号注入法本身能够使电机在零速运行，因此拓宽了电机的转速范围，增加了整个电机控制系统的应用场合。

根据本发明的一个实施例，根据所述中性点零序电压估算出所述电机的转子位置，具体包括：对所述中性点零序电压进行带通滤波处理和进行信号处理以获得零序电压分量；对所述零序电压分量进行PI控制和积分处理以获得所述电机的转子位置。

根据本发明的一个实施例，所述高频电压激励信号为高频脉振电压信号，其中，向电机的定子绕组注入高频电压激励信号具体为：在估算的坐标系中注入所述高频脉振电压信号，且所述估算的坐标系以两倍的电机转子估算转速旋转，旋转方向与所述电机的转子旋转方向相反。

并且，所述高频脉振电压信号通过以下公式表达：

其中，为注入在估算的d轴坐标系下的电压分量，为注入在估算的q轴坐标系下的电压分量，U为所述高频脉振电压信号的幅值，ω_h为所述高频脉振电压信号的频率。

根据本发明的一个实施例，所述中性点零序电压根据以下公式得到：

其中，U_RN为所述中性点零序电压，L₀为所述电机的每相绕组的基波电感，L₂为所述每相绕组的二次谐波电感，θ_e为所述电机的转子角度，为所述电机的转子估算角度，Δθ为所述转子角度与所述转子估算角度之差。

根据本发明的一个实施例，通过以下方式对所述中性点零序电压进行信号处理：

其中，LPF表示低通滤波处理。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出的一种电机转子位置的检测装置，包括：检测模块，所述检测模块在电机的定子绕组注入高频电压激励信号后检测所述定子绕组的中性点零序电压；估算模块，所述估算模块根据所述中性点零序电压估算出所述电机的转子位置。

根据本发明实施例的电机转子位置的检测装置，利用电机的凸极特性，通过向电机的定子绕组注入高频电压激励信号，并通过检测模块检测定子绕组的中性点零序电压来估算出电机的转子位置，由于检测的是电机的中性点零序电压信号，因此，信号处理过程简单，信噪比高，并且信号处理过程中的延时不会影响转子位置估算的精度和带宽，估算精度高。此外，本发明实施例的电机转子位置的检测装置采用高频信号注入法，能够使电机在零速运行，因此拓宽了电机的转速范围，增加了整个电机控制系统的应用场合。

根据本发明的一个实施例，所述估算模块包括：带通滤波器，所述带通滤波器用于对所述中性点零序电压进行带通滤波处理以获得第一值；乘法器，所述乘法器用于对所述第一值进行处理以获得第二值；低通滤波器，所述低通滤波器用于对所述第二值进行低通滤波处理以获得零序电压分量；PI调节器，所述PI调节器对所述零序电压分量进行PI控制以获得所述电机的转子转速；积分器，所述积分器对所述电机的转子转速进行积分以获得所述电机的转子位置。

根据本发明的一个实施例，所述高频电压激励信号为高频脉振电压信号，其中，在估算的坐标系中注入所述高频脉振电压信号，且所述估算的坐标系以两倍的电机转子估算转速旋转，旋转方向与所述电机的转子旋转方向相反。

并且，所述高频脉振电压信号通过以下公式表达：

其中，为注入在估算的d轴坐标系下的电压分量，为注入在估算的q轴坐标系下的电压分量，U为所述高频脉振电压信号的幅值，ω_h为所述高频脉振电压信号的频率。

根据本发明的一个实施例，所述中性点零序电压根据以下公式得到：

其中，U_RN为所述中性点零序电压，L₀为所述电机的每相绕组的基波电感，L₂为所述每相绕组的二次谐波电感，θ_e为所述电机的转子角度，为所述电机的转子估算角度，Δθ为所述转子角度与所述转子估算角度之差。

根据本发明的一个实施例，所述零序电压分量根据以下公式得到：

其中，LPF表示低通滤波处理。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的电机转子位置的检测方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的在估算的坐标系中注入高频脉振电压信号的示意图；

图3为根据本发明一个实施例的电机的电路拓扑图；

图4为根据本发明一个实施例的对中性点零序电压进行信号处理的方框示意图；以及

图5为根据本发明实施例的电机转子位置的检测装置的方框示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的电机转子位置的检测方法和检测装置。

图1为根据本发明实施例的电机转子位置的检测方法的流程图。如图1所示，该电机转子位置的检测方法包括以下步骤：

S1，向电机的定子绕组注入高频电压激励信号，并检测定子绕组的中性点零序电压。

其中，在本发明的实施例中，电机可以是永磁同步电机。

S2，根据中性点零序电压估算出电机的转子位置。

根据本发明的一个实施例，步骤S2具体包括：对所述中性点零序电压进行带通滤波处理和进行信号处理以获得零序电压分量；对所述零序电压分量进行PI控制和积分处理以获得所述电机的转子位置。

因此说，本发明实施例的电机转子位置的检测方法利用电机的凸极特性，通过向电机的定子绕组注入高频电压激励信号，并检测电机的中性点零序电压信号，位置观测器根据中性点零序电压信号估算出电机的转子位置信息，从而可实现对电机的高效控制，无需采用位置传感器，大大降低了系统的成本。并且由于检测的是中性点零序电压信号，较传统方法的信噪比高，信号处理过程简单，并且信号处理过程中的延时不会影响转子位置估算的精度和带宽。

具体而言，忽略电机的阻性压降和反电势，那么三相静止坐标系下电机的电压方程为：

其中，U_AN、U_BN、U_CN分别为电机的相电压，i_a、i_b、i_c分别电机的相电流，L₀为电机的每相绕组的基波电感，L₂为每相绕组的二次谐波电感，θ_e为电机的转子角度。

根据本发明的一个实施例，高频电压激励信号为高频脉振电压信号，其中，向电机的定子绕组注入高频电压激励信号具体为：在估算的坐标系中注入高频脉振电压信号，且估算的坐标系以两倍的电机转子估算转速旋转，旋转方向与电机的转子旋转方向相反。具体地，在估算的坐标系中注入高频脉振电压信号，该估算的坐标系以两倍的电机转子估算转速旋转，旋转方向与电机的转子旋转方向相反，其中αβ是两相静止坐标系，dq是两相旋转坐标系，ω_e是电机实际的转子转速，加“^”符号代表估算值。

本发明实施例的电机转子位置的检测方法由于采用的是脉振电压信号注入方式，因此估算的转子位置不会受到处理器延时的影响，估算精度高。并且高频信号注入法本身能够使电机在零速运行，因此拓宽了电机的转速范围，增加了整个电机控制系统的应用场合。

并且，高频脉振电压信号可通过以下公式表达：

其中，为注入在估算的d轴坐标系下的电压分量，为注入在估算的q轴坐标系下的电压分量，U为高频脉振电压信号的幅值，ω_h为高频脉振电压信号的频率。

通过坐标变换，实际注入的三相端电压通过以下公式表达：

其中，为电机的转子估算角度。

在本发明的实施例中，如图3所示，电机中性点N、组建的电阻网络中点R和电容的中点O三点之间的电压关系可以表示为：

根据电路对称理论，U_RO等于0，且对于Y型连接的电机的定子绕组，可以推导出：

联合以上公式(1)、公式(3)、公式(4)和公式(5)，可得中性点零序电压，即中性点零序电压根据以下公式得到：

其中，U_RN为中性点零序电压，L₀为电机的每相绕组的基波电感，L₂为每相绕组的二次谐波电感，θ_e为电机的转子角度，为电机的转子估算角度，Δθ为转子角度与转子估算角度之差。

由于L₀远大于L₂/2，因此，如图4所示，对中性点零序电压进行带通滤波，再进行信号处理以获得零序电压分量，然后对零序电压分量进行PI控制和积分处理以获得电机的转子位置信息。其中，图4中BPF是带通滤波器的带通滤波处理，LPF是低通滤波器的低通滤波处理，PI是PI调节器的PI控制，1/S是积分环节的积分处理。

也就是说，通过以下方式对中性点零序电压进行信号处理：

其中，LPF表示低通滤波器的低通滤波处理。

然后对零序电压分量进行控制，使其为零，那么PI调节器输出的就是电机的转子转速，最后再经过积分环节进行积分后，可得到电机的转子位置信息θ_est。

综上所述，在本发明的实施例中，首先向电机的定子绕组注入高频脉振电压信号，并检测电机的定子绕组中性点零序电压，位置观测器根据中性点零序电压估算电机的转子转速及转子位置信息。其中，在旋转的估算的坐标系中注入高频脉振电压信号，该估算的坐标系的速度是电机运行速度的两倍，其旋转方向与电机的运行方向相反。并且在转子位置信息的估算过程中，通过滤波滤去零序电压中存在的转子转速的6次谐波分量，并乘以注入电压信号的余弦量，最后得到滤波后的零序电压分量，能够消除6次谐波问题，使得电机的控制性能得到提升，提高电机控制系统的稳定性。

根据本发明实施例的电机转子位置的检测方法，利用电机的凸极特性，通过向电机的定子绕组注入高频电压激励信号，并检测定子绕组的中性点零序电压来估算出电机的转子位置，由于检测的是电机的中性点零序电压信号，因此，信号处理过程简单，信噪比高，并且信号处理过程中的延时不会影响转子位置估算的精度和带宽，估算精度高。此外，高频信号注入法本身能够使电机在零速运行，因此拓宽了电机的转速范围，增加了整个电机控制系统的应用场合。

图5为根据本发明实施例的电机转子位置的检测装置的方框示意图。如图5所示，该电机转子位置的检测装置包括检测模块10和估算模块20。

其中，检测模块10在电机的定子绕组注入高频电压激励信号后检测定子绕组的中性点零序电压，估算模块根据中性点零序电压估算出电机的转子位置。

并且，如图4所示，估算模块20包括：带通滤波器BPF、乘法器、低通滤波器LPF、PI调节器和积分器。带通滤波器BPF用于对中性点零序电压进行带通滤波处理以获得第一值，乘法器用于对第一值进行处理即乘以2cosω_ht以获得第二值，低通滤波器LPF用于对第二值进行低通滤波处理以获得零序电压分量，PI调节器对零序电压分量进行PI控制以获得电机的转子转速，积分器对电机的转子转速进行积分以获得电机的转子位置。

根据本发明的一个实施例，高频电压激励信号为高频脉振电压信号，其中，在估算的坐标系中注入高频脉振电压信号，且估算的坐标系以两倍的电机转子估算转速旋转，旋转方向与电机的转子旋转方向相反。

并且，高频脉振电压信号通过以下公式表达：

其中，为注入在估算的d轴坐标系下的电压分量，为注入在估算的q轴坐标系下的电压分量，U为高频脉振电压信号的幅值，ω_h为高频脉振电压信号的频率。

根据本发明的一个实施例，中性点零序电压根据以下公式得到：

其中，U_RN为中性点零序电压，L₀为电机的每相绕组的基波电感，L₂为每相绕组的二次谐波电感，θ_e为电机的转子角度，为电机的转子估算角度，Δθ为转子角度与转子估算角度之差。

根据本发明的一个实施例，所述零序电压分量根据以下公式得到：

其中，LPF表示低通滤波器的低通滤波处理。

根据本发明实施例的电机转子位置的检测装置，利用电机的凸极特性，通过向电机的定子绕组注入高频电压激励信号，并通过检测模块检测定子绕组的中性点零序电压来估算出电机的转子位置，由于检测的是电机的中性点零序电压信号，因此，信号处理过程简单，信噪比高，并且信号处理过程中的延时不会影响转子位置估算的精度和带宽，估算精度高。此外，本发明实施例的电机转子位置的检测装置采用高频信号注入法，能够使电机在零速运行，因此拓宽了电机的转速范围，增加了整个电机控制系统的应用场合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (4)

1.一种电机转子位置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

在估算的坐标系中注入高频脉振电压信号，且所述估算的坐标系以两倍的电机转子估算转速旋转，旋转方向与所述电机的转子旋转方向相反，所述高频脉振电压信号通过公式表达，并根据以下公式得到电机的定子绕组的中性点零序电压：

$U_{RN}=\frac{L_0{L}_{2}U}{2{L_0}^2-\frac{1}{2}{L_2}^2}{\mathrm{cos\ω}}_{h}tsin\left(2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)-\frac{L_2^{2}U}{4{L_0}^2-{L_2}^2}{\mathrm{cos\ω}}_{h}t\sin (4{\mathrm{\θ}}_e+2{\widehat{\mathrm{\θ}}}_e)$

其中，为注入在估算的d轴坐标系下的电压分量，为注入在估算的q轴坐标系下的电压分量，U为所述高频脉振电压信号的幅值，ω_h为所述高频脉振电压信号的频率，U_RN为所述中性点零序电压，L₀为所述电机的每相绕组的基波电感，L₂为所述每相绕组的二次谐波电感，θ_e为所述电机的转子角度，为所述电机的转子估算角度，Δθ为所述转子角度与所述转子估算角度之差；

对所述中性点零序电压进行带通滤波处理和进行信号处理以获得零序电压分量；

对所述零序电压分量进行PI控制和积分处理以获得所述电机的转子位置。

2.如权利要求1所述的电机转子位置的检测方法，其特征在于，通过以下方式对所述中性点零序电压进行信号处理：

$LPF(U_{RN}*2{\mathrm{cos\ω}}_{h}t)=\frac{L_0{L}_{2}U}{2{L_0}^2-\frac{1}{2}{L_2}^2}sin\left(2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)$

其中，LPF表示低通滤波处理。

3.一种电机转子位置的检测装置，其特征在于，包括：

检测模块，所述检测模块用于在估算的坐标系中注入高频脉振电压信号，且所述估算的坐标系以两倍的电机转子估算转速旋转，旋转方向与所述电机的转子旋转方向相反，所述高频脉振电压信号通过公式表达，并根据以下公式得到定子绕组的中性点零序电压：

$U_{RN}=\frac{L_0{L}_{2}U}{2{L_0}^2-\frac{1}{2}{L_2}^2}{\mathrm{cos\ω}}_{h}tsin\left(2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)-\frac{L_2^{2}U}{4{L_0}^2-{L_2}^2}{\mathrm{cos\ω}}_{h}t\sin (4{\mathrm{\θ}}_e+2{\widehat{\mathrm{\θ}}}_e)$

其中，为注入在估算的d轴坐标系下的电压分量，为注入在估算的q轴坐标系下的电压分量，ω_h为所述高频脉振电压信号的频率，U为所述高频脉振电压信号的幅值，U_RN为所述中性点零序电压，L₀为所述电机的每相绕组的基波电感，L₂为所述每相绕组的二次谐波电感，θ_e为所述电机的转子角度，为所述电机的转子估算角度，Δθ为所述转子角度与所述转子估算角度之差；

估算模块，所述估算模块包括：

带通滤波器，所述带通滤波器用于对所述中性点零序电压进行带通滤波处理以获得第一值，

乘法器，所述乘法器用于对所述第一值进行处理以获得第二值，

低通滤波器，所述低通滤波器用于对所述第二值进行低通滤波处理以获得零序电压分量，

PI调节器，所述PI调节器对所述零序电压分量进行PI控制以获得所述电机的转子转速，以及

积分器，所述积分器对所述电机的转子转速进行积分以获得所述电机的转子位置。

4.如权利要求3所述的电机转子位置的检测装置，其特征在于，所述零序电压分量根据以下公式得到：

$LPF(U_{RN}*2{\mathrm{cos\ω}}_{h}t)=\frac{L_0{L}_{2}U}{2{L_0}^2-\frac{1}{2}{L_2}^2}sin\left(2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)$

其中，LPF表示低通滤波处理。