CN104702187B - 电机转子位置的估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种电机转子位置的估算方法，其包括以下步骤：S1，通过旋转变压器和旋变编码器获得所述电机的转子估计位置θ'r；S2，当所述电机处于稳态运行时，获得所述电机实际旋转坐标系与所述电机参考旋转坐标系之间的转子位置偏差γ，其中，所述电机参考旋转坐标系与所述电机的转子估计位置θ'r对应；S3，调节所述转子位置偏差γ以对所述电机的转子估计位置θ'r进行补偿。本发明的电机转子位置的估算方法，通过对电机的转子位置进行补偿控制，可以减小电机运行过程中的谐波含量和扭矩的波动，提高电机的控制质量。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种电机转子位置的估算方法。
背景技术
在基于转子磁通定向的永磁同步电机矢量控制过程中转子磁通定向是十分关键的。一般情况下，永磁同步电机的转子位置信息是通过旋转变压器和旋变解码器得到的，并将得到的转子绝对位置用于磁场的定向，其中通过坐标变换将三相交流电变换成两相直流电（励磁电流和转矩电流）以便于定子电流控制。
但是，当电机在运行过程中，由于温度等外界影响或转子位置反馈信号的误差，造成实际的转子位置并不准确，会使控制系统的旋转坐标系dq轴定位出现偏差，从而影响电机电流的波形质量和扭矩控制精度。
发明内容
本发明的目的旨在至少从一定程度上解决上述的技术问题。
为此，本发明的目的在于提出一种电机转子位置的估算方法，通过对电机的转子位置进行补偿控制，可以减小电机运行过程中的谐波含量和扭矩的波动，提高电机的控制质量。
为达到上述目的，本发明实施例提出的一种电机转子位置的估算方法，包括以下步骤：S1，通过旋转变压器和旋变编码器获得所述电机的转子估计位置θ'r；S2，当所述电机处于稳态运行时，获得所述电机实际旋转坐标系与所述电机参考旋转坐标系之间的转子位置偏差γ，其中，所述电机参考旋转坐标系与所述电机的转子估计位置θ'r对应；S3，调节所述转子位置偏差γ以对所述电机的转子估计位置θ'r进行补偿。
根据本发明实施例的电机转子位置的估算方法，当电机处于稳态运行时，基于转子位置偏差来估算电机的转子位置以实现对电机的转子估计位置进行补偿，从而获得精确的电机转子位置信息，可以减小电机运行过程中的谐波含量和扭矩的波动，改善电机运行时电流波形的品质，提高电机的控制质量。
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估算方法的流程图；
图2为根据本发明一个实施例的旋转坐标系偏差示意图；以及
图3为根据本发明一个实施例的采用锁相环调节器估算转子转速的示意图。
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估算方法。
图1为根据本发明实施例的电机转子位置的估算方法的流程图。如图1所示，该电机转子位置的估算方法包括以下步骤：
S1，通过旋转变压器和旋变编码器获得电机的转子估计位置θ'r。
S2，当电机处于稳态运行时，获得电机实际旋转坐标系与电机参考旋转坐标系之间的转子位置偏差γ，其中，电机参考旋转坐标系与电机的转子估计位置θ'r对应。
在本发明的一个实施例中，如图2所示，abc是电机三相绕组坐标系，dq为电机实际旋转坐标系，d'q'是电机参考旋转坐标系，为电机所需定子电流指令，is为电机定子实际给定的电流指令。
其中，电机实际旋转坐标系下的电压方程如下：
在公式（1）中，e为电机扩展反电动势，e=ωrψf-p(Ld-Lq)iq+ωr(Ld-Lq)id，并且，电机实际旋转坐标系下的电压方程也可以表示为：
其中，e=ωrψf-p(Ld-Lq)iq+ωr(Ld-Lq)id，ωr为所述电机的转子的实际转速，ud和uq为所述电机实际旋转坐标系下d轴电压和q轴电压，Rs为所述电机的定子电阻，id和iq为所述电机实际旋转坐标系下d轴电流和q轴电流，p为微分算子，Ld和Lq为d轴电感和q轴电感，ψf为所述电机的转子磁链。
在本发明的实施例中，在步骤S2中，运用旋转坐标系的变换公式，将所述电机的电压方程从所述电机实际旋转坐标系变换到所述电机参考旋转坐标系上：
其中，u'd和u'q为所述电机参考旋转坐标系下d轴电压和q轴电压，i'd和i'q为所述电机参考旋转坐标系下d轴电流和q轴电流，ω'r为所述电机的转子的估计转速。
如图2所示，电机实际旋转坐标系和电机参考旋转坐标系具有如下关系：
θ’r=θ-γ （4）
那么，电机的转子转速之间便存在以下关系：
对于无位置传感器的电机转子的实际位置及实际转速无从得知，由估算的转子的估计转速ω’r将转子的实际转速ωr替代，得出下式：
选取d轴作为计算的参考轴，取出d轴电压关系如下：
其中，假设电机具有良好的控制性能，电流的反馈值可以很好地跟踪给定值，实际电压能够很好地跟踪电压指令。在实际的估算时，电流采用电流反馈值，电压采用电压计算公式计算出的电压值。
并且，在电机处于稳定运行状态时，一个采样周期内，认为电流基本稳定，其微分值为0；转子位置的偏差变化认为是均匀的，其微分值也为0；小偏差时sinγ≈γ，这样（7）式便简化如下：
根据公式（8），在步骤S2中，转子位置偏差γ根据以下公式计算得到：
S3，调节转子位置偏差γ以对电机的转子估计位置θ'r进行补偿。
根据本发明的一个实施例，在步骤S3中，根据所述转子位置偏差γ，并通过以下公式调节所述电机的转子的估计转速：
ω'r=Kpγ+Ki∫γdt （10）
其中，Kp为比例积分PI调节器的比例系数，Ki为所述PI调节器的积分系数。并且，估算出的转子位置角度即转子估计位置为：
θ’r=∫ω'rdt （11）
由公式（10）和（11）便构成了锁相环调节器估算，具体如图3所示。
也就是说，在步骤S3中，采用锁相环调节器估算转速，不停地修正减小偏差角γ，调节转子偏差角γ，使其接近于零；当γ=0时，电机参考旋转坐标系便与电机实际旋转坐标系重合，达到了位置估算的效果。即言，当所述转子位置偏差γ为0时，所述电机实际旋转坐标系与所述电机参考旋转坐标系重合。
因转子位置偏差γ较小，采用以下公式作为位置偏差：
公式（12）也就是无位置偏差估算的结论公式。
通过PI调节器不停调节偏差便可得到稳态下的转子转速ω’r。在稳态下，使用本发明实施例的估算方法估算转子位置，可以纠正旋转变压器带来的误差。
在本发明的实施例中，电机处于稳态运行时，转子的估算位置主要依据上述推导得到，依据电机制造厂商提供的电机定子电阻Rs、d轴电感Ld、q轴电感Lq、转子磁链ψf等参数，通过采样计算得到的电流电压值，使用上述结论公式（12）便可估算出电机处于稳态运行时的转子位置。
在本发明的一个实施例中，当所述电机处于动态运行时，将步骤S1中获得的所述电机的转子估计位置θ'r作为所述电机的转子位置；当所述电机处于所述稳态和所述动态之间运行时，采用加权的方式获得所述电机的转子位置。
其中，当电机处于动态运行例如电机突加速或突减速运行时，使用旋转变压器反馈的转子位置，以减少电机突加速或突减速等动态变化带来的估算不准确对整个电机系统的影响。
也就是说，在本发明的实施例中，在电机加减速运行时，为避免电流变化所带来的估算转子位置的不准确，使用旋转变压器采样得到的转子位置。具体而言，使用旋转变压器和旋变解码器提供的12位的采样值，通过相应的移位计算处理得到转子的位置，从而用于磁通角的定向。
在电机运行在稳定状态时，电机的各项状态较为稳定，具体而言，公式（12）中所需的电机参数通过电机制造厂商提供，i’d、iq'是通过坐标变换后得到的d轴、q轴电流值，u'd是通过电流电压公式计算后得到的d轴电压值，ω'r是PI调节器调节估计坐标的速度，将以上参数及程序中采集得到的变量代入公式（12）便可计算得到转子的位置，从而用于磁通角的定向。因此，在电机运行在稳定状态时，通过转子位置偏差估算转子的准确位置以补偿旋转变压器采样的转子位置偏差，从而避免旋转变压器采样等其他因素所带来的误差。
当电机处于稳态和动态之间运行时即处于过渡区域运行时，此状态运行时间较短，可采用加权的方式，由以上二者的线性组合作为转子位置的输出。
在本发明的一个实施例中，当采用所述加权的方式时，根据以下公式获得所述电机的转子位置：
θe=δθe1+(1-δ)θe2 （13）
其中，δ为加权因子，θe1为对所述电机的转子估计位置θ’r进行补偿后的转子位置，θe2为所述电机的转子估计位置θ'r。
并且，所述加权因子根据以下公式计算得到：
其中，θ1和θ2分别为切换控制区域位置差的上下限阈值。
在本发明的实施例中，在程序中加入状态判断标志位，通过状态标志位来判断电机处于哪一种状态，从而选择相应状态下转子位置的使用，使转子的位置的采集更加准确，减小旋转变压器等因素带来的误差。
在具体实施过程中，转子位置的估算还有其他无位置计算方法，如卡尔曼滤波估算，滑模变无位置估算等，但本发明实施例中提供的估算方法较为简单，计算量较小，方便在程序中使用。
根据本发明实施例的电机转子位置的估算方法，当电机处于稳态运行是，基于转子位置偏差来估算电机的转子位置以实现对电机的转子估计位置进行补偿，从而获得精确的电机转子位置信息，可以减小电机运行过程中的谐波含量和扭矩的波动，改善电机运行时电流波形的品质，提高电机的控制质量。并且，该估算方法比较简单，计算量小，应用方便。
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 (7)
1.一种电机转子位置的估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过旋转变压器和旋变编码器获得所述电机的转子估计位置θ′r；
当所述电机处于动态运行时，设定所述电机的转子估计位置θ′r为所述电机的转子位置；
当所述电机处于稳态运行时，获得所述电机实际旋转坐标系与所述电机参考旋转坐标系之间的转子位置偏差γ，调节所述转子位置偏差γ以对所述电机的转子估计位置θ′r进行补偿，其中，所述电机参考旋转坐标系与所述电机的转子估计位置θ′r对应；
当所述电机处于所述稳态和所述动态之间运行时，根据以下公式获得所述电机的转子位置：
θe＝δθe1+(1-δ)θe2
其中，δ为加权因子，θe1为对所述电机的转子估计位置θ′r进行补偿后的转子位置，θe2为所述电机的转子估计位置θ′r。
2.如权利要求1所述的电机转子位置的估算方法，其特征在于，所述电机实际旋转坐标系下的电压方程为：
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其中，e＝ωrψf-p(Ld-Lq)iq+ωr(Ld-Lq)id，ωr为所述电机的转子的实际转速，ud和uq为所述电机实际旋转坐标系下d轴电压和q轴电压，Rs为所述电机的定子电阻，id和iq为所述电机实际旋转坐标系下d轴电流和q轴电流，p为微分算子，Ld和Lq为d轴电感和q轴电感，ψf为所述电机的转子磁链。
3.如权利要求2所述的电机转子位置的估算方法，其特征在于，在调节所述转子位置偏差γ以对所述电机的转子估计位置θ′r进行补偿时，根据如下公式将所述电机的电压方程从所述电机实际旋转坐标系变换到所述电机参考旋转坐标系上：
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其中，u′d和u′q为所述电机参考旋转坐标系下d轴电压和q轴电压，i′d和i′q为所述电机参考旋转坐标系下d轴电流和q轴电流，ω′r为所述电机的转子的估计转速。
4.如权利要求3所述的电机转子位置的估算方法，其特征在于，所述转子位置偏差γ根据以下公式计算得到：
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5.如权利要求4所述的电机转子位置的估算方法，其特征在于，当所述转子位置偏差γ为0时，所述电机实际旋转坐标系与所述电机参考旋转坐标系重合。
6.如权利要求4所述的电机转子位置的估算方法，其特征在于，根据所述转子位置偏差γ，并通过以下公式调节所述电机的转子的估计转速：
ω′r＝Kpγ+Ki∫γdt
其中，Kp为比例积分PI调节器的比例系数，Ki为所述PI调节器的积分系数。
7.如权利要求1所述的电机转子位置的估算方法，其特征在于，所述加权因子根据以下公式计算得到：
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其中，θ1和θ2分别为切换控制区域位置差的上下限阈值。
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