CN104967388A - 一种永磁同步电机低速区域转子位置估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机低速区域转子位置估计方法，该方法采用转速、电流双闭环矢量控制方式，速度环采用比例积分调节器，d轴电流环采用比例积分-谐振调节器，q轴电流环采用比例积分调节器。在d轴注入一个脉振高频电流信号，从q轴电流响应的高频分量中提取转子位置估计误差信号，再采用比例积分调节器将该误差信号调节到0，得到估计转子角速度，再对估计转子角速度进行积分从而得到估计转子位置。本发明提出了一种新型脉振高频电流注入法实现永磁同步电机低速区域转子位置估计，既能以闭环方式注入高频信号来保证系统的稳定性，又能显著降低系统在动态调节过程中对有效信号产生的干扰，提高信噪比。

Description

一种永磁同步电机低速区域转子位置估计方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机低速区域转子位置估计方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

对于永磁同步电机低速区域转子位置估计的方法，由于低转速下电机反电势较小，基于反电势观测的转子位置估计方法不再适用，目前一般都是采用信号注入的方式跟踪电机的凸极特性，实现转子位置估计，其中研究较多的是高频信号注入法。

刘颖、周波、李帅等在中国电机工程学报上发表的《转子磁钢表贴式永磁同步电机转子初始位置检测》，在估计转子同步旋转坐标系的d轴注入高频正弦电压信号，检测q轴高频电流响应并建立位置估计闭环得到估计转子位置。该方法在低速区域能有效检测电机转子位置，但系统的稳定性受电阻变化的影响，且高频信号是以开环形式注入的，实际注入的高频信号受逆变器死区效应等因素的影响会产生一定畸变。刘颖、周波、赵承亮等在中国电工技术学报上发表的《基于脉振高频电流注入SPMSM低速无位置传感器控制》，首次采用脉振高频电流注入法实现SPMSM转子位置估计，以闭环形式在d轴注入高频正弦电流信号，从q轴电压响应中提取位置估计误差信息，建立闭环系统得到估计转子位置。采用该方法可以保证系统的稳定性不受电阻变化的影响，但由于它是从q轴电压响应中提取位置估计误差信息，该电压响应是电流调节器直接输出的结果，在动态调节过程中，该信号突变较大，使有效信号中包含较多的干扰，降低了信噪比。

如何既能以闭环方式注入高频信号保证系统的稳定性，又能显著降低系统在动态调节过程中对有效信号产生的干扰，提高信噪比，这是一个有待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种永磁同步电机低速区域转子位置估计方法，既能以闭环方式注入高频信号来保证系统的稳定性，又能显著降低系统在动态调节过程中对有效信号产生的干扰，提高信噪比。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种永磁同步电机低速区域转子位置估计方法，包括以下步骤：

步骤1，给定注入d轴的脉振高频电流信号的频率；

步骤2，利用矢量控制方式对永磁同步电机进行转速、dq轴电流双闭环控制，且转速环、q轴电流环均利用比例积分调节器进行控制，d轴电流环利用比例积分-谐振调节器进行控制；设置转速环比例积分调节器的带宽小于dq轴电流环比例积分调节器的带宽，dq轴电流环比例积分调节器的带宽小于步骤1所述信号的频率，d轴电流环谐振调节器的谐振频率等于步骤1所述信号的频率；

步骤3，在d轴注入步骤1给定频率的脉振高频电流信号，从q轴电流响应的高频分量中提取转子位置估计误差信号，利用位置估计环比例积分调节器将该误差信号调节到0，得到估计转子角速度，再对估计转子角速度进行积分得到估计转子位置。

优选的，步骤3所述得到估计转子位置的具体步骤为：

步骤31，给定d轴电流、q轴电流和转子角速度，其中，d轴电流给定值为0，且在给定d轴电流处叠加步骤1所述脉振高频电流信号；

步骤32，利用比例积分-谐振调节器对d轴电流进行控制，使估计d轴电流与步骤31叠加的脉振高频电流信号一致；利用比例积分调节器对估计q轴电流进行控制，使估计q轴电流与给定q轴电流一致；

步骤33，对d轴比例积分-谐振调节器输出的电压和q轴比例积分调节器输出的电压分别进行Park逆变换，对Park逆变换后得到的电压进行空间矢量脉宽调制，得到三相逆变器的六路开关信号，驱动永磁同步电机；

步骤34，检测永磁同步电机三相绕组中的任意两相电流，对任意两相电流依次进行Clarke变换和Park变换后，得到估计转子同步旋转坐标系下的估计d轴电流和估计q轴电流，将估计d轴电流反馈至d轴电流比例积分-谐振调节器的输入端，估计q轴电流反馈至q轴电流比例积分调节器的输入端；

步骤35，将估计转子同步旋转坐标系下的估计q轴电流经带通滤波器选出估计q轴电流的高频响应分量，再与余弦信号cos(ω_ht)相乘进行调制后经过低通滤波器滤除交流分量提取直流分量，得到位置估计误差信号，其中，t为当前时刻；

步骤36，将位置估计误差信号作为位置估计环比例积分调节器的输入，得到估计转子角速度，对估计转子角速度进行积分得到估计转子位置，且q轴电流给定值由步骤31给定转子角速度与估计转子角速度的差经转速环比例积分调节器获得；

步骤37，重复步骤31至步骤36，直至位置估计误差信号等于0。

优选的，步骤35所述位置估计误差信号f(Δθ)的表达式为：

其中，ω_h为在d轴注入的脉振高频电流信号的角频率，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，r_s为定子电阻，I_mh为在d轴注入的脉振高频电流信号的幅值，Δθ为位置估计误差。

优选的，步骤35所述带通滤波器的型号为BF3216B2R4DAAT。

优选的，步骤35所述低通滤波器的型号为YB21D4-20A-S。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明提出了一种新型脉振高频电流注入法实现永磁同步电机低速区域转子位置估计，在转速、电流双闭环矢量控制的基础上对d轴电流调节器添加了谐振调节器以快速跟踪高频给定电流信号，将电流环PI调节器的带宽设置在小于所注入的高频信号的频率处，保证q轴电压不包含高频分量。

2、本发明以闭环方式在d轴注入一个脉振高频电流信号，从q轴电流响应的高频分量中提取转子位置估计误差信号，建立闭环系统将该误差信号调节到0，实现转子位置估计。由于电机为感性负载，q轴电流响应是一个连续变化量，不产生突变，因此能显著减小系统在动态调节过程中对有效信号的干扰。

附图说明

图1是本发明永磁同步电机低速区域转子位置估计过程的原理框图。

图2是本发明两相静止坐标系、实际两相同步旋转坐标系与估计两相同步旋转坐标系的相对关系示意图。

图3是本发明转子位置估计的信号提取与调制过程的原理框图。

图4是本发明实验测得的转子位置估计误差信号f(Δθ)与转子位置估计误差Δθ的对应关系图。

图5是本发明实现的永磁同步电机低速区域转子位置估计的稳态实验波形图，其中给定转速为0.1r/min，约为电机额定转速3000r/min的0.0033％。

图6是本发明实现的永磁同步电机低速区域转子位置估计的给定转速阶跃过程的动态实验波形图，其中给定转速从-100r/min阶跃到100r/min。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供一种永磁同步电机低速区域转子位置估计方法，具体包括以下步骤：

步骤1，建立坐标系关系图，如图2所示，d-q为实际同步旋转坐标系，为估计转子同步旋转坐标系，α-β为实际两相静止坐标系，并且定义估计位置误差其中，θ为实际转子位置，为估计转子位置，的初始值为0。

步骤2，如图1所示，在给定d轴电流i_{d_ref}处叠加一个脉振高频电流信号I_mhcos(ω_ht)。其中，I_mh为在d轴注入高频电流的幅值，ω_h为在d轴注入高频电流的角频率，t表示当前时刻。

步骤3，d轴电流环采用PI-R调节器对估计d轴电流进行控制，使估计d轴电流与给定的高频电流信号I_mhcos(ω_ht)一致。q轴电流环采用PI调节器对估计q轴电流进行控制，使估计q轴电流与给定q轴电流i_{q_ref}一致。

步骤4，对d-q轴电流调节器输出的电压和进行Park逆变换(Park^-1)，得到两相静止α-β坐标系下的电压u_α和u_β，再采用空间矢量脉宽调制策略(SVPWM)得到三相逆变器的六路开关信号S，驱动永磁同步电机(PMSM)。

步骤5，检测永磁同步电机三相绕组A/B/C中的任意两相电流，例如i_A和i_B，先进行Clarke变换得到两相静止α-β坐标系下的电流i_α和i_β，再经过Park变换得到估计转子同步旋转坐标系下的估计d轴电流和估计q轴电流将其反馈到电流调节器的输入端。同理，对B相和C相、A相和C相电流进行检测也能实现该转子位置估计方法的相同效果。

步骤6，如图3所示，将估计转子同步旋转坐标系的估计q轴电流响应经过带通滤波器(BPF)选出频率为ω_h的交流分量，即为估计q轴电流的高频响应分量再与余弦信号cos(ω_ht)相乘进行调制，得到直流分量和频率为2ω_h的交流分量，最后经过低通滤波器(LPF)滤除交流分量，提取直流分量，得到位置估计误差信号f(Δθ)。

步骤7，构建位置估计误差闭环，将位置估计误差信号f(Δθ)作为位置估计环PI调节器的输入，估计转子角速度为位置估计环PI调节器的输出，对进行积分(I)得到估计转子位置

步骤8，给定转子角速度ω_{e_ref}与估计转子角速度的差作为速度环PI调节器的输入，其输出为给定q轴电流i_{q_ref}。

步骤9，重复步骤1至步骤8，直至位置估计误差信号f(Δθ)＝0。

对于永磁同步电机低速区域转子位置估计方法的理论分析如下：

在估计转子同步旋转坐标系下永磁同步电机的简化电压方程为：

$\left[\begin{array}{c}{\hat{u}}_{dh}\\ {\hat{u}}_{qh}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}Z+\mathrm{\Δ}Z\cos \left(2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)& \mathrm{\Δ}Z\sin \left(2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)\\ \mathrm{\Δ}Z\sin \left(2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)& Z-\mathrm{\Δ}Z\cos \left(2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{dh}\\ {\hat{i}}_{qh}\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中，为平均阻抗，为半差阻抗，Z_d＝r_s+jω_hL_d为d轴高频阻抗，Z_q＝r_s+jω_hL_q为q轴高频阻抗，r_s为定子电阻，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感。

根据式(1)得到估计q轴电压的高频响应分量表达式为：

${\hat{u}}_{qh}=\mathrm{\Δ}Zsin\left(2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right){\hat{i}}_{dh}+\[Z-\mathrm{\Δ}Zcos\left(2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)\]{\hat{i}}_{qh}---\left(2\right)$

由图1中的电流环结构及PI调节器的带宽设置可得，采用新型控制结构后，估计d轴电流的高频分量为I_mhcos(ω_ht)，估计q轴电压的高频分量为0，即：

$\begin{array}{c}{\hat{i}}_{dh}=I_{mh}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{h}t\right)\\ {\hat{u}}_{qh}=0\end{array}---\left(3\right)$

将式(3)代入式(2)，得到估计q轴电流的高频响应分量为：

${\hat{i}}_{qh}=-\frac{\mathrm{\Δ}Z}{\[Z-\mathrm{\Δ}Zcos\left(2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)\]}sin\left(2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)I_{mh}cos\left({\mathrm{\ω}}_{h}t\right)---\left(4\right)$

将Z_d＝r_s+jω_hL_d，Z_q＝r_s+jω_hL_q代入式(4)，并且在图3所示闭环系统的调节作用下可认为cos(2Δθ)≈1，得到：

结合式(5)，得到图3信号调制过程中的转子位置估计误差信号的表达式为：

式中，

由于K为定值，因此可建立如图3所示的闭环调节系统将转子位置估计误差信号f(Δθ)调节到0，间接地将转子位置估计误差Δθ调节到0，实现永磁同步电机低速区域转子位置估计。

为验证所提方法的正确性，基于硬件平台进行了实验验证，具体如下。

如图4所示，实验测得的转子位置估计误差信号f(Δθ)与转子位置估计误差Δθ之间的关系与理论推导的公式(6)一致。

如图5所示，采用本专利所提出的永磁同步电机低速区域转子位置估计方法，进行转速、电流双闭环矢量控制实验，给定转速为0.1r/min(约0.0033％额定转速)下的转子位置和转速的稳态实验波形。

如图6所示，给定转速从-100r/min阶跃至100r/min下的转子位置和转速的动态实验波形。

实验结果表明，理论分析中的公式推导过程是准确的，并且所提方法能够实现永磁同步电机低速区域转子位置估计，其稳态和动态性能均较好。

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 (5)

1.一种永磁同步电机低速区域转子位置估计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，给定注入d轴的脉振高频电流信号的频率；

步骤2，利用矢量控制方式对永磁同步电机进行转速、dq轴电流双闭环控制，且转速环、q轴电流环均利用比例积分调节器进行控制，d轴电流环利用比例积分-谐振调节器进行控制；设置转速环比例积分调节器的带宽小于dq轴电流环比例积分调节器的带宽，dq轴电流环比例积分调节器的带宽小于步骤1所述信号的频率，d轴电流环谐振调节器的谐振频率等于步骤1所述信号的频率；

步骤3，在d轴注入步骤1给定频率的脉振高频电流信号，从q轴电流响应的高频分量中提取转子位置估计误差信号，利用位置估计环比例积分调节器将该误差信号调节到0，得到估计转子角速度，再对估计转子角速度进行积分得到估计转子位置。

2.如权利要求1所述永磁同步电机低速区域转子位置估计方法，其特征在于：步骤3所述得到估计转子位置的具体步骤为：

步骤31，给定d轴电流、q轴电流和转子角速度，其中，d轴电流给定值为0，且在给定d轴电流处叠加步骤1所述脉振高频电流信号；

步骤32，利用比例积分-谐振调节器对d轴电流进行控制，使估计d轴电流与步骤31叠加的脉振高频电流信号一致；利用比例积分调节器对估计q轴电流进行控制，使估计q轴电流与给定q轴电流一致；

步骤33，对d轴比例积分-谐振调节器输出的电压和q轴比例积分调节器输出的电压分别进行Park逆变换，对Park逆变换后得到的电压进行空间矢量脉宽调制，得到三相逆变器的六路开关信号，驱动永磁同步电机；

步骤34，检测永磁同步电机三相绕组中的任意两相电流，对任意两相电流依次进行Clarke变换和Park变换后，得到估计转子同步旋转坐标系下的估计d轴电流和估计q轴电流，将估计d轴电流反馈至d轴电流比例积分-谐振调节器的输入端，估计q轴电流反馈至q轴电流比例积分调节器的输入端；

步骤35，将估计转子同步旋转坐标系下的估计q轴电流经带通滤波器选出估计q轴电流的高频响应分量，再与余弦信号cos(ω_ht)相乘进行调制后经过低通滤波器滤除交流分量提取直流分量，得到位置估计误差信号，其中，t为当前时刻；

步骤36，将位置估计误差信号作为位置估计环比例积分调节器的输入，得到估计转子角速度，对估计转子角速度进行积分得到估计转子位置，且q轴电流给定值由步骤31给定转子角速度与估计转子角速度的差经转速环比例积分调节器获得；

步骤37，重复步骤31至步骤36，直至位置估计误差信号等于0。

3.如权利要求2所述永磁同步电机低速区域转子位置估计方法，其特征在于：步骤35所述位置估计误差信号f(Δθ)的表达式为：

其中，ω_h为在d轴注入的脉振高频电流信号的角频率，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，r_s为定子电阻，I_mh为在d轴注入的脉振高频电流信号的幅值，Δθ为位置估计误差。

4.如权利要求2所述永磁同步电机低速区域转子位置估计方法，其特征在于：步骤35所述带通滤波器的型号为BF3216B2R4DAAT_。

5.如权利要求2所述永磁同步电机低速区域转子位置估计方法，其特征在于：步骤35所述低通滤波器的型号为YB21D4-20A-S。