CN105245151A - 表贴式永磁同步电机转子位置的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了表贴式永磁同步电机转子位置的检测方法，属于电机控制的技术领域。本发明在估计转子同步坐标系d轴注入高频电流，并控制估计转子同步坐标系下的电流与给定值一致；在控制估计转子同步坐标系下的电流与给定值一致的同时，提取估计转子同步坐标系q轴电压中的1kHz分量并将提取的1kHz分量与同相位的高频信号相调制以消除2kHz谐波，提取直流分量得到估计位置误差信号，省去了带通和低通滤波器，消除了由滤波器带来的延时问题，使转子位置估计更加准确。

Description

表贴式永磁同步电机转子位置的检测方法

技术领域

本发明公开了表贴式永磁同步电机转子位置的检测方法，属于电机控制的技术领域。

背景技术

目前对于表贴式永磁同步电机的低速无位置控制方法，常见的以高频信号注入法为主。文献《基于脉振高频电流注入SPMSM低速无位置传感器控制》(刘颖，周波，赵承亮，中国电工技术学报，2012，7(27):139-145.)首次采用脉振高频电流注入法实现SPMSM转子位置估计，采用了传统的带通和低通滤波器进行信号处理。很多研究高频信号注入法的文章中也采用带通和低通滤波器进行高频信号处理，它们无法避免滤波器的延时对系统造成的影响。文献<ASimplifiedHighFrequencyInjectionMethodForPMSMSensorlessControl>(Haozhu,YongdongLi,etal.PowerElectronicsandMotionControlConference,2009.IPEMC'09.IEEE6thInternational.IEEE,2009:401-405.)中省去了传统信号处理方法中的带通滤波器以减小系统的延时，但简化方法过于简单，在实际应用中会使估计位置产生较大的毛刺，影响估计的精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了表贴式永磁同步电机转子位置的检测方法，省去了带通和低通滤波器，消除了由滤波器带来的延时问题，使转子位置估计更加准确，解决了现有技术中无法避免滤波器延时对系统的影响以及简单省去带通滤波器影响位置估计精度的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

表贴式永磁同步电机转子位置的检测方法，包括如下步骤：

A、在估计转子同步坐标系d轴注入高频电流，并控制估计转子同步坐标系下的电流与给定值一致；

B、在控制估计转子同步坐标系下的电流与给定值一致的同时，提取估计转子同步坐标系q轴电压中的1kHz分量并将提取的1kHz分量与同相位的高频信号相调制以消除2kHz谐波，提取直流分量得到估计位置误差信号；

C、构建位置偏差闭环后将其调节至0以获得转子位置估计值；

D、重复A至C直至转子位置估计值收敛为恒定值。

进一步的，所述表贴式永磁同步电机转子位置的检测方法中，步骤B采用包含前后两级的转子位置估计模块提取估计转子同步坐标系q轴电压中的1kHz分量并将提取的1kHz分量与同相位的高频信号相调制以消除2kHz谐波，转子位置估计模块前级的传递函数为：转子位置估计模块后级的传递函数为： $\frac{f_{\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}}\left(s\right)}{{\hat{u}}_{qh}\left(s\right)}=\frac{s^2+{\mathrm{\&omega;}}_{e2}^2}{s^2+k_2{\mathrm{\&omega;}}_{e2}s+{\mathrm{\&omega;}}_{e2}^2},$

其中，f_Δθ(s)分别为估计转子同步坐标系q轴电压、估计转子同步坐标系q轴电压中1kHz分量、估计位置误差信号函数，s为拉普拉斯算子，k₁为前级增益，ω_e1为前级的选择频率，ω_e1＝ω_h，k₂为后级增益，ω_e2为后级的选择频率，ω_e2＝2ω_h，ω_h为在d轴注入的高频电流的角频率。

进一步的，所述表贴式永磁同步电机转子位置的检测方法中，步骤C构建的位置偏差闭环包括：

由估计位置误差信号估计转子角速度的比例积分控制器，以及，

由转子角速度估计转子位置的积分器。

进一步的，所述表贴式永磁同步电机转子位置的检测方法中，步骤A采用如下方法在估计转子同步坐标系d轴注入高频电流，并控制估计转子同步坐标系下的电流与给定值一致：

A1、将估计转子同步旋转坐标系d轴电流给定为脉振高频正弦信号I_mhsin(ω_ht)，I_mh为在d轴注入的高频电流的幅值，ω_h为在d轴注入的高频电流的角频率，t为当前时刻；

A2、修正估计转子同步坐标系下的d轴电流、q轴电流；

A3、将估计转子同步坐标系下的d轴电流、q轴电流的修正值转换为估计转子坐标系下的d轴电压、q轴电压；

A4、对估计的转子坐标系下的d轴电压、q轴电压进行Park逆变换得到两相静止坐标系下的电压分量，对两相静止坐标系下的电压分量进行空间矢量脉宽调制得到三相逆变器的开关信号，三相逆变器在开关信号作用下将直流电转换为交流电以驱动表贴式永磁同步电机工作；

A5、对表贴式永磁同步电机任意两相电流进行Clarke变换得到两相静止坐标系下的电流分量，对两相静止坐标系下的电流分量进行Park变换得到估计转子同步坐标系下的d轴电流、q轴电流，返回A2。

进一步的，所述表贴式永磁同步电机转子位置的检测方法，步骤A3采用比例谐振控制器将估计转子同步坐标系下的d轴电流、q轴电流的修正值转换为估计转子坐标系下的d轴电压、q轴电压。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)在提取位置误差信号时，首先提取估计转子同步坐标系q轴电压中的1kHz分量，再将提取的1kHz分量与同相位的高频信号相调制以消除2kHz谐波，最后以提取的直流分量作为位置误差信号，省去了带通和低通滤波器，消除了由滤波器带来的延时问题，使转子位置估计更加准确；

(2)简化了电机控制系统的结构并减小了运算量。

附图说明

图1为表贴式永磁同步电机转子位置估计过程的原理框图；

图2为两相静止坐标系、实际同步旋转坐标系与估计转子同步旋转坐标系的相对关系示意图；

图3为转子位置误差信号提取与调制过程的原理框图；

图4为转子位置误差信号提取具体的实现原理框图；

图5(a)、图5(b)分别为前级在选择频率ω_e为100rad/s时不同k值增益下输入输出传递函数的幅值、相角特性曲线；

图6为新型结构应用于脉振高频电流注入法中，估计位置与实际位置仿真波形。

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

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面详细描述本发明的实施方式，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。

本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明提供的表贴式永磁同步电机转子位置检测方法如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1，建立如图2所示的坐标系关系图，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，将估计转子同步旋转坐标系的d轴电流给定为一个脉振高频正弦信号I_mhsin(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，采用比例谐振控制器PR对估计转子同步旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流进行控制使其与给定一致，具体为比例谐振器将估计转子同步旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流的修正值(即为由估计转子同步旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流与给定值i_dref和i_qref之差)转换为估计转子同步旋转坐标系下的d轴电压和q轴电压；

步骤4，对比例谐振控制器输出的估计转子同步旋转坐标系下的d轴电压和q轴电压进行Park逆变换得到两相静止坐标系α-β下的电压u_α和u_β，再采用空间矢量脉宽调制策略得到三相逆变器的六路开关信号，驱动表贴式永磁同步电机；

步骤5，检测电机三相绕组A/B/C中的任意两相电流，先进行Clarke变换得到两相静止坐标系α-β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d轴电流和q轴电流将其反馈给比例谐振控制器输入端之前的d轴电流和q轴电流估计值修正环节；

步骤6，如图3、图4所示，由包含前后两级的转子位置估计模块对估计转子同步旋转坐标系的q轴电压进行观测，首先由前级观测出频率为ω_h的交流分量(即为估计转子同步旋转坐标系的q轴电压中的1kHz分量)，再将1kHz分量与同频率的余弦信号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(即为2kHz谐波)，最后经过后级对其中的高频分量进行抑制，提取直流分量得到估计位置误差信号f(Δθ)；

步骤7，构建位置偏差闭环：将估计位置误差信号f(Δθ)作为比例积分控制器的输入，比例积分控制器估计转子角速度以估计转子角速度为积分器的输入，积分器对估计转子角速度积分得到估计的转子位置

步骤8，重复步骤2至步骤7，直到估计的转子位置收敛为一恒定值，即为转子位置的估计值，如图6所示。

对包含前后两级的转系位置估计模块的理论分析如下：

步骤a，提取估计转子同步旋转坐标系q轴电压该电压由基频分量和高频分量组成，即前级传递函数为k₁、ω_e1分别为前级的增益和选择频率，分别为估计转子同步坐标系q轴电压、估计转子同步坐标系q轴电压中1kHz分量，s为拉普拉斯算子，那么对应的前级输出(估计转子同步坐标系q轴电压中1kHz分量)为 ${\hat{u}}_{qh}=A\left|D\left(j\mathrm{\&omega;}\right)\right|cos\&lsqb;{\mathrm{\&omega;}}_{h}t+\&angle;D\left(j\mathrm{\&omega;}\right)\&rsqb;,$ 前级选择频率ω_e1为ω_h时， $\left|D\left(j\mathrm{\&omega;}\right)\right|=\frac{k_1{\mathrm{\&omega;}}_i{\mathrm{\&omega;}}_{e1}}{\sqrt{{\left(k_1{\mathrm{\&omega;}}_i{\mathrm{\&omega;}}_{e1}\right)}^2+({\mathrm{\&omega;}}_i^2-{\mathrm{\&omega;}}_{e1}^2)}}=1,\&angle;D\left(j\mathrm{\&omega;}\right)=\arctan \frac{({\mathrm{\&omega;}}_{e1}^2-{\mathrm{\&omega;}}_i^2)}{k_1{\mathrm{\&omega;}}_i{\mathrm{\&omega;}}_{e1}}=0,$ 而直流分量的频率远小于选择频率，因此经过该传递函数后响应为0。在MATLAB仿真中，绘制前级结构的传递函数在不同k值(k1＝k)增益下伯德图如图5(a)、图5(b)所示，仿真结果表明，该结构在保证对高频信号跟踪的同时，不会引起幅值和相位的偏移，与理论分析一致。所以，前级的输出为幅值与相位均不变的q轴响应电压中的频率ω_h的高频分量；

步骤b，将所提取频率为ω_h的高频分量与余弦信号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；

步骤c，将调制后的信号送入该转子位置估计模块的后级，后级传递函数为k₂、ω_e2分别为后级的增益和选择频率，f_Δθ(s)为估计位置误差信号，其中，估计转子同步坐标系q轴电压中1kHz分量由直流分量和频率为2ω_h的交流分量组成，不妨设为同理，对应的后级输出f(Δθ)为f(Δθ)＝B{sin(2ω_ht)-D(jω)sin[2ω_ht+∠D(jω)]}+u_i，因此后级选择频率ω_e2为2ω_h时，高频分量的响应为0，而直流分量幅值没有衰减。输出对应的直流分量即为转子位置误差函数f(Δθ)。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案实质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器，或者网络设备等)执行本发明的实施例或实施例的某些部分所述的方法。

Claims (5)

1.表贴式永磁同步电机转子位置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、在估计转子同步坐标系d轴注入高频电流，并控制估计转子同步坐标系下的电流与给定值一致；

B、在控制估计转子同步坐标系下的电流与给定值一致的同时，提取估计转子同步坐标系q轴电压中的1kHz分量并将提取的1kHz分量与同相位的高频信号相调制以消除2kHz谐波，提取直流分量得到估计位置误差信号；

C、构建位置偏差闭环后将其调节至0以获得转子位置估计值；

D、重复A至C直至转子位置估计值收敛为恒定值。

2.根据权利要求1所述的表贴式永磁同步电机转子位置的检测方法，其特征在于，步骤B采用包含前后两级的转子位置估计模块提取估计转子同步坐标系q轴电压中的1kHz分量并将提取的1kHz分量与同相位的高频信号相调制以消除2kHz谐波，转子位置估计模块前级的传递函数为：转子位置估计模块后级的传递函数为：

其中，f_Δθ(s)分别为估计转子同步坐标系q轴电压、估计转子同步坐标系q轴电压中1kHz分量、估计位置误差函数，s为拉普拉斯算子，k₁为前级增益，ω_e1为前级的选择频率，ω_e1＝ω_h，k₂为后级增益，ω_e2为后级的选择频率，ω_e2＝2ω_h，ω_h为在d轴注入的高频电流的角频率。

3.根据权利要求1或2所述的表贴式永磁同步电机转子位置的检测方法，其特征在于，步骤C构建的位置偏差闭环包括：

由估计位置误差信号估计转子角速度的比例积分控制器，以及，

由转子角速度估计转子位置的积分器。

4.根据权利要求1所述的表贴式永磁同步电机转子位置的检测方法，其特征在于，步骤A采用如下方法在估计转子同步坐标系d轴注入高频电流，并控制估计转子同步坐标系下的电流与给定值一致：

A1、将估计转子同步旋转坐标系d轴电流给定为脉振高频正弦信号I_mhsin(ω_ht)，I_mh为在d轴注入的高频电流的幅值，ω_h为在d轴注入的高频电流的角频率，t为当前时刻；

A2、修正估计转子同步坐标系下的d轴电流、q轴电流；

A3、将估计转子同步坐标系下的d轴电流、q轴电流的修正值转换为估计转子坐标系下的d轴电压、q轴电压；

A4、对估计的转子坐标系下的d轴电压、q轴电压进行Park逆变换得到两相静止坐标系下的电压分量，对两相静止坐标系下的电压分量进行空间矢量脉宽调制得到三相逆变器的开关信号，三相逆变器在开关信号作用下将直流电转换为交流电以驱动表贴式永磁同步电机工作；

A5、对表贴式永磁同步电机任意两相电流进行Clarke变换得到两相静止坐标系下的电流分量，对两相静止坐标系下的电流分量进行Park变换得到估计转子同步坐标系下的d轴电流、q轴电流，返回A2。

5.根据权利要求4所述的表贴式永磁同步电机转子位置的检测方法，其特征在于，步骤A3采用比例谐振控制器将估计转子同步坐标系下的d轴电流、q轴电流的修正值转换为估计转子坐标系下的d轴电压、q轴电压。