CN105450125A - 一种旋转高频电压信号注入法永磁同步电机转子位置估算误差的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种旋转高频电压信号注入法永磁同步电机转子位置估算误差补偿的方法。该方法在传统的旋转高频电压信号注入法实现位置估计的基础上，利用锁相环的原理检测高频电压注入信号的相位误差，并对其在最终转子位置估计过程中产生的位置估计误差进行直接补偿，消除了由于逆变器死区时间和IGBT的寄生电容使得高频信号相位延迟而产生的位置检测误差。该方法采用直接补偿的方式,实现更为简单方便，并有效地提高了旋转高频电压信号注入法的位置检测精度，拓宽了其应用范围。

Description

一种旋转高频电压信号注入法永磁同步电机转子位置估算误差的补偿方法

技术领域

本发明涉及一种旋转高频电压信号注入法永磁同步电机转子位置估计误差补偿的方法，属于电机控制领域。

背景技术

适用于低速的永磁同步电机(PMSM)无位置传感器控制技术一直是电机控制领域的研究热点和难点。PMSM低速下的无位置传感器控制，一般需要采用信号注入的方式，目前研究较多的是高频电压注入法。该方法基于电机的凸极特性，其基本思路是在电机中注入高频电压信号，通过对高频电流响应进行特定的信号处理来获得位置信息。秦峰在《基于电力电子系统集成概念的PMSM无传感器控制研究》一文中指出高频注入法中的旋转高频电压注入法由于鲁棒性好、参数敏感性低，参数的调节简单等优点，广泛地应用于永磁同步电机低速无位置控制。提高转子位置和速度估算精度对于旋转高频信号注入法无位置传感器技术在高精度要求场合的运用有着重要的意义。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种旋转高频电压信号注入法永磁同步电机转子位置估算误差补偿的方法，消除逆变器死区时间和IGBT寄生电容产生的旋转高频电压信号注入法位置估计误差。

技术方案：一种旋转高频电压信号注入法永磁同步电机转子位置估算误差的补偿方法，首先获取旋转高频电压注入信号的相位误差然后对旋转高频电压信号注入法获得的转子位置估计值进行相位补偿，所述相位补偿值为其中，获取旋转高频电压注入信号的相位误差包括如下步骤：

A1)，检测控制永磁同步电机的三相逆变器输出的三相电压u_A、u_B、u_C，并进行克拉克变换得到两相静止α-β坐标系下的电压信号u_α和u_β；

A2)，将所述电压信号u_α经带通滤波器选出频率为ω_h的交流分量u_αh；再将所述u_αh与解调信号cos(ω_ht)通过相同的所述带通滤波器后的信号相乘，得到直流分量和频率为2ω_h的交流分量；然后经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量最后对该直流分量进行调制获得旋转高频电压注入信号的相位误差

有益效果：在实际旋转高频电压信号注入法无传感器控制系统中，为了防止三相SVPWM电压源逆变器(VSI)的桥臂上下管直通，必须在功率管开关动作期间插入一段死区时间。发明人通过实验研究发现，该死区时间和IGBT的寄生电容会导致逆变器输出的实际高频电压注入信号和理想高频电压注入信号之间存在一定的相位误差进一步，该相位误差最终会使得旋转高频电压信号注入法的转子位置估算结果产生误差因此为了提高旋转高频电压信号注入法的转子位置估算精度，根据逆变器死区和IGBT寄生电容产生的相位延迟对估计位置值进行有效补偿是非常必要的。

本发明方法在传统永磁同步电机旋转高频信号注入法无位置控制基础上,引入针对逆变器死区效应和寄生电容产生的高频信号相位延迟的补偿环节。通过对逆变器输出电压进行采样从而计算出延迟的相位将其补偿到旋转高频电压信号注入法转子位置估算结果中，从而提高其位置估算精度。相对于传统的旋转高频电压信号注入法，本专利所提方法的创新在于相位补偿环节的提出和设计，并有效地提高了转子位置估算精度。

综上，本发明方法与现有技术相比具有以下显著的优点：(1)本发明在旋转高频电压信号注入法中加入位置估计误差补偿环节，消除了逆变器死区时间和IGBT寄生电容对位置估算精度的影响，提高了系统的稳定性和准确性；(2)通过提高其位置估算精度，促进了旋转高频电压信号注入法在高精度场合的运用，拓宽了该方法的应用范围；(3)该方法采用直接补偿的方法，实现简单、可靠、方便。

附图说明

图1旋转高频电压信号注入法永磁同步电机转子位置估算误差补偿方法框图；

图2为两相静止坐标系、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为高频注入信号相位误差信号提取与调制过程的原理框图；

图4为补偿前旋转高频电压信号注入法位置估算仿真波形和位置估算误差仿真波形；

图5为补偿后旋转高频电压信号注入法位置估算仿真波形和位置估算误差仿真波形。

具体实施方式

本发明提供一种旋转高频电压信号注入法永磁同步电机转子位置估算误差补偿的方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种旋转高频电压信号注入法永磁同步电机转子位置估算误差补偿的方法，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为实际转子同步旋转坐标系，为估计转子同步旋转坐标系，α-β为实际两相静止坐标系，并且定义转子估计位置误差其中，θ为实际转子位置，为补偿后最终位置估计值；定义为补偿前位置估计值，即采用旋转高频电压信号注入法获得的转子位置估计值。

步骤2：如图1所示，在两相静止坐标系的α轴给定电压中注入高频余弦电压U_mhcos(ω_ht)，β轴给定电压注入高频正弦电压U_mhsin(ω_ht)，即注入信号为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}hi}\\ u_{\mathrm{\β}hi}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{U}_{mh}cos\left({\mathrm{\ω}}_{h}t\right)\\ U_{mh}sin\left({\mathrm{\ω}}_{h}t\right)\end{array}\right]$

其中，u_αhi为注入高频余弦电压，u_βhi为注入高频正弦电压，U_mh为注入高频电压的幅值，ω_h为注入高频电压的角频率，t表示当前时刻。

步骤3：如图1所示，采用空间矢量调制策略SVPWM得到六路开关信号，控制三相逆变器，然后检测由逆变器产生的三相电压u_A、u_B、u_C，进行克拉克变换(Clarke变换)得到两相静止α-β坐标系下的电压信号u_α和u_β。

步骤4：如图3所示，两相静止α-β坐标系下的电压信号u_α带通滤波器BPF1选出频率为ω_h的交流分量，即为α轴高频电压响应u_αh，再将u_αh与解调信号cos(ω_ht)通过相同带通滤波器后的信号相乘，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，提取直流分量相位信号处理过程如下：

其中，为注入高频信号的相位误差。

步骤5：如图3所示，构建相位偏差闭环，将直流分量作为PI调节器的输入，相位误差为该PI调节器的输出。

步骤6：如图1所示，检测电机三相绕组A/B/C中的任意两相电流，先进行克拉克变换得到实际两相静止α-β坐标系下的电流信号i_α和i_β。

步骤7：如图1所示，将实际两相静止α-β坐标系下的电流信号i_α和i_β合成电流矢量i_αβ，然后经过带通滤波器BPF后获得高频电流响应信号i_αβh，再将i_αβh通过同轴滤波器SFF得到角频率为-ω_ht的负序高频电流分量i_{αβh_in}，关系如下：

$\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}h\_in}=SFF\[BPF\[i_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}}\]\]=SFF\[\frac{U_{mh}}{L^2-{\mathrm{\ΔL}}^2}\·\frac{L}{{\mathrm{\ω}}_h}\·e^{j({\mathrm{\ω}}_{h}t-\frac{\mathrm{\π}}{2})}+\frac{U_{mh}}{L^2-{\mathrm{\ΔL}}^2}\·\frac{\mathrm{\Δ}L}{{\mathrm{\ω}}_h}{e}^{j(\frac{\mathrm{\π}}{2}+2\mathrm{\θ}-{\mathrm{\ω}}_{h}t)}\]\\ =\frac{U_{mh}}{L^2-{\mathrm{\ΔL}}^2}\·\frac{\mathrm{\Δ}L}{{\mathrm{\ω}}_h}{e}^{j(\frac{\mathrm{\π}}{2}+2\mathrm{\θ}-{\mathrm{\ω}}_{h}t)}\end{array}$

其中，L＝(L_d+L_q)/2,ΔL＝(L_d-L_q)/2；L_d、L_q分别为两相旋转坐标系下d、q轴的直轴电感和交轴电感。

步骤8：如图1所示，将负相序高频电流分量i_{αβh_in}进行外差法处理，解调后得到估计位置偏差信号ε(Δθ)：

$\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)=i_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}h\_in}\cos \left(2{\widehat{\mathrm{\θ}}}_0-{\mathrm{\ω}}_{h}t\right)-i_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}h\_in}\sin \left(2{\widehat{\mathrm{\θ}}}_0-{\mathrm{\ω}}_{h}t\right)=\frac{U_{mh}}{L^2-{\mathrm{\ΔL}}^2}\·\frac{\mathrm{\Δ}L}{{\mathrm{\ω}}_h}\sin \left(2{\widehat{\mathrm{\θ}}}_0-2\mathrm{\θ}\right)$

步骤9：如图1所示，PI为比例积分调节器，I为积分调节器，构建位置偏差闭环，将估计位置偏差信号ε(Δθ)作为PI调节器的输入，估计转子角速度为PI调节器的输出，对估计转子角速度进行积分调节得到补偿前位置估计值将步骤5得到的相位误差信号值的补偿值，得到转子补偿后最终位置估计值

误差分析：

两相静止α-β坐标系下的实际的电流响应i′_αβh为：

其中，V_error为逆变器死区等引起的注入高频信号电压幅值误差。

通过带通滤波器(BPF)和同步轴系高通滤波器(SFF)滤去无关信号，提取负序分量。然后采用能够实现相角调制的外差算法解调其负相序分量，此时实际误差信号可表达为:

其中， $i_{\mathrm{\α}\mathrm{\β}h\_in}^{\′}=\frac{U_{mh}-V_{error}}{L^2-{\mathrm{\ΔL}}^2}\·\frac{\mathrm{\Δ}L}{{\mathrm{\ω}}_h}$

将实际误差信号ε′调节为0时，可以得到实际估算角度信号为：

理论分析表明由于逆变器死区效应和寄生电容影响使得旋转高频电压信号注入法产生的估算位置误差，进一步，分析表明该误差值与电流矢量的大小和相位有关。

步骤10：图1所示，利用对检测到的两相静止α-β坐标系下的电流信号i_α和i_β进行派克(Park变换)，变换到估计转子同步旋转坐标系下的d轴电流响应信号i_d和q轴电流响应信号i_q。然后，i_d、i_q通过低通滤波器LPF获得电流环反馈信号

步骤11：如图1所示，PI调节器输出的估计转子角速度作为转速反馈信号。给定转速ω_ref与估计转子角速度之差作为速度调节器的输入，经过调节获得给定q轴电流然后将与反馈q轴电流之差经过PI调节之后获得给定q轴电压同理，给定d轴电流0与反馈d轴d之差经过PI调节之后获得给定d轴电压最后将经过派克逆变换获得给定的基频两相静止坐标系下电压返回步骤2，直到电机稳定运行。

在MATLAB/Simulink中建立仿真模型对相位补偿过程进行仿真验证，结果如图4、5所示。图4为补偿前旋转高频电压信号注入法位置估算仿真波形和位置估算误差仿真波形；图5为补偿后旋转高频电压信号注入法位置估算仿真波形和位置估算误差仿真波形。仿真结果表明该方法能对由于逆变器死区时间和IGBT寄生电容产生的高频电压注入信号相位延迟产生的位置估计误差进行有效补偿。

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 (1)

1.一种旋转高频电压信号注入法永磁同步电机转子位置估算误差的补偿方法，其特征在于，首先获取旋转高频电压注入信号的相位误差然后对旋转高频电压信号注入法获得的转子位置估计值进行相位补偿，所述相位补偿值为其中，获取旋转高频电压注入信号的相位误差包括如下步骤：

A1)，检测控制永磁同步电机的三相逆变器输出的三相电压u_A、u_B、u_C，并进行克拉克变换得到两相静止α-β坐标系下的电压信号u_α和u_β；

A2)，将所述电压信号u_α经带通滤波器选出频率为ω_h的交流分量u_αh；再将所述u_αh与解调信号cos(ω_ht)通过相同的所述带通滤波器后的信号相乘，得到直流分量和频率为2ω_h的交流分量；然后经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量最后对该直流分量进行调制获得旋转高频电压注入信号的相位误差