CN106026831A - 一种无位置传感器控制下的电流解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无位置传感器控制下的电流解耦方法，将转子位置估计误差对电流耦合的影响考虑在内，对直轴和交轴电流进行更全面的解耦，从而减小转子位置估计误差，改善系统的控制性能。该方法在永磁同步电机的无位置传感器控制方式下，由于参与电流解耦控制的均为估计量，使得转子位置估计误差对电流耦合存在明显的影响，其中电流的部分耦合项与电流的导数、转子位置估计误差、直轴电感饱和值与交轴电感的差异均有关。

Description

一种无位置传感器控制下的电流解耦方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种无位置传感器控制下的电流解耦方法。

背景技术

永磁同步电机凭借其体积重量小、功率因素高、控制性能好等优点得到了广泛的工业应用。在其控制过程中需要获取准确的转子位置信息，常采用机械式传感器获得，如光电编码器、旋转变压器等。但这增加了系统的体积、重量和成本，并且在一些剧烈震动、潮湿的场合这类传感器易失效，为了解决上述问题，不少学者对永磁同步电机无位置传感器控制技术展开了研究。

J.H.Jang,S.K.Sul,J.I.Ha,“Sensorless Drive of Surface-MountedPermanent-Magnet Motor by High-Frequency Signal Injection Based on MagneticSaliency,”IEEE Transactions on Industry Applications,vol.39,no.4,pp.1031-1039,2003.在d轴注入脉振高频电压信号，对q轴电流进行带通滤波得到高频响应分量，再用一个同频率的正弦调制信号与其相乘，最后经过低通滤波得到转子位置估计误差信号，构建闭环将该误差信号调节到零实现转子位置估计。

采用矢量控制技术实现永磁同步电机转速调节时，dq轴电流存在一定的耦合，主要包括反电势耦合项和dq轴电感相关的耦合项，通常可对dq轴电流进行解耦，提高系统的控制性能。而在永磁同步电机无位置传感器控制中，由于解耦所涉及的相关变量均为估计值，转子位置估计误差对电流耦合也有一定的影响，因此在无位置传感器控制下的电流解耦方法中，应考虑转子位置估计误差对电流耦合的影响，提高转子位置估计精度，改善系统的控制性能。而如何在电流解耦方法中考虑转子位置估计误差对电流耦合的影响还缺乏研究，这也是本申请所致力解决的实际问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的问题，提出一种无位置传感器控制下的电流解耦方法，将转子位置估计误差对电流耦合的影响考虑在内，对直轴和交轴电流进行更全面的解耦，从而减小转子位置估计误差，改善系统的控制性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明永磁同步电机无位置传感器控制下的电流解耦方法，该首先考虑位置估计误差在直轴和交轴间的耦合作用，对直轴和交轴电流进行解耦，得到估计直轴和交轴电压参考值；然后基于脉振高频电压注入法实现无位置传感器控制；其中获取估计直轴和交轴电压参考值的步骤如下：

1.1)获取估计直轴电压参考值

1.1.1)读取PI的输出值

1.1.2)计算估计交轴电流反馈值相关项

1.1.3)计算估计交轴电流反馈值导数与转子位置估计误差相关项

1.1.4)将得到的数值和相加，作为估计直轴电压参考值

1.2)获取估计交轴电压参考值

1.2.1)读取PI的输出值

1.2.2)计算估计直轴电流反馈值相关项

1.2.3)计算估计直轴电流反馈值导数与转子位置估计误差相关项

1.2.4)计算反电势相关项

1.2.5)将得到的数值和相加，作为估计交轴电压参考值

其中所述的基于脉振高频电压注入法实现无位置传感器控制，其步骤如下：

2.1)在直轴叠加高频电压，根据SVPWM(空间矢量脉宽调制策略)得到逆变器驱动逻辑；

2.2)检测电机相电流，采用Clarke(克拉克变换)和Park(派克变换)变换得到估计直轴和交轴电流反馈值；

2.3)从估计交轴电流反馈值中获取估计转子位置和角速度；

2.4)获取估计交轴电流参考值，并将估计直轴电流参考值设为0。

如图1所示，在采用脉振高频电压注入法实现永磁同步电机无位置传感器控制的基础上，提出了一种电流解耦方法对电流进行解耦控制。该无位置传感器控制方法采用脉振高频电压注入法，在估计直轴注入一个幅值为U_mh、角频率为ω_h的余弦高频电压信号U_mhcos(ω_ht)，利用位置估计模块从估计交轴电流中解算估计转子角速度，进一步积分得到估计转子位置。该位置估计模块的输入量包括估计交轴电流反馈值，输出量包括估计转子角速度和转子位置估计误差函数。该电流解耦方法的输入量包括估计直轴和交轴电流参考值、估计直轴和交轴电流反馈值、估计转子角速度、转子位置估计误差函数和永磁体磁链等，输出量包括估计直轴和交轴电压参考值。

现有常规电流解耦方法如图2所示，估计直轴电压参考值由2部分组成，分别是直轴电流PI调节器的输出和交轴电感在直轴的耦合项估计交轴电压参考值由3部分组成，分别是交轴电流PI调节器的输出直轴电感在交轴的耦合项和反电势项在永磁同步电机无位置传感器控制中，由于参与反馈解耦的都是估计量，因此转子位置估计误差也会对电流耦合产生一定的影响，采用常规电流解耦方法并不能实现直轴和交轴电流的完全解耦。

为了解决该问题，本申请将转子位置估计误差考虑在内，提出一种新的电流解耦方法，如图3所示。估计直轴电压参考值由4部分构成，分别是PI的输出估计交轴电流反馈值相关项估计交轴电流反馈值导数与转子位置估计误差相关项和反电势相关项估计交轴电压参考值由4部分构成，分别是PI的输出估计直轴电流反馈值相关项估计直轴电流反馈值导数与转子位置估计误差相关项和反电势相关项

进一步的，由于直轴电感饱和值与交轴电感的差异L₀无法直接获取，图3所示的电流解耦方法还不能直接应用到实际系统中。考虑到图1中的位置估计模块所提取的转子位置估计误差函数就包含L₀信息，因此利用转子位置估计误差函数间接解算出L₀，同时在转子位置估计误差较小的前提下，图3中的相关耦合项可作进一步简化，如下：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_0\sin 2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\ω}}_h{L}_d{L}_{q}f\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)}{-U_{mh}}\\ {\widehat{\mathrm{\ω}}}_r(L+L_0\cos 2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}){\hat{i}}_d\≈{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r{L}_d{\hat{i}}_d\\ -{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r(L-L_0\cos 2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}){\hat{i}}_q\≈-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r{L}_q{\hat{i}}_q\\ -{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r{\mathrm{\ψ}}_f\sin \mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\≈0\\ {\widehat{\mathrm{\ω}}}_r{\mathrm{\ψ}}_f\cos \mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\≈{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r{\mathrm{\ψ}}_f\end{array}\right.---\left(1\right)$

简化后的电流解耦方法如图4所示， 和分别被简化为 和(7)被简化为0。

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)提出一种新的直轴和交轴电流解耦控制方法，与现有解耦控制方法相比，本申请考虑了转子位置估计误差这一因素，在现有的解耦控制方法基础上添加了与位置估计误差相关的解耦项，使直轴和交轴电流解耦更加充分；

2)该方法在永磁同步电机的无位置传感器控制方式下，由于参与电流解耦控制的均为估计量，使得转子位置估计误差对电流耦合存在明显的影响，其中电流的部分耦合项与电流的导数、转子位置估计误差、直轴电感饱和值与交轴电感的差异均有关。

3)采用本申请所提的直轴和交轴电流解耦方法，提高了转子位置的估计精度，转子位置估计误差的最大值从0.14rad减小到了0.08rad，改善了无位置传感器控制的性能。

附图说明

图1为本发明电流解耦方法的永磁同步电机无位置传感器控制框图；

图2为现有常规电流解耦控制框图；

图3为本发明电流解耦控制框图；

图4为本发明简化的电流解耦控制框图；

图5为本发明方法的流程图；

图6(a)-6(b)为给定转速50r/min稳定运行时实际转子位置、估计转子位置和转子位置估计误差的实验波形，(a)对应不采用电流解耦控制的情况，(b)对应采用电流解耦控制的情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

实施例一：

如图5所示，本发明的具体实施步骤为：

1)采用解耦算法获取估计直轴和交轴电压参考值。

1.1)获取估计直轴电压参考值

1.1.1)将估计直轴电流参考值与估计直轴电流反馈值的差作为PI调节器的输入，读取PI调节器的输出其中和的初始值为0。

1.1.2)将估计交轴电流反馈值估计转子角速度和交轴电感L_q三者相乘，计算估计交轴电流反馈值相关项其中和的初始值为0；L_q是电机本体参数，一般可从铭牌直接获得。

1.1.3)将估计交轴电流反馈值导数注入高频信号的角频率ω_h、直轴电感L_d、交轴电感L_q、转子位置估计误差函数f(Δθ)相乘，再除以注入高频信号幅值的相反数-U_mh，计算估计交轴电流反馈值导数与转子位置估计误差相关项其中ω_h一般取1000πrad/s–4000πrad/s，本实例取2000πrad/s；U_mh一般取5-30V，本实例取15V；L_d是电机本体参数，一般可从铭牌直接获得；f(Δθ)的初始值为0。

1.1.4)将得到的数值和相加，作为估计直轴电压参考值

1.2)获取估计交轴电压参考值

1.2.1)将估计交轴电流参考值与估计交轴电流反馈值的差作为PI调节器的输入，读取PI的输出值其中的初始值为0。

1.2.2)将估计直轴电流反馈值估计转子角速度和直轴电感L_d三者相乘，计算估计直轴电流反馈值相关项

1.2.3)将估计直轴电流反馈值导数注入高频信号的角频率ω_h、直轴电感L_d、交轴电感L_q、转子位置估计误差f(Δθ)相乘，再除以注入高频信号幅值的相反数-U_mh，计算估计直轴电流反馈值导数与转子位置估计误差相关项

1.2.4)将估计转子角速度和永磁体磁链ψ_f相乘，计算反电势相关项其中ψ_f是电机本体参数，一般可从铭牌直接获得。

1.2.5)将得到的数值和相加，作为估计交轴电压参考值

2)在直轴叠加高频电压，根据SVPWM得到逆变器驱动逻辑。

将电流解耦方法输出的估计直轴电压参考值叠加一个高频电压信号U_mh cos(ω_ht)(已在骤1.1.3对幅值和角频率进行了说明和限定)，构成新的估计直轴电压参考值估计交轴电压参考值仍为再根据估计转子位置进行Park逆变换(Park^-1)，得到u_α和u_β，再采用空间矢量脉宽调制策略(SVPWM)得到逆变器6个开关管的驱动状态S。逆变器直流侧所加的电压为U_dc。其中的初始值为；U_dc一般根据电机的额定值选择，本系统中其值为310V。

3)检测电机相电流，采用Clarke和Park变换得到估计直轴和交轴电流反馈值。

检测永磁同步电机PMSM中的两相电流，如i_A和i_B，对其进行Clarke变换得到i_α和i_β，再根据对其进行Park变换得到估计直轴电流反馈值和估计交轴电流反馈值

4)从估计交轴电流反馈值中获取估计转子位置和角速度。

采用一个选通角频率在ω_h附近的带通滤波器BPF对估计交轴电流反馈值进行滤波，得到估计交轴电流反馈值的高频分量将其与2sin(ω_ht)相乘，再经过一个低通滤波器LPF得到转子位置估计误差函数f(Δθ)，作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为估计转子角速度再经过I积分器得到估计转子位置

5)获取估计交轴电流参考值，并将估计直轴电流参考值设为0。

将给定转子角速度ω_ref和估计转子角速度作差，输入给PI调节器得到估计交轴电流参考值将估计直轴电流参考值设为0。

6)重复步骤1-5。

对该电流解耦方法的理论分析如下，刘颖，周波，李帅，在中国电机工程学报，2011年第31卷18期的论文转子磁钢表贴式永磁同步电机转子初始位置检测中给出了在d轴注入脉振高频电压信号后的q轴电流响应的高频分量：

${\hat{i}}_{qk}=\frac{-\mathrm{\Δ}Zsin\left(2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)}{Z_d{Z}_q}{U}_{mh}cos\left({\mathrm{\ω}}_{h}t\right)---\left(2\right)$

由于高频感抗比电阻大得多，忽略定子电阻的影响，上式可表示为：

${\hat{i}}_{qh}=\frac{-U_{mh}{L}_{0}sin\left(2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)}{{\mathrm{\ω}}_h{L}_d{L}_q}sin\left({\mathrm{\ω}}_{h}t\right)---\left(3\right)$

根据图1中的位置估计模块对该电流信号的处理，得到转子位置估计误差函数为：

$f\left(\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)=LPF\left(2{\hat{i}}_{qh}sin\right({\mathrm{\ω}}_{h}t\left)\right)=\frac{-U_{mh}{L}_0}{{\mathrm{\ω}}_h{L}_d{L}_q}sin\left(2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\right)---\left(4\right)$

永磁同步电机的电压方程可表示为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{R}_s+L_{d}p& 0\\ 0& R_s+L_{q}p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}0& -{\mathrm{\ω}}_r{L}_q\\ {\mathrm{\ω}}_r{L}_d& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ {\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_f\end{array}\right]---\left(5\right)$

根据上式可解算出估计dq轴电压表达式为：

$\begin{array}{c}{\hat{u}}_d=(-{\mathrm{\ω}}_r{L}_0\sin 2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}+R_s+(L+L_0\cos 2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\left)p\right)\widehat{i_d}\\ +(-{\mathrm{\ω}}_r(L-L_0\cos 2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ})+L_0\sin 2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}p)\widehat{i_q}-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_f\sin \mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\\ ={\hat{u}}_{d0}+(-{\mathrm{\ω}}_r(L-L_0\cos 2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ})+L_0\sin 2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}p)\widehat{i_q}-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_f\sin \mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\\ {\hat{u}}_q=({\mathrm{\ω}}_r{L}_0\sin 2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}+R_s+(L-L_0\cos 2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\left)p\right)\widehat{i_q}\\ +\left({\mathrm{\ω}}_r\right(L+L_0\cos 2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ})+L_0\sin 2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}p){\hat{i}}_d+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_f\cos \mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\\ ={\hat{u}}_{q0}+\left({\mathrm{\ω}}_r\right(L+L_0\cos 2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ})+L_0\sin 2\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}p){\hat{i}}_d+{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_f\cos \mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\end{array}---\left(6\right)$

根据上式可给出如图3所示的新的电流解耦方法，考虑到L₀无法通过直接测量得到，根据公式(1)对图3的结构进行一定的简化，得到最终简化的电流解耦方法如图4所示。

采用加拿大公司出品的半实物仿真器RT-LAB在一台额定功率1.5kW的SPMSM上对本申请的方法进行了实验验证，如图6(a)和图6(b)所示。图6(a)为不采用电流解耦控制下的转子实际位置、估计位置和转子位置估计误差的实验波形；图6(b)为采用电流解耦控制下的转子实际位置、估计位置和转子位置估计误差的实验波形。可见采用该电流解耦方法前，转子位置估计误差的最大值约为0.14rad；采用该电流解耦方法后，转子位置估计误差的最大值减小为0.08rad，估计位置更加接近实际位置。总之，该方法将转子位置估计误差对电流耦合的影响考虑在内，对dq轴电流进行了更全面的解耦，减小了转子位置估计误差，改善了系统的控制性能。

本技术领域技术人员可以理解的是，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)具有与本发明所属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。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种无位置传感器控制下的电流解耦方法，其特征在于：该方法首先对直轴和交轴电流进行解耦，得到估计直轴和交轴电压参考值；然后基于脉振高频电压注入法实现无位置传感器控制；其中获取估计直轴和交轴电压参考值的步骤如下：

1.1)获取估计直轴电压参考值

1.1.1)读取PI的输出值

1.1.2)计算估计交轴电流反馈值相关项

1.1.3)计算估计交轴电流反馈值导数与转子位置估计误差相关项

1.1.4)将得到的数值和相加，作为估计直轴电压参考值

1.2)获取估计交轴电压参考值

1.2.1)读取PI的输出值

1.2.2)计算估计直轴电流反馈值相关项

1.2.3)计算估计直轴电流反馈值导数与转子位置估计误差相关项

1.2.4)计算反电势相关项

1.2.5)将得到的数值和(13)相加，作为估计交轴电压参考值

2.如权利要求1无位置传感器控制下的电流解耦方法，其中，基于脉振高频电压注入法实现无位置传感器控制的步骤如下：

2.1)在直轴叠加高频电压，根据SVPWM得到逆变器驱动逻辑；

2.2)检测电机相电流，采用Clarke和Park变换得到估计直轴和交轴电流反馈值；

2.3)从估计交轴电流反馈值中获取估计转子位置和角速度；

2.4)获取估计交轴电流参考值，并将估计直轴电流参考值设为0。