CN106059435B - 一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，在基于脉振高频电压注入法的永磁同步电机无位置传感器控制中，离散化控制、逆变器死区等非理想因素会引起一定的位置估计误差。本发明通过离线测量不同Park变换角度θ对应的位置估计误差函数值ε，进行函数拟合得到ε(x)，然后在实际无位置传感器控制过程中用该拟合函数去补偿位置估计误差函数f(Δθ)，进而提高了永磁同步电机转子位置估计精度。本发明显著提高了转子位置和转速的估计精度，具有较大的实用价值。

Description

一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法。

背景技术

永磁同步电机无位置传感器控制可去除系统中的位置传感器，减小体积重量，降低成本，受到了很多学者的关注。

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。该方法为低速区域的无位置传感器控制提供了一个良好的解决方案，但估计精度受控制器性能、逆变器死区、电机参数不对称性等非理想因素影响。

在永磁同步电机无位置传感器控制中，位置估计精度是影响系统控制性能的一个重要因素。准确的转子位置信息保证了三相电流变换到同步旋转坐标系后的励磁分量电流和转矩分量电流的准确性，使系统具有良好的控制性能。但是，由于离散化控制和逆变器死区等非理想因素的存在，转子估计位置包含一定的误差。若转子位置信息不准确，电机相电流会发生畸变，并且三相电流经坐标变换得到的励磁分量电流和转矩分量电流也是不准确的，最终导致控制性能变差。可通过离线测量不同Park变换角度θ对应的位置估计误差函数的偏差值ε，再进行函数拟合得到拟合函数ε(x)，最后在实际无位置传感器控制过程中用该拟合函数去补偿位置估计误差函数f(Δθ)，得到更准确的位置估计误差函数f₀(Δθ)，再构建闭环将位置误差调节到0，从而提高永磁同步电机转子位置估计精度，该方法在改善无位置传感器控制性能方面具有重要的意义。

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，提出一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，在基于脉振高频电压注入法的永磁同步电机无位置传感器控制中，进行以下步骤：

步骤1)，通过离线测量得到n组Park变换角度θ对应的位置估计误差函数值ε，n为正整数，并对这n组数据进行函数拟合得到拟合函数ε(x)；

步骤1.1)，对2π进行n等分，并将转子位置固定到0rad；

步骤1.2)，在直轴注入高频电压；

步骤1.3)，获取交轴电流；

步骤1.4)，从交轴电流中获取误差信息ε；

步骤1.5)，将转子位置增加2π/n，若此时转子位置值小于2π，则返回步骤1.3)，否则执行步骤1.6)；

步骤1.6)，对所得n组数据进行拟合，得到拟合函数ε(x)；

步骤2)，用拟合函数ε(x)去补偿位置估计误差函数f(Δθ)，提高永磁同步电机转子位置估计精度。

作为本发明一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法进一步的优化方案，所述步骤2)中用拟合函数ε(x)去补偿位置估计误差函数f(Δθ)的具体步骤如下：

步骤2.1)，根据给定和反馈角速度获取估计交轴电流参考值；

步骤2.2)，获取估计直轴和交轴电压参考值；

步骤2.3)，在直轴叠加高频电压，采用SVPWM调制驱动电机；

步骤2.4)，检测相电流，经坐标变换得到估计交轴电流；

步骤2.5)，获取转子的位置估计误差函数；

步骤2.6)，根据拟合函数ε(x)获取位置估计误差函数的偏差值；

步骤2.7)，根据位置估计误差函数的偏差值对位置估计误差函数进行补偿，获取估计转子位置和转速；

步骤2.8)，重复步骤2.1)-步骤2.7)。

作为本发明一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法进一步的优化方案，所述n取62。

作为本发明一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法进一步的优化方案，所述步骤1.6)中，对所得n组数据采用i次正弦函数拟合得到拟合函数ε(x)，其中i为正整数，取值为8。

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.提出一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，考虑离散化控制和逆变器死区等多种非理想因素对位置估计精度的影响，提前测量出不同转子位置对应的位置估计误差函数的偏差值，并采用函数拟合得到拟合函数，并在控制过程中对位置估计误差函数进行补偿，实现更准确的位置估计；

2.显著提高了转子位置和转速的估计精度，采用本发明所提的补偿方法后，转子位置估计误差的最大值从0.3rad减小到了0.1rad，转速估计误差的最大值从15r/min减小到了4r/min，改善了无位置传感器控制的性能。

附图说明

图1为拟合函数获取过程的系统控制框图；

图2为包含补偿环节的永磁同步电机无位置传感器控制框图；

图3为拟合函数获取流程图；

图4为具体实施流程图；

图5为拟合函数曲线；

图6(a)为给定转速100r/min稳定运行时，对应补偿前转子位置、位置估计误差、转速和转速估计误差的实验波形；

图6(b)为给定转速100r/min稳定运行时，对应补偿后转子位置、位置估计误差、转速和转速估计误差的实验波形。

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：

如图3和图4所示，本发明公开了一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，体实施步骤为：

步骤1)，如图1所示，通过离线测量得到n组Park变换角度θ对应的位置估计误差函数值ε，n为正整数，并对这n组数据进行函数拟合得到拟合函数ε(x)。

步骤1.1)，将转子位置从0-2π进行n等分，并且将转子位置θ固定到0rad，其中n为正整数，其值越大，得到的数据组数越多，这里取n取62；

步骤1.2)，直轴电压u_d给定为U_mh cos(ω_ht)，交轴电压u_q给定为0，其中t表示时间，U_mh表示注入高频电压信号的幅值，一般取5-30V，这里取15V，ω_h表示注入高频电压信号的角频率，一般取1000π-4000π rad/s，这里取2000π rad/s；

步骤1.3)，借助位置传感器读取转子位置θ，对u_d和u_q进行Park^-1变换，再采用SVPWM调制策略得到逆变器驱动逻辑S，逆变器母线端电压为U_dc，其大小由电机额定电压决定，这里为310V，检测A相电流i_A和B相电流i_B，对其进行Clarke变换，再进行Park变换，得到直轴电流i_d和交轴电流i_q；

步骤1.4)，采用带通滤波器BPF提取i_q中频率与注入信号频率相同的高频分量i_qh，将其与2sin(ω_ht)相乘，再经过低通滤波器LPF得到误差信息ε；

步骤1.5)，将转子位置增加2π/n，若此时转子位置值小于2π，则返回步骤1.3)，否则执行步骤1.6)；

步骤1.6)，根据不同的转子位置θ处所得到的误差信息值ε，采用i次正弦函数拟合，得到拟合函数ε(x)，其中i为正整数，其值越大，拟合结果越准确，这里取值为8。

步骤2)，如图2所示，用拟合函数去补偿位置估计误差函数。

步骤2.1)，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，其中的初始值为0；

步骤2.2)，将与估计直轴电流反馈值作差输入给PI调节器，其输出为估计直轴电压参考值将与估计交轴电流反馈值作差输入给PI调节器，其输出为估计交轴电压参考值

步骤2.3)，将估计直轴电压参考值叠加一个高频电压信号U_mh cos(ω_ht)，构成新的估计直轴电压参考值估计交轴电压参考值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0；U_dc一般由电机的额定值确定，本系统中其值为310V；

步骤2.4)，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变换得到和

步骤2.5)，采用一个选通角频率在ω_h附近的带通滤波器BPF对估计交轴电流进行滤波，得到估计交轴电流的高频分量将其与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)；

步骤2.6)，将估计转子位置作为拟合函数ε(x)的输入，得到

步骤2.7)，将f(Δθ)和作差，得到新的位置估计误差函数f₀(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

步骤2.8)，重复步骤2.1)-步骤2.7)。

在一台额定功率1.5kW的SPMSM上对本专利所提的提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法进行了实验验证，如图5和图6所示。电机的给定转速为100r/min，所加负载转矩为额定值5Nm。图5为本电机的位置估计误差函数偏差值的8次正弦拟合函数ε(x)。图6(a)为补偿前的转子位置、位置估计误差、转速、转速估计误差的实验波形；图6(b)为补偿后的转子位置、位置估计误差、转速、转速估计误差的实验波形。采用该

补偿方法前，转子位置估计误差的最大值约为0.3rad，转速估计误差的最大值约为10r/min；采用该补偿方法后，转子位置估计误差的最大值减小为0.1rad，转速估计误差的最大值减小为4r/min。可见，本专利将离散化控制和逆变器死区等非理想型因素考虑在内，提出了一种基于位置估计误差函数补偿的提高转子位置估计精度的方法，实验结果表明该方法能明显提高转子位置和转速估计精度，改善系统的控制性能。

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 (3)

1.一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，其特征在于，在基于脉振高频电压注入法的永磁同步电机无位置传感器控制中，进行以下步骤：

步骤1)，通过离线测量得到n组Park变换角度θ对应的位置估计误差函数值ε，n为正整数，并对这n组数据进行函数拟合得到拟合函数ε(x)；

步骤1.1)，对2π进行n等分，并将转子位置固定到0rad；

步骤1.2)，在直轴注入高频电压；

步骤1.3)，获取交轴电流；

步骤1.4)，从交轴电流中获取误差信息ε；

步骤1.5)，将转子位置增加2π/n，若此时转子位置值小于2π，则返回步骤1.3)，否则执行步骤1.6)；

步骤1.6)，对所得n组数据进行拟合，得到拟合函数ε(x)；

步骤2)，用拟合函数ε(x)去补偿位置估计误差函数f(Δθ)，提高永磁同步电机转子位置估计精度，具体步骤如下：

步骤2.1)，根据给定和反馈角速度获取估计交轴电流参考值；

步骤2.2)，获取估计直轴和交轴电压参考值；

步骤2.3)，在直轴叠加高频电压，采用SVPWM调制驱动电机；

步骤2.4)，检测相电流，经坐标变换得到估计交轴电流；

步骤2.5)，获取转子的位置估计误差函数；

步骤2.6)，根据拟合函数ε(x)获取位置估计误差函数的偏差值；

步骤2.7)，根据位置估计误差函数的偏差值对位置估计误差函数进行补偿，获取估计转子位置和转速；

步骤2.8)，重复步骤2.1)-步骤2.7)。

2.根据权利要求1所述的提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，其特征在于，所述n取62。

3.根据权利要求1所述的提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，其特征在于，所述步骤1.6)中，对所得n组数据采用i次正弦函数拟合得到拟合函数ε(x)，其中i为正整数，取值为8。