CN107086834A - 方波注入的永磁同步电机转子位置时延补偿方法估算方法 - Google Patents
方波注入的永磁同步电机转子位置时延补偿方法估算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种方波注入的永磁同步电机转子位置时延补偿方法估算方法，通过PI电流调节器控制输出Ud、Uq电压矢量的大小，在电机静止时向估计d轴注入方波电压信号，闭环完成初始定位，使N极迅速收敛到真实d轴。电机顺利起动后，考虑到在动态过程中负载分量的快速变化会产生高频分量，从而限制位置观测器带宽，影响位置估计精度，本发明通过BPF来消除负载高频分量，获取q轴高频响应电流，并通过位置观测器估计转子位置和速度。同时，基于q轴电流误差延时补偿算法消除PWM信号滞后带来的高频响应电流畸变。
Description
技术领域
本发明属于交流电机传动技术领域，涉及永磁同步电机无位置传感器控制方法，具体涉及一种基于方波注入的永磁同步电机转子位置时延补偿方法估算方法，是一种在低开关频率下利用空间矢量脉宽调制并基于方波电压注入的永磁同步电机转子位置估计方法。
背景技术
永磁同步电机因效率高、功率密度大及宽调速范围等优点，近年来受到轨道交通行业的密切关注。由于与牵引电机为一体，恶劣的环境导致位置传感器的故障率一直较高，造成机破、降速行驶等安全问题。无位置传感器控制是解决这一问题的关键技术。在传统功率变频器的控制系统设计中，通常把PWM调制环节使用Padé近似简化为一阶惯性环节；其前提是：PWM调制的开关频率较高，其延时相对较小，可以忽略此延时对控制系统的影响。而大功率变频装置的开关器件受开关损耗以及散热的限制，最高开关频率一般不超过1kHz，PWM调制环节的延时显著增大，使得电流环带宽受限、系统动态响应能力下降，且由此产生较大的数字控制延时将加剧dq轴电流的交叉耦合程度，从而造成在使用信号注入法时高频响应电流发生畸变，影响位置估计精度。另一方面，传统的正弦电压注入法在高频信号解调和位置估计时需要使用较多滤波器，会极大限制电流环和速度环的带宽，且开关频率较低时由于采样点数较少，正弦电压信号会发生严重失真，导致响应电流出现畸变。而方波电压信号的形式决定了其更加适用于低开关频率下的谐波注入。
目前，国内外关于永磁同步电机无位置传感器控制的研究主要集中在开关频率较高的情况下，而关于消除低开关频率下脉冲生成环节的信号延迟均是通过重新设计电流控制器来实现对定子电流磁化分量和转矩分量的有效解耦，并没有分析PWM信号滞后及电流耦合程度加剧对位置估计精度的影响。
低开关频率下传统的高频注入法会存在以下两个特殊问题：1)正弦信号在低采样频率下由于采样点过少会出现严重失真，导致高频响应信号出现严重畸变。2)PWM信号出现滞后，随着电机转速上升，交叉耦合加剧，进一步影响了高频响应电流包络线的正弦度，带来位置估计误差。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种方波注入的永磁同步电机转子位置时延补偿方法估算方法，一方面选择方波电压作为注入谐波，简化了高频信号处理过程。另一方面引入了一种时延补偿算法消除PWM信号滞后带来的影响，改善低开关频率造成的电流耦合现象，降低高频响应电流畸变率。
技术方案
一种方波注入的永磁同步电机转子位置时延补偿方法估算方法，其特征在于：
通过PI电流调节器控制输出Ud、Uq电压矢量的大小，在电机静止时向估计d轴注入方波电压信号，闭环完成初始定位，使N极收敛到真实d轴。电机起动后，通过BPF消除负载高频分量，获取q轴高频响应电流，通过位置观测单元估算转子位置。
计算低开关频率下数字控制系统的采样延时时间Tdelay≈1.5Ts,其中Ts为载波周期，并建立考虑Tdelay下的PI电流调节器传递函数；针对得到的转子位置估算值，计算低开关频率下的时延相位δ及q轴电流时延误差补偿增益。
具体步骤如下：
步骤1：向估计d轴注入如下式所示的方波电压信号
其中，符号“∧”代表对应量的估计值，Uh为注入方波电压的幅值。注入频率ωh设置为开关频率的一半；
步骤2：计算转子位置估算误差
其中，θr为转子位置真实值，为转子位置估算值；
步骤3：获取q轴载波电流
步骤4：对进行采样，并计算解调后的载波电流
其中，为转子位置误差系数；作为位置观测单元的输入即获取转子位置估算值
步骤5：计算考虑相位滞后的实际三相电流值
其中，ISdel为实际采样的电流峰值，δ为PWM延迟造成的实际系统电流的滞后相位；
步骤6：交直轴电流给定为通过A/D采样得到的三相电流通过坐标变换得到idqdel，则补偿增益值为
步骤7：通过补偿增益，得到参与PI电流调节器的补偿电流idqmc：
步骤8：当δ′＝δ时，则系统延时得到补偿，联立推导得：
其中，δ′为估计的延时相位；
步骤9：位置误差信号通过观测器获得补偿前的位置估计值补偿后的转子位置角和补偿后的dq轴反馈电流为：
其中，为最终获得时延补偿后的转子位置估计值，idmc和iqmc为补偿后的dq轴反馈电流值。
有益效果
本发明提出的一种方波注入的永磁同步电机转子位置时延补偿方法估算方法，通过PI电流调节器控制输出Ud、Uq电压矢量的大小，在电机静止时向估计d轴注入方波电压信号，闭环完成初始定位，使N极迅速收敛到真实d轴。电机顺利起动后，考虑到在动态过程中负载分量的快速变化会产生高频分量，从而限制位置观测器带宽，影响位置估计精度，本发明通过BPF来消除负载高频分量，获取q轴高频响应电流，并通过位置观测器估计转子位置和速度。同时，基于q轴电流误差延时补偿算法消除PWM信号滞后带来的高频响应电流畸变。
本发明方法的控制原理框图如图1所示。其中，高频电流信号通过带通滤波器提取，滤波得到的高频电流信号通过信号解调及位置观测器完成转速和位置的估计，给定交直轴电流与补偿后的反馈电流idqmc之差通过PI电流调节器进行输出电压Udq的计算，并通过空间矢量调制(Space Vector Modulation,SVM)方法控制三相全桥逆变器的输出，驱动永磁同步电机，实现PMSM在低开关频率下的无位置起动。
本发明所述的永磁同步电机无位置传感器控制具有以下优点：1)选用方波电压作为注入谐波，免除了位置估计环节大量滤波器的使用，提高了控制系统带宽；2)采用基于q轴电流误差补偿的方法，消除了低开关频率下PWM信号滞后带来的影响，降低了响应电流畸变率，提高了位置估计精度。3)考虑负载电流分量对位置估计精度的影响，在闭环模型的高频信号提取环节通过BPF滤除负载高频分量，进一步改善了位置估计效果。
附图说明
图1：本发明方法原理框图
图2：位置观测器
图3：传动系统数字控制时序
图4：数字延时电压矢量示意图
图5：考虑等效延时的同步电流PI矢量控制系统结构框图
图6：开关频率变化时的零极点图
图7：时延补偿算法框图
图8：系统硬件电路结构框图
图9：注入的方波电压信号及采样时刻
图10：方波电压信号的施加形式
图11：空载时永磁同步电机a相电流波形对比
图12：空载时永磁同步电机位置估计波形对比
图13：空载时永磁同步电机位置估计误差对比
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明是一种通过方波电压注入实现永磁同步电机位置估计的无位置传感器控制策略，考虑到低开关频率带来的PWM信号滞后及注入谐波频率降低造成的位置估计误差，通过分析低开关频率下PWM信号滞后机理及时延对系统稳定性的影响，提出了一种时延补偿算法，建立了一种适用于低开关频率的无位置传感器闭环控制模型，旨在实现对定子电流磁化分量和转矩分量的有效解耦，从而改善低开关频率下的响应电流畸变率，提高位置估计精度。最终通过PI电流调节器输出电压矢量，再以SVPWM控制两电平通用变频器。包括以下几方面：
(1)DSP计算及PWM输出延时和数字控制时序有关，典型的传动系统数字控制时序如图3所示，主要包括采样、矢量控制算法计算、中断下溢重载、PWM更新。考虑在数字控制时序中，延时主要包括控制算法计算延时和PWM输出延时，则低开关频率下的数字控制系统的延时时间可表示为：
Tdelay＝Tcal+TPWM≈1.5Ts (1)
其中，Ts为电流采样周期，Tcal为计算延时，TPWM为PWM输出延时。
(2)通过复矢量法来分析低开关频率对系统稳定性的影响，主要包括：
a)对PMSM采用磁链定向的矢量控制，在复数坐标系{1，j}上定义复变量udq＝ud+juq,idq＝id+jiq,旋转坐标系下PMSM的电压方程为
ud＝Rsid+Ldpid-ωrLqiq (2)
uq＝Rsiq+Lqpiq+ωr(Ldid+ψf) (3)
其中，ud和uq为d、q轴电压分量；id和iq为d、q轴电流分量，Lq和Ld分别为交直轴同步电感，Rs为定子电阻，ωr为转子电角速度。为了简化分析过程，取表贴式永磁同步电机，令Lq＝Ld＝Ls，则复平面内矢量形式表示的永磁同步电机d-q坐标系电压方程为
udq＝Rsidq+Lspidq+jωr(Lsidq+ψf) (4)
b)考虑系统等效延时，基于同步电流PI调节器的矢量控制系统框图如图5所示。
若把反电势当作一个扰动，则由图5易得到系统的开环和闭环传递函数分别为
其中Tdelay为系统采样延时，在进行转速估算后，可根据上式分析在Tdelay变化时的系统零极点分布，从而发现开关频率变化对系统稳定性的影响。
(3)由于PWM输出延时造成电流出现相位滞后，使用估计的位置角参与坐标变换，矢量控制时实际的三相电流可表示为
其中，ISdel为实际采样的电流峰值，δ为PWM延迟造成的实际系统电流的滞后相位。由于永磁体励磁恒定，若能控制q轴电流误差，估算实际系统延时带来的滞后相位，估算值为δ′，然后控制估计的同步旋转矩阵位移角同时补偿幅值衰减，即可消除系统延时带来的幅值和相位影响。补偿计算包括以下各式：
式(8)～(12)所体现的补偿流程如图7所示，根据误差电流iqerr，利用PI控制器实时调节系统延时，从而控制估计的转子位移角达到对整个无位置矢量控制系统中存在的各种延时的补偿，而不必局限于采样滤波、PWM更新、计算处理等部分延时的分析补偿，扩大了延时补偿的应用范围，提高了无位置控制系统的动静态性能和稳定性。所设计的变量包括：幅值补偿后的dq轴电流idqmc，q轴电流误差iqerr，交直轴电流给定
(4)向估计d轴注入方波电压信号后，通过对q轴电流进行信号处理来估计转子位置。注入的电压形式为：
其中，Uh为注入方波电压的幅值，注入的方波电压与载波的对应关系如图9所示。图10给出了实验条件下注入的方波电压信号，其参数设定依赖于电机和逆变器参数，此时开关频率为1kHz，方波电压频率500Hz，注入电压幅值15V。
(5)在对高频信号解调时，选择对q轴响应电流进行处理，对经过BPF后的q轴电流进行采样可得到采样值则可通过下式进行解调
其中，为转子位置误差系数，则解调后的转子位置误差信息可通过图2所示的位置观测器进行转子位置和速度的估计。
本发明实施例的系统硬件结构如图8所示，包括：整流电路、滤波电路、三相全桥逆变器、电流和电压检测电路、中央控制器。本系统采用旋转变压器来进行真实位置信号的采集，并与估计位置作对比，构成永磁同步电机无位置传感器控制系统。为验证本发明方法，采用RTLAB作为主控制器，利用一台3.7KW的永磁同步电机搭建了验证平台。
实施例包含的具体步骤如下：
1.基于RTLAB控制器搭建方波注入的基础模型；
2.通过q轴高频响应电流解算位置信号，包括以下步骤：
(2.1).通过电流传感器以及相应的信号处理电路从交流供电的逆变器电路中测得PMSM三相电流iA、iB、iC，其中iABC＝iABCf+iABCh；
(2.2).由下式计算永磁同步电机定子电流在静止两相坐标系αβ轴下的分量：
(2.3).由下式计算永磁同步电机定子电流在旋转两相坐标系下的分量：
(2.4).由下式提取q轴响应电流
(2.5).转子位置误差信息由下式计算
(2.6).位置和转速的估计由图2所示的位置观测器完成。
3.通过以下步骤分析低开关频率下延时对系统稳定性及位置估计精度的影响：
(3.1).数字控制系统中根据电压得到的开通关断时间即占空比D(k)，需要等到(k+1)周期才能加载，中间存在Ts的时间延迟，由图4所示，在第k个周期中估计的位置角通过矢量控制、坐标变换得到Ud(k)和Uq(k)，受延时影响，Ud(k)和Uq(k)需要等到k+1个周期才能作用到电机上，这一个周期内的转子位置角变化可表示为
(3.2).不考虑数字延时影响，作用在电机上的两项静止电压矢量可表示为
考虑数字延时影响，结合图3，可以得到两项静止电压计算方程
上式中，故在数字延时影响电压矢量有效值在相位和幅值上都出现偏差，且开关频率越低偏差越大。
(3.3).取延迟时间为Tdelay，考虑信号采样的延迟和PWM控制的惯性特性，本发明用1阶系统来近似模拟，则dq坐标系下的电压输入输出关系为
上式中，为PI电流调节器产生的参考电压矢量，Tdelay为PWM控制和采样的惯性时间，则延迟环节的传递函数为
(3.4).考虑PI环节，则电流内环的开环和闭环传递函数分别为
图6为开关频率变化时的系统零极点图，当开关频率降低(即Tdelay变大)，延时环节的极点向实轴靠近，对系统稳定性影响加大。
(3.5).使用方波电压，注入实际dq轴的高频电压为
在估计dq坐标系下由注入方波电压信号产生的电流波动为
可由下式计算
(3.6).考虑到低开关频率下PWM信号滞后带来的影响，实际注入的高频电压信号会畸变为
则转子位置估计误差的计算值为
其中，可以看出PWM信号滞后所造成的电压畸变也影响到了高频信号的位置估计误差，进一步会影响解调后的位置估计精度。4.搭建延时补偿算法模型，通过以下步骤实现对dq轴反馈电流的幅值补偿和系统相位延时补偿：
(4.1).由以下步骤完成对dq反馈电流的幅值补偿：
(4.1.1).交直轴电流给定为通过A/D采样得到的三相电流通过坐标变换得到idqdel，则补偿增益值为：
(4.1.2).通过补偿增益，可得到参与PI电流调解的补偿电流idqmc
(4.2).由以下步骤完成对系统相位延时的计算：
(4.2.1).通过交轴电流给定交轴补偿电流iqmc，获得交轴电流误差：
(4.2.2).当δ′＝δ时，则系统延时得到补偿，联立推导可得
通过PI调节延时相位误差，即可得到估计的延时相位δ′。
所述的PMSM无位置传感器控制实施例中，图8所示的硬件系统中三相全桥逆变器输出端接入PMSM定子三相绕组，在估计出转子初始位置后，控制PMSM实现启动并工作在低速状态。图11至图13即为电机在图8所示硬件系统的控制下，使用延时补偿算法后a相电流、位置估计波形、位置估计误差与未补偿时的对比。
Claims (1)
1.一种方波注入的永磁同步电机转子位置时延补偿方法估算方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：向估计d轴注入如下式所示的方波电压信号
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其中，符号“∧”代表对应量的估计值，Uh为注入方波电压的幅值。注入频率ωh设置为开关频率的一半；
步骤2：计算转子位置估算误差
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其中，θr为转子位置真实值，为转子位置估算值；
步骤3：获取q轴载波电流
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其中，为转子位置误差系数；作为位置观测单元的输入即获取转子位置估算值
步骤5：计算考虑相位滞后的实际三相电流值
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其中，ISdel为实际采样的电流峰值，δ为PWM延迟造成的实际系统电流的滞后相位；
步骤6：交直轴电流给定为通过A/D采样得到的三相电流通过坐标变换得到idqdel，则补偿增益值为
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步骤7：通过补偿增益，得到参与PI电流调节器的补偿电流idqmc：
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步骤8：当δ′＝δ时，则系统延时得到补偿，联立推导得：
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其中，δ′为估计的延时相位；
步骤9：位置误差信号通过观测器获得补偿前的位置估计值补偿后的转子位置角和补偿后的dq轴反馈电流为：
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其中，为最终获得时延补偿后的转子位置估计值，idmc和iqmc为补偿后的dq轴反馈电流值。
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