CN107872174B - 一种高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法，所述的高频注入法包括PI调节器，所述的PI调节器的输入为经过补偿的k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)’，所述的PI调节器的输出为k时刻的电机转子位置估算角θ(k)’，其中，通过所述的补偿来降低k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)；本发明可明显减少高频注入法的检测延迟问题，有效改善了采用高频注入法检测永磁同步电机转子位置的精度，明显提高整个高频注入法检测系统的静态和动态运行性能，同时本发明的补偿方法简单易于控制，不需要增加硬件设施投入，适合进行规模化推广应用。

Description

一种高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制转子位置检测领域，具体涉及了一种高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法。
背景技术
永磁同步电机因其具有效率高、体积小、噪音小等优点，因此被广泛应用于家用电器、电动汽车等领域。永磁同步电机的无传感器控制技术相比传统技术省去了位置传感器，降低了硬件成本，提高了系统可靠性。
高频注入法是永磁同步电机常用的一种无传感器转子位置检测技术，具有不依赖电机反电势、对电机参数不敏感、鲁棒性强的特点，特别适合应用在电机低速运行的场合，但该方法存在较明显的转子位置检测误差，检测精度和稳定性较差。具体来说，检测延迟是导致转子位置检测误差、检测精度和稳定性较差的主要来源之一，引起检测延迟的因素有很多，包括硬件采样延迟，滤波算法延迟等。
为了减少高频注入法的检测延迟，改善其检测永磁同步电机转子位置的精度，已有一些改进的高频注入法技术公开：
如公开号为CN104320036A的中国专利公开了一种基于PMSM低速无位置传感器矢量控制系统及方法，通过实时检测注入的高频电压正弦信号到定子端电流的过程中引起相位延迟角，对调理信号相位角实时补偿，使由高频注入法实现的永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统的稳态误差和系统稳定性得到提高。该技术考虑了采样延迟和滤波延迟原因而进行了动态补偿。
如公开号为CN105450125A的中国专利公开了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。该技术考虑了逆变器死区时间延迟和IGBT的寄生电容延迟原因而进行了动态补偿。
又如授权公告号为CN104393811B的中国专利公开了一种提高永磁同步电机转子位置检测精度的方法，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，引入高频注入信号的相位闭环控制，对其相位进行补偿，消除了由于逆变器死区时间和IGBT的寄生电容产生的高频信号相位延迟，避免由此引起的位置检测误差。该技术同样考虑了逆变器死区时间延迟和IGBT的寄生电容延迟原因而进行了动态补偿。
再如公开号为CN105375847A的中国专利公开了一种提高永磁同步电机转子位置检测精度的方法，包括：根据向永磁同步电机的αβ坐标系上注入的两相对称高频电压得到第一时刻的一次电流的负序低频电流分量和第一时刻的二次电流的正序电流分量，采用第一因子对第一时刻的一次电流的负序低频电流分量进行处理，得到第一时刻的转子位置误差，第一因子包括：定子电阻值等，根据第一时刻的转子位置误差得到第一时刻的转子位置预估值，采用第二因子对二次电流的正序电流分量进行处理，得到第一时刻的转子磁极误差信息，根据转子磁极误差信息和转子位置预估值得到第一时刻的转子位置估计值；该技术考虑了硬件采样中电阻压降导致的延迟。
然而，这些改进技术均是考虑到硬件采样延迟、逆变器死区时间延迟、IGBT的寄生电容和滤波算法延迟而进行了改进，改进算法不仅复杂，有些改进技术还需要硬件设施投入，而且对于高频注入法存在的检测延迟问题的改善效果仍然有限。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法，可明显减少高频注入法的检测延迟问题，有效改善了采用高频注入法检测永磁同步电机转子位置的精度，明显提高整个高频注入法检测系统的静态和动态运行性能，同时本发明的补偿方法简单易于控制，不需要增加硬件设施投入，适合进行规模化推广应用。
在得到本发明技术方案之前，本申请人进行了大量研发分析以及试验检测后发现，造成高频注入法的检测延迟主要原因是来自PI调节器的延迟：
请参见图1所示的现有技术中高频注入法所采用的PI调节器的工作原理图，PI调节器的输入为k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)，输出为k时刻的电机转子位置估算角θ(k)，其中，Kp为比例常数，Ki为积分常数。在永磁同步电机旋转运行过程中，高频注入法中的PI调节器在工作时，需将电机转子位置角的估算误差e(k)作为输入，因此，现有技术高频注入法中的PI调节器的输出，即电机转子位置估算角θ(k)的值必然会产生误差，造成检测延迟。
本申请人进过大量试验研究分析后发现，以上涉及的来自PI调节器的延迟是导致现有技术中高频注入法存在检测延迟问题的核心原因之一，为此，本申请人提出本发明，本发明提供了一种高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法，创造性提出对高频注入法的PI调节器进行补偿，以减小PI调节器的延迟，提高位置检测精度，获得了本领域技术人员无法预料到的显著的突出效果。
本发明采用的技术方案如下：
一种高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法，所述的高频注入法包括PI调节器，所述的PI调节器的输入为经过补偿的k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)’，所述的PI调节器的输出为k时刻的电机转子位置估算角θ(k)’，其中，通过所述的补偿来降低k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)。
优选地，在所述的补偿中，将消除所述的k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)作为补偿目标。
优选地，所述的经过补偿的k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)’＝e(k)+θcmp；θcmp＝(2πTsp/Ki)×f；其中，所述θcmp为补偿延迟角度，所述Tsp为所述的高频注入法检测永磁同步电机转子位置的采样周期，所述Ki为PI调节器的积分常数，所述f为永磁同步电机的运行频率。
需要说明的是，本专利全文涉及的k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)是指在t＝k时刻时，电机转子位置实际角与电机转子位置估算角θ(k)’的差值。
优选地，所述电机转子位置角的估算误差e(k)基于所述的永磁同步电机的采样信号与所述的高频注入法的注入信号经计算后得到。通常地，可以采用外差法计算得到。
优选地，所述的永磁同步电机的运行频率f基于所述的电机转子位置估算角θ(k)’或基于预先设定的控制指令经计算后得到。
优选地，所述的高频注入法的注入信号是高频脉振电压。
优选地，所述的高频注入法的注入信号是高频脉振电流。
本发明对于高频注入法的注入信号频率没有具体限定，本领域技术人员可以根据实际检测需求来选择注入信号的频率，本发明优选地，所述的高频注入法的注入信号频率范围为100-2000Hz，利于不同规格永磁同步电动机的在广泛应用领域的规模推广实施应用。
需要说明的是，本专利全文涉及的PI调节器是指比例积分调节器。
本发明的优点：
1、本发明通过补偿来降低对电机转子位置角的估算误差e(k)值，进而有效降低了高频注入法检测中因PI调节器产生的电机转子位置角估算误差，可明显减少高频注入法的检测延迟问题，有效改善了采用高频注入法检测永磁同步电机转子位置的精度，明显提高整个高频注入法检测系统的静态和动态运行性能；
2、在上述第1点基础上，本发明进一步通过设置补偿延迟角度θcmp对电机转子位置角的估算误差e(k)进行补偿，具体将消除k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)，即相当于将e(k)＝0作为补偿目标来确定补偿延迟角度θcmp，相对于现有技术中PI调节器的有差调节，本发明实现了对PI调节器的零差调节，最大程度地减少高频注入法中因PI调节器所带来的检测延迟问题；
3、本发明提供的补偿方法简单易于控制，将2πTsp/Ki设置为PI调节器的延迟补偿系数，将该延迟补偿系数乘以电机的运行频率f即完成补偿延迟角度θcmp的计算，本发明仅通过理论计算即可确定补偿延迟角度θcmp，不需要增加硬件设施投入，适合进行规模化推广应用。
附图说明
附图1是现有技术中高频注入法所采用的PI调节器的工作原理图；
附图2是本发明具体实施方式中高频注入法所采用的PI调节器的工作原理图；
附图3是未补偿的高频注入法检测永磁同步电机得到的电机转子位置估算角θ(k)与电机转子位置实际角θ0(k)的对比图；
附图4是经本发明具体实施方式补偿后高频注入法检测永磁同步电机得到的电机转子位置估算角θ(k)’与电机转子位置实际角θ0(k)’的对比图。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法，高频注入法包括PI调节器，PI调节器的输入为经过补偿的k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)’，PI调节器的输出为k时刻的电机转子位置估算角θ(k)’，其中，通过补偿来降低k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)。
本发明实施例通过补偿来降低对电机转子位置角的估算误差e(k)值，进而有效降低了高频注入法检测中因PI调节器产生的电机转子位置角估算误差，可明显减少高频注入法的检测延迟问题，有效改善了采用高频注入法检测永磁同步电机转子位置的精度，明显提高整个高频注入法检测系统的静态和动态运行性能；而且本发明实施例提供的补偿方法简单易于控制，仅通过理论计算即可确定补偿延迟角度θcmp，不需要增加硬件设施投入，适合进行规模化推广应用。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
500W/8极内嵌式永磁同步电机平台，采用高频注入法检测该永磁同步电机转子位置的补偿方法，优选地，在本实施方式中，高频注入法的注入信号是高频脉振电压，当然地，在本发明其他实施方式中，高频注入法的注入信号也可以是高频脉振电流，本领域技术人员可以在本发明提供技术方案基础上结合公知常识和常规技术选择得到具体实施方案，本发明不具体展开说明。
优选地，在本实施方式中，高频脉振电压频率范围为100-2000Hz。具体地，在本实施方式中，高频脉振电压频率为300Hz，高频脉振电压为15V。
优选地，请参见图2所示，在本实施方式中，高频注入法包括PI调节器，PI调节器的输入为经过补偿的k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)’，PI调节器的输出为k时刻的电机转子位置估算角θ(k)’，其中，通过所述的补偿来降低k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)；进一步优选地，在本实施方式中，在补偿中，将消除所述的k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)作为补偿目标，即相当于将e(k)＝0作为补偿目标；进一步具体优选地，在本实施方式中，经过补偿的k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)’＝e(k)+θcmp；θcmp＝(2πTsp/Ki)×f；其中，θcmp为补偿延迟角度，Tsp为高频注入法检测永磁同步电机转子位置的采样周期，Kp为PI调节器的比例常数，Ki为PI调节器的积分常数，f为永磁同步电机的运行频率；具体优选地，在本发明实施方式中，Kp＝600，Ki＝600，Tsp＝62.5μs，f＝2Hz。
优选地，在本实施方式中，电机转子位置角的估算误差e(k)基于永磁同步电机的采样信号与高频注入法的注入信号经计算后得到。具体地，在本实施方式中，采用外差法计算得到，具体计算过程为：在估算电机转子位置角处注入一定幅值的高频脉振电压信号；接下来，采样检测与估算电机转子位置角正交轴线处的高频电流分量的幅值，并将其作为本发明实施方式下的电机转子位置角的估算误差e(k)；显然，在本发明其他实施方式中，本领域技术人员可以不付出创造性劳动采用高频注入法检测技术中的其他计算方法来计算得到电机转子位置角的估算误差e(k)，这些实施方式同样可以获得与本发明上述实施方式在减少高频注入法的检测延迟问题方面上显著的技术效果，本发明不做一一举例说明。
优选地，在本实施方式中，永磁同步电机的运行频率f基于电机转子位置估算角θ(k)’或基于预先设定的控制指令经计算后得到。具体优选地，在本实施方式中，永磁同步电机的运行频率f通过基于电机转子位置估算角θ(k)’经微分计算得到电机运行频率，具体采用的微分公式为：f＝(dθ’/dk)/(2π)；本领域技术人员在其他实施方式中，可以具体实际需要预先设定其他控制指令来计算获取永磁同步电机的运行频率f。
本发明实施例为了验证技术效果，还将未进行补偿，直接采用高频注入法检测该内嵌式永磁同步电机转子位置的对比实施例，具体检测技术方案同本发明上述实施方案。经对比实施后发现：本采用补偿的高频注入法检测实施例技术方案相对于未采用补偿的高频注入法检测比较例技术方案取得了显著的技术效果：
请参见如图3所示的对比实施例得到的未补偿的高频注入法检测永磁同步电机得到的电机转子位置估算角θ(k)与电机转子位置实际角θ0(k)的对比图，从图3中可以看出，电机转子位置估算角θ(k)有明显的延迟问题，其与电机转子位置实际角θ0(k)的误差约达到15°；请结合参见图4所示的经本发明具体实施方式补偿后的高频注入法检测永磁同步电机得到的电机转子位置估算角θ(k)’与电机转子位置实际角θ0(k)’的对比图，从图4中可以看出，经本发明补偿后，电机转子位置估算角θ(k)’的延迟明显减小，其与电机转子位置实际角θ0(k)’的误差被控制在3°以内；由此可见，本发明实施例通过设置补偿延迟角度θcmp对电机转子位置角的估算误差进行补偿，且在补偿中将消除k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)作为补偿目标，相对于现有技术中PI调节器的有差调节，本发明实施例实现了对PI调节器的零差调节，最大程度地减少高频注入法因PI调节器所产生的检测延迟问题，进而有效改善了采用高频注入法检测永磁同步电机转子位置的精度，明显提高整个高频注入法检测系统的静态和动态运行性能。
本发明对比实施例中的转子位置实际角θ0(k)和本发明实施方式中的转子位置实际角θ0(k)’均是采用现有技术中的光电编码器检测得到的。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法，所述的高频注入法包括PI调节器，其特征在于，所述的PI调节器的输入为经过补偿的k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)’，所述的PI调节器的输出为k时刻的电机转子位置估算角θ(k)’，其中，通过所述的补偿来降低k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)；所述的经过补偿的k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)’＝e(k)+θcmp；θcmp＝(2πTsp/Ki)×f；其中，所述θcmp为补偿延迟角度，所述Tsp为所述的高频注入法检测永磁同步电机转子位置的采样周期，所述Ki为PI调节器的积分常数，所述f为永磁同步电机的运行频率。
2.如权利要求1所述的高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法，其特征在于，在所述的补偿中，将消除所述的k时刻的电机转子位置角的估算误差e(k)作为补偿目标。
3.如权利要求1所述的高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法，其特征在于，所述电机转子位置角的估算误差e(k)基于所述的永磁同步电机的采样信号与所述的高频注入法的注入信号经计算后得到。
4.如权利要求1所述的高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法，其特征在于，所述的永磁同步电机的运行频率f基于所述的电机转子位置估算角θ(k)’或基于预先设定的控制指令经计算后得到。
5.如权利要求1所述的高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法，其特征在于，所述的高频注入法的注入信号是高频脉振电压。
6.如权利要求1所述的高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法，其特征在于，所述的高频注入法的注入信号是高频脉振电流。
7.如权利要求1所述的高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法，其特征在于，所述的高频注入法的注入信号频率范围为100-2000Hz。
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