CN108494306A - 一种永磁同步电机新型转子位置检测方法 - Google Patents

一种永磁同步电机新型转子位置检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机新型转子位置检测方法，该方法在利用脉振高频电压注入法实现永磁同步电机转子位置估计的基础上，用两个全通滤波器构成新的转子位置观测器，省去了传统转子位置观测器中的带通滤波器和低通滤波器，避免了滤波器的延时问题，提高了转子位置观测器的动态响应速度；同时，位置观测器的带宽可通过全通滤波器的相关系数来调整，且带宽的调节过程简单、灵活。

Description

一种永磁同步电机新型转子位置检测方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种永磁同步电机新型转子位置检测方法。
背景技术
目前对于永磁同步电机转子位置检测，常采用脉振高频电压注入法实现。然而现有方法所采用的转子位置观测器一般由带通滤波器和低通滤波器构成。在信号处理过程中这些滤波器带来了延时问题，限制了转子位置观测器的动态响应速度，并且这些滤波器在采用数字滤波器方式实现时难以实时调整带宽以适应系统在不同工况下的需求，本发明正是为了解决该问题，提出一种永磁同步电机新型转子位置检测方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供了一种永磁同步电机新型转子位置检测方法，在位置观测器中能避免带通滤波器和低通滤波器的使用，进而避免由其带来的信号延时问题，最终提高了位置观测器的动态响应速度。此外，位置观测器的带宽可通过全通滤波器的相关系数来设置，且带宽的调节过程简单、灵活。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种永磁同步电机新型转子位置检测方法，该方法在采用转速、电流双闭环矢量控制的基础上，在估计直轴注入余弦高频电压信号；再采用由全通滤波器构成的新型转子位置观测器对估计交轴电流进行处理，得到估计转子速度和估计转子位置。其特征在于，采用由全通滤波器构成的新型转子位置观测器对估计交轴电流进行处理，得到估计转子速度和估计转子位置的步骤为：
步骤1.1)根据离散化控制系统所对应的采样周期Ts和在估计直轴注入余弦高频电压的频率ωh，计算全通滤波器APF1中的系数β1＝cos(ωhTs)；
步骤1.2)根据滤波性能的要求合理选择全通滤波器APF1的滤波带宽ωBW1，再根据ωBW1和Ts计算全通滤波器APF1中的系数
步骤1.3)根据离散化控制系统所对应的采样周期Ts和在估计直轴注入余弦高频电压的频率ωh，计算全通滤波器APF2中的系数β2＝cos(2ωhTs)；
步骤1.4)根据滤波性能的要求合理选择全通滤波器APF2的滤波带宽ωBW2，再根据ωBW2和Ts计算全通滤波器APF2中的系数
步骤1.5)将估计交轴电流连接到全通滤波器APF1的输入端口x1；
步骤1.6)将全通滤波器APF1的输出端口y1和输入端口x1作差再乘以0.5，得到估计交轴高频电流
步骤1.7)将估计交轴高频电流与同频率的正弦高频信号2sin(ωht)相乘，再连接到全通滤波器APF2的输入端口x2；
步骤1.8)将全通滤波器APF2的输出端口y2和输入端口x2相加再乘以0.5，得到位置估计误差信息f(Δθ)；
步骤1.9)将位置估计误差信息f(Δθ)经过比例积分(PI)调节器，PI调节器的输出就是估计转子速度将估计转子速度经过积分(I)器，积分器的输出就是估计转子位置
作为本发明一种永磁同步电机新型转子位置检测方法进一步的优化方案，在采用转速、电流双闭环矢量控制的基础上，在估计直轴注入余弦高频电压信号的步骤为：
步骤2.1)在估计转子同步旋转坐标系的直轴注入高频余弦电压Uhcos(ωht)，其中，Uh为在估计直轴注入高频电压的幅值，ωh为在估计直轴注入高频电压的频率，t表示当前时刻；
步骤2.2)对估计直轴和交轴电压和进行派克逆变换，得到两相静止α-β坐标系下的电压uα和uβ，再采用空间矢量脉宽调制SVPWM得到三相逆变器的六路开关信号，驱动永磁同步电机PMSM；
步骤2.3)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两相静止α-β坐标系下的电流iα和iβ，再经过派克变换得到估计直轴电流响应和估计交轴电流响应
步骤2.4)将给定转子速度ω*与估计转子速度的差值输入到转速环PI调节器，该PI调节器的输出为估计交轴电流给定值
步骤2.5)将估计直轴电流给定值设为0，分别将估计直轴和交轴电流给定值和与经过低通滤波器LPF的估计直轴和q交电流响应和作差，经过电流环PI调节器，得到估计直轴和交轴电压和
步骤2.6)重复步骤1.1)至步骤2.5)。
作为本发明一种永磁同步电机新型转子位置检测方法进一步的优化方案，全通滤波器的结构为：
全通滤波器总体由两个比例环节(系数分别为α和-β)、两个延时环节和六个加法器构成,其输入端口为x，输出端口为y，结构中共包括abcdefghi这9个主要节点；x与i相减得到a；a经过比例环节(系数为α)得到b；x和b相加得到c；c与g相减得到d；d经过比例环节(系数为-β)得到e；c和e相加得到f；f经过延时得到g；g和e相加得到h；h经过延时得到i；i和b相加得到y。
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)位置观测器中避免了带通滤波器和低通滤波器的使用，进而避免了由其带来的延时问题，提高了位置观测器的动态响应速度；
2)位置观测器的带宽可通过全通滤波器的相关系数来设置，且带宽的调节过程简单、灵活。
附图说明
图1为永磁同步电机新型转子位置检测方法的原理框图；
图2为由全通滤波器构成的新型转子位置观测器的结构框图；
图3为全通滤波器的结构框图；
图4为传统位置观测器和新型位置观测器对高频信号幅值的跟踪性能对比结果；
图5为转速斜坡变化时采用新型转子位置检测方法的估计位置、位置检测误差和转速检测误差的实验波形。
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1所示，本发明提供一种永磁同步电机新型转子位置检测方法，具体包括以下步骤：
步骤1)根据离散化控制系统所对应的采样周期Ts和在估计直轴注入余弦高频电压的频率ωh，计算全通滤波器APF1中的系数β1＝cos(ωhTs)；
步骤2)根据滤波性能的要求合理选择全通滤波器APF1的滤波带宽ωBW1，再根据ωBW1和Ts计算全通滤波器APF1中的系数
步骤3)根据离散化控制系统所对应的采样周期Ts和在估计直轴注入余弦高频电压的频率ωh，计算全通滤波器APF2中的系数β1＝cos(2ωhTs)；
步骤4)根据滤波性能的要求合理选择全通滤波器APF2的滤波带宽ωBW2，再根据ωBW2和Ts计算全通滤波器APF2中的系数
步骤5)如图2所示，将估计交轴电流连接到全通滤波器APF1的输入端口x1，其中，的初始值为0；
步骤6)将全通滤波器APF1的输出端口y1和输入端口x1作差再乘以0.5，得到估计交轴高频电流
步骤7)将估计交轴高频电流与同频率的正弦高频信号2sin(ωht)相乘，再连接到全通滤波器APF2的输入端口x2；
步骤8)将全通滤波器APF2的输出端口y2和输入端口x2相加再乘以0.5，得到位置估计误差信息f(Δθ)；
步骤9)将位置估计误差信息f(Δθ)经过比例积分(PI)调节器，PI调节器的输出就是估计转子速度将估计转子速度经过积分(I)器，积分器的输出就是估计转子位置
步骤10)如图1所示，在估计转子同步旋转坐标系的直轴注入高频余弦电压Uhcos(ωht)，其中，Uh为在估计直轴注入高频电压的幅值，ωh为在估计直轴注入高频电压的频率，t表示当前时刻；
步骤11)对估计直轴和交轴电压和进行派克逆变换，得到两相静止α-β坐标系下的电压uα和uβ，再采用空间矢量脉宽调制SVPWM得到三相逆变器的六路开关信号，驱动永磁同步电机PMSM，其中，和的初始值为0；
步骤12)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两相静止α-β坐标系下的电流iα和iβ，再经过派克变换得到估计直轴电流响应和估计交轴电流响应
步骤13)将给定转子速度ω*与估计转子速度的差值输入到转速环PI调节器，该PI调节器的输出为估计交轴电流给定值
步骤14)将估计直轴电流给定值设为0，分别将估计直轴和交轴电流给定值和与经过低通滤波器LPF的估计直轴和交轴电流响应和作差，经过电流环PI调节器，得到估计直轴和交轴电压和
步骤15)重复步骤1)至步骤14)。
如附图3所示，所采用的全通滤波器的结构为：
全通滤波器总体由两个比例环节(系数分别为α和-β)、两个延时环节和六个加法器构成。其输入端口为x，输出端口为y，结构中共包括abcdefghi这9个主要节点。x与i相减得到a；a经过比例环节(系数为α)得到b；x和b相加得到c；c与g相减得到d；d经过比例环节(系数为-β)得到e；c和e相加得到f；f经过延时得到g；g和e相加得到h；h经过延时得到i；i和b相加得到y。
为了验证本发明所提方法的可行性，在一台额定功率1.5kW的PMSM上进行了实验。附图4为传统位置观测器和新型位置观测器对高频信号幅值的跟踪性能对比结果。输入信号为一个幅值变化的正弦高频信号，频率为1kHz，其幅值在1V和5V之间周期性快速变化，变化周期为2.5ms。可见新型位置观测器中的全通滤波器能够很好的跟踪输入信号幅值的变化，且基本无延时；而传统位置观测器中的带通滤波器跟踪输入信号幅值时会产生约2ms的延时，表明在动态过程中，新型位置观测器能够快速准确的提取位置检测误差信息，提高无位置传感器控制系统的动态性能。
图5为转速斜坡变化时采用新型转子位置检测方法的估计位置、位置检测误差和转速检测误差的实验波形，给定转速在t＝10s时从0r/min逐渐均匀增大，在t＝10.8s时增大到100r/min，随后保持不变。可见所提新型转子位置检测方法可实现稳定的无位置传感器控制，并且运行过程中转速估计误差和位置估计误差很小。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机新型转子位置检测方法，该方法在采用转速、电流双闭环矢量控制的基础上，在估计直轴(d轴)注入余弦高频电压信号；再采用由全通滤波器(All PassFilter，APF)构成的新型转子位置观测器对估计交轴(q轴)电流进行处理，得到估计转子速度和估计转子位置，其特征在于，采用由全通滤波器构成的新型转子位置观测器对估计交轴电流进行处理，得到估计转子速度和估计转子位置的步骤为：
步骤1.1)根据离散化控制系统所对应的采样周期Ts和在估计直轴注入余弦高频电压的频率ωh，计算全通滤波器APF1中的系数β1＝cos(ωhTs)；
步骤1.2)根据滤波性能的要求合理选择全通滤波器APF1的滤波带宽ωBW1，再根据ωBW1和Ts计算全通滤波器APF1中的系数
步骤1.3)根据离散化控制系统所对应的采样周期Ts和在估计直轴注入余弦高频电压的频率ωh，计算全通滤波器APF2中的系数β2＝cos(2ωhTs)；
步骤1.4)根据滤波性能的要求合理选择全通滤波器APF2的滤波带宽ωBW2，再根据ωBW2和Ts计算全通滤波器APF2中的系数
步骤1.5)将估计交轴电流连接到全通滤波器APF1的输入端口x1；
步骤1.6)将全通滤波器APF1的输出端口y1和输入端口x1作差再乘以0.5，得到估计交轴高频电流
步骤1.7)将估计交轴高频电流与同频率的正弦高频信号2sin(ωht)相乘，再连接到全通滤波器APF2的输入端口x2；
步骤1.8)将全通滤波器APF2的输出端口y2和输入端口x2相加再乘以0.5，得到位置估计误差信息f(Δθ)；
步骤1.9)将位置估计误差信息f(Δθ)经过比例积分(PI)调节器，PI调节器的输出就是估计转子速度将估计转子速度经过积分(I)器，积分器的输出就是估计转子位置
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机新型转子位置检测方法，其特征在于，所述在采用转速、电流双闭环矢量控制的基础上，在估计直轴注入余弦高频电压信号的步骤为：
步骤2.1)在估计转子同步旋转坐标系的直轴注入高频余弦电压Uhcos(ωht)，其中，Uh为在估计直轴注入高频电压的幅值，ωh为在估计直轴注入高频电压的频率，t表示当前时刻；
步骤2.2)对估计直轴和交轴电压和进行派克逆变换，得到两相静止α-β坐标系下的电压uα和uβ，再采用空间矢量脉宽调制SVPWM得到三相逆变器的六路开关信号，驱动永磁同步电机PMSM；
步骤2.3)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两相静止α-β坐标系下的电流iα和iβ，再经过派克变换得到估计直轴电流响应和估计交轴电流响应
步骤2.4)将给定转子速度ω*与估计转子速度的差值输入到转速环PI调节器，该PI调节器的输出为估计交轴电流给定值
步骤2.5)将估计直轴电流给定值设为0，分别将估计直轴和交轴电流给定值和与经过低通滤波器LPF的估计直轴和q交电流响应和作差，经过电流环PI调节器，得到估计直轴和交轴电压和
步骤2.6)重复步骤1.1)至步骤2.5)。
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机新型转子位置检测方法，其特征在于，所述全通滤波器的结构为：
全通滤波器总体由两个比例环节(系数分别为α和-β)、两个延时环节和六个加法器构成，其输入端口为x，输出端口为y，结构中共包括abcdefghi这9个主要节点；x与i相减得到a；a经过比例环节(系数为α)得到b；x和b相加得到c；c与g相减得到d；d经过比例环节(系数为-β)得到e；c和e相加得到f；f经过延时得到g；g和e相加得到h；h经过延时得到i；i和b相加得到y。
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