CN108512475A - 一种基于脉振高频电压注入法的转子位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于脉振高频电压注入法的转子位置检测方法，其特征在于：基于脉振高频注入法原理，利用二阶广义积分器构建转子位置观测器，提取转子位置误差信号更加准确，且参数设计容易，简化了系统参数整定过程，在电机转速阶跃动态过程中能够更加准确提取转子位置信息，有效减小了转子位置动态估计误差。

Description

一种基于脉振高频电压注入法的转子位置检测方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种基于脉振高频电压注入法的无传感器永磁同步电机控制方法。

背景技术

永磁同步电机具有高效节能和输出转矩能力强等优点，在电动车驱动、舰船推进、数控系统及家用电器等领域得到了广泛应用。永磁同步电机的高性能控制依赖于精确的转子位置信息，然而通常使用的光电编码器和旋转变压器等机械式位置传感器成本高、体积大、抗干扰能力差，限制了永磁同步电机的推广应用。

在电机零速和低速运行阶段，脉振高频电压注入法可以很好的进行转子位置跟踪，该方法不依赖电机的基波方程，对电机参数变化不敏感，鲁棒性好，但该方法实际应用起来往往不如理论推导理想，传统的脉振高频电压注入法在信号处理过程中使用带通和低通滤波器的限制了电流环和位置观测器的带宽，影响了系统的动态观测精度，在实际系统调试中，滤波器的参数设置也导致系统调节器参数整定变得复杂。为进一步提高该方法的控制性能，有研究学者提出了一种简化算法，省略了带通滤波器的使用，但低通滤波器依然影响了系统的动态性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于脉振高频电压注入法的转子位置检测方法，利用二阶广义积分器搭建转子位置观测器提取转子位置信息，有效减少了转子动态位置估计误差，简化了系统参数整定过程。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种基于脉振高频电压注入法的转子位置检测方法，具体包括以下步骤：

给定注入d轴的脉振高频电压信号的幅值和频率；

采用i_d＝0的矢量控制方式对永磁同步电机进行转速、电流双闭环控制，转速、电流环均采用比例积分调节器进行控制；

在d轴注入给定幅值和频率的脉振高频电压信号，检测出永磁同步电机的三相电流i_a、i_b和i_c，对永磁同步电机的三相电流进行Clark变换，得到永磁同步电机定子电流在αβ坐标系下电流i_α、i_β，经过Park变换得到dq坐标系下的电流i_d、i_q，；

利用一个二阶广义积分器从估计的q轴电流中提取高频响应电流

再与正弦信号sin(ω_ht)相乘进行调制，利用另一个二阶广义积分器提取频率为2ω_h的信号分量，再经过一次减法运算，得到转子位置误差信号f(Δθ)，其中t为当前时刻；

将转子位置误差信号f(Δθ)作为位置观测器比例积分器的输入，得到估计的转子角速度，对估计转子角速度进行积分得到估计转子位置；

转子位置误差信号f(Δθ)的表达式为：

其中，U_mh、ω_h为在d轴注入的脉振高频电流信号的幅值和频率，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，Δθ为位置估计误差，t为当前时刻；

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种基于脉振高频电压注入法的转子位置检测方法，利用二阶广义积分器构建位置观测器，动态过程中能够更加准确提取转子位置信息，有效减小了转子位置动态估计误差，且结构简单，系统参数整定更加简单。

附图说明

图1为基于新型转子位置检测方法的永磁同步电机无传感器控制系统结构框图；

图2为各坐标系关系图；

图3为基于SOGI的转子位置观测器结构；

图4为二阶广义积分器结构图；

图5为基于低通滤波器的转子位置观测器结构图；

图6为基于低通滤波器的转子位置检测方法转子位置、估计位置及位置估计误差波形图；

图7为本发明控制方法转子位置、估计位置及位置估计误差波形图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种基于脉振高频电压注入的转子位置检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1，定义估计位置误差θ为实际位置，为估计位置，建立如图2所示的坐标关系图，d-q为实际同步旋转坐标系，为估计的同步旋转坐标系，α-β为实际两相静止坐标系。

步骤2，如图1所示，在d轴叠加一个脉振高频电压信号U_mhcosω_ht，U_mh为在d轴注入高频电压的幅值，ω_h为在d轴注入高频电压的频率，t表示当前时刻。

步骤3，转速、电流环均采用PI调节器，电流环利用一阶低通滤波器降低高频响应电流信号对基波电流环的影响。

步骤4，对d-q轴电流调节器输出的电压Park逆变换(Park-1)，得到两相静止α-β坐标系下的电压，再采用空间矢量脉宽调制策略(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5，检测出永磁同步电机的三相电流i_a、i_b和i_c，对永磁同步电机的三相电流进行Clark 变换，得到永磁同步电机定子电流在αβ坐标系下电流i_α、i_β，经过Park变换得到dq坐标系下的电流

步骤6，如图3所示，将估计转子同步旋转坐标系的q轴电流响应经过一个二阶广义积分器(SOGI)提取频率为ω_h的高频响应电流分量再与正弦信号sinω_ht相乘进行调制，得到基频分量和频率为2ω_h的高频分量，利用一个二阶广义积分器提取频率为2ω_h的高频信号，最后利用调制后的信号减去频率为2ω_h的高频信号得到位置估计误差信号f(Δθ)。二阶广义积分器结构如图4，其中x为输入信号，y为输出信号，ω为所需提取信号的频率，k为阻尼系数，其传递函数为

步骤7，将位置估计误差信号作为位置观测环PI调节器的输入，估计转子角速度再对积分得到估计转子位置

步骤8，给定转子角度ω_ref与估计转子角速度的差作为速度环PI调节器的输入，其输出为给定q轴电流i_qref。

步骤9，重复步骤1至步骤8，直至位置估计误差信号f(Δθ)＝0。

该转子位置检测方法的理论分析如下：

在高频激励下，由于高频信号角频率ω_h远高于转子旋转角频率ω_e，将电机等效为简单的 R-L串联模型，且高频时电阻相对于电抗小很多，可以忽略不计，高频激励下三相IPMSM 的电压方程可简化为：

式中：u_dh、u_qh分别为d、q轴高频电压；i_dh、i_qh分别为d、q轴高频电流；L_d、L_q分别为d、q轴电感。

在估计转子同步旋转坐标系中，高频电压和电流的关系为：

脉振高频电压注入法只在估计转子同步旋转坐标系的轴注入高频电压信号：

将式(3)代入式(2)，得到估计q轴高频响应电流为：

式中：ΔL＝(L_q-L_d)/2为d、q轴差模电感；L＝(L_q+L_d)/2为d、q共模电感。

结合式(4)，得到图3信号调制过程中的转子位置估计误差信号的表达式为：

式中 为估计的q轴电流，U_mh为在d轴注入高频电压的幅值，ω_h为在d轴注入高频电压的频率，L_d、L_q分别为d、q轴电感，的下标ω_h、ω_2h分别为对应二阶广义积分器所需提取信号的频率，t表示当前时刻。

由于k为定值，因此可以建立如图3所示的闭环调节系统将转子位置估计误差信号f(Δθ)调节至0，间接地将转子位置估计误差Δθ调节至0，实现转子位置检测。

为说明本发明所提出转子位置检测方法动态性能更好，本发明将所提出的控制方法与基于低通滤波器的转子位置检测方法做了比较。其中，基于低通滤波器的转子位置检测方法结构图如图5所示。

图6为电机在0.2s时给定速度值从100n/min阶跃至150n/min情况下，基于低通滤波器的转子位置检测方法得到的转子位置、估计位置及位置估计误差波形图。图7为电机在0.2s 时给定速度值从100n/min阶跃至150n/min情况下，本发明提出的转子位置检测方法得到的转子位置、估计位置及位置估计误差波形图。通过比较图6和图7中转子位置估计误差波形可以发现，基于低通滤波器的转子位置检测方法在电机启动速度上升过程和转速阶跃变化过程中引起的位置估计误差分别约为0.06rad和0.04rad，而本发明提出的方法引起的位置估计误差约为0.01rad和0.005rad，本发明所提出的控制方法有效减小了转子位置动态估计误差，且不需要像传统方法通过调试低通滤波器参数来提取有效信号，新的方法参数整定过程更加简单。

Claims (2)

1.一种基于脉振高频电压注入法的转子位置检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)给定注入d轴的脉振高频电压信号的幅值和频率；

(2)采用i_d＝0的矢量控制方式对永磁同步电机进行转速、电流双闭环控制，转速、电流环均采用比例积分调节器进行控制；

(3)在d轴注入给定幅值和频率的脉振高频电压信号，电流环利用一阶低通滤波器避免高频响应电流信号对基波电流的影响，将检测出永磁同步电机的三相电流i_a、i_b和i_c，对永磁同步电机的三相电流进行Clark变换，得到永磁同步电机定子电流在αβ坐标系下电流i_α、i_β，经过Park变换得到dq坐标系下的电流i_d、i_q，；

(4)利用两个二阶广义积分器构建转子位置观测器，提取估计q轴高频响应电流和转子位置误差信息f(Δθ)，将转子位置误差信号f(Δθ)作为位置观测器比例积分器的输入，得到估计的转子角速度，对估计转子角速度进行积分得到估计转子位置。

2.如权利要求1所述的一种基于脉振高频电压注入法的转子位置检测方法，其特征在于，步骤(4)中利用一个二阶广义积分器提取高频响应电流分量再通过另一个二阶广义积分器并利用一次减法运算提取转子位置误差信息f(Δθ)，其表达式如下：

式中 为估计的q轴电流，U_mh为在d轴注入高频电压的幅值，ω_h为在d轴注入高频电压的频率，L_d、L_q分别为d、q轴电感，的下标ω_h、ω_2h分别为对应二阶广义积分器所需提取信号的频率，t表示当前时刻。