CN108847793A - 一种自校正的转子位置估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自校正的转子位置估算方法，所述估算方法是：在电机运行时，根据霍尔信号求出转子在单霍尔内的平均速度并估算转子位置；根据电机相电流进行坐标变换，建立反电动势滑模观测器，提取反电动势中的转子位置；根据转速和电机估算加速度构建补偿权值，通过离散霍尔信号对滑模位置估算结果进行加权线性前馈矫正，解决误差累计与霍尔位置安装误差问题；根据转子位置和转速构建观测权值，协调输出转子位置。此方法可以在宽速度范围内精确地估算电机转子位置，实现永磁同步电机矢量控制系统的高性能控制。

Description

一种自校正的转子位置估算方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制领域，涉及一种永磁同步电机，尤其涉及一种自校正的转子位置估算方法。

背景技术

在高性能永磁同步电机控制系统中，为了精确获取转速闭环和空间矢量脉冲调制所需要的转子速度和位置信息，一般需要在电机转子轴端安装高精度的位置传感器，虽然高精度位置传感器的引入可以保证电机的控制结果，但是也存在系统可靠性降低，控制成本增加等一系列问题。为了解决上述问题，许多学者对无传感器算法进行了大量研究，但是无传感器算法过度依赖电机本身。存在低速运行不可靠，无法确定转子位置跟踪的准确性等问题。

考虑控制系统性能与成本问题，选用的低精度位置传感器完成转速和位置的估算，但是现有算法，有模型算法参数设计复杂和无模型算法转子位置估算噪声含量高，估算结果滞后明显等问题，提出了一种自校正的转子位置估算方法，可以较好的满足系统。

发明内容

本发明的目的是为了解决永磁同步电机矢量控制中无法利用离散霍尔信号获得较高精度的转子位置问题，而提供的一种自校正的转子位置估算方法。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种自校正的转子位置估算方法，包括如下步骤：

步骤一：将转子旋转一周平均分为六个霍尔扇区，在转子周围中心对称安装三个开关型霍尔位置传感器，获取三路霍尔信号，每个霍尔扇区为π/3；计算出单霍尔扇区内转子转速和加速度值，构建一阶加速度算法，并通过一阶加速度算法估算转子位置，得到转子转速ω₁和转子位置θ₁；

步骤二：通过在直流母线上串联一采样电阻，在一个脉冲宽度调制周期内进行两次电流采样，对非观测区补偿，进行脉冲宽度调制周期移相，并根据基尔霍夫定律重构出三相电流完成单电阻法采集电机运行相电流，在α-β两相坐标系下建立永磁同步电机数学模型，根据电机数学模型建立反电动势滑模观测器，并通过锁相环对反电动势中转子位置信息进行提取，得到转子转速和转子位置

步骤三：根据转子转速ω_r和估算加速度构建一补偿权值μ，通过离散霍尔信号对滑模观测器的位置估算结果进行线性前馈矫正补偿，得到校正后的转子位置θ₂和转速ω₂，对滑模观测值进行线性补偿的方法为：

其中，Δt为转子在当前霍尔扇区内的运行时间，霍尔边界转子位置估算误差，t_k是当前霍尔扇区起始时刻，t_k-1是上一霍尔扇区起始时刻，为滑模观测器估算转速结果，a_k-1为转子在前一霍尔扇区的平均加速度，μ为补偿权值；

其中，将补偿区间根据转速ω_r分段，当转速满足ω_r≤n/20时，用离散霍尔信号全补偿，n为额定转速；当转速满足n/20≤ω_r≤n/10时，使用的线性变权值补偿；当转速满足ω_r≥n/10时，完全使用滑模观测结果，不进行前馈补偿；

步骤四：根据转速和在霍尔扇区内转子位置调节一阶加速度算法，并通过补偿后的滑模观测器观测结果的权值，在全速范围内对转子位置进行估算。

优选的，所述步骤二中，建立α-β坐标系下永磁同步电机的数学模型的方法是：根据电机相电流进行Clarke变换，得到α-β坐标系下的电流，根据电机相电流获得永磁同步电机在相应α-β静止坐标系下的数学模型为：

其中，v_α、v_β分别为电机定子α-β轴电压分量，i_α、i_β分别为电机定子α-β轴电流分量，R_s为定子电阻，L_s为定子d-q轴电感，e_α、e_β分别为α-β轴反电势分量，并且有e_α＝-ω₂ψ_fsinθ₂，e_β＝ω₂ψ_fcosθ₂。

优选的，所述步骤二中，建立反电动势滑模观测器方法是：基于式(1)所述的α-β静止坐标系下的数学模型，可得该坐标系下的滑模观测方程：

其中，分别为电机定子α-β轴电流估计分量，κ为滑模观测器增益系数，F为sigmoid函数，定义sigmoid函数：

其中，ρ为可调斜率，定义滑模面：

优选的，所述步骤二中，通过电机运行反电动势计算转子角度的方法是：若滑模观测器的增益系数k满足k＞max(|e_α|,|e_β|)，则有系统滑动模态生成，即S＝0，通过滑模观测方程可估算出α-β轴定子反电势：

通过公式(5)对转子位置进行估算：

优选的，所述步骤一中，对当前转子位置与转速进行估算的方法是：假设单个霍尔扇区内，转子做匀加速运动，转子位置θ₁估算公式如式(7)所示：

其中，θ_k为当前霍尔扇区的起始位置、为前一霍尔扇区平均速度，Δt为在当前霍尔扇区内运行时间，a_k-1为前一霍尔扇区的平均加速度。

优选的，所述步骤四中，将θ₁、θ₂和观测器权值λ代入下式(8)，得到估算转子位置θ_r：

θ_r＝λθ₁+(1-λ)θ₂ (8)

其中，观测器权值λ调节方法是：将得到的转子位置θ_r和转速ω_r输入到参数调节器使其对变化权值，加权值计算如下：

其中，ω_r为转子估算转速，Δθ为单个霍尔扇区位置变化，n为额定转速。

采用上述方案后，本发明可以在较宽转速范围内获得较高精度的观测转子位置。

附图说明

图1是观测器结构框图；

图2是霍尔元件输出波形图；

图3是单个位置扇区展开图；

图4是观测器参数调节器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种自校正的转子位置估算方法，包括如下步骤：

步骤一：参照图2，根据三个中心对称安装的霍尔位置传感器产生的三路霍尔信号，将转子一周分为六个霍尔扇区，计算出单霍尔扇区内转子转速和加速度值，参照图3构建一阶加速度算法，并通过一阶加速度算法估算转子位置，得到转子转速ω₁和转子位置θ₁；

步骤二：通过直流母线上串联采样电阻，在一个脉冲宽度调制周期内进行两次采样，考虑非观测区补偿，进行脉冲宽度调制周期移相，并根据基尔霍夫定律重构出三相电流进行单电阻法采集电机运行相电流，在两相坐标系下建立永磁同步电机数学模型，根据电机数学模型相建立反电动势滑模观测器，并通过锁相环对反电动势中转子位置信息进行提取，得到转子转速和转子位置

步骤三：根据转速和估算加速度构建补偿权值，通过离散霍尔信号对滑模位置估算结果进行线性前馈矫正的方法为：将补偿区间根据转速分段，低速全补偿，过渡区线性变权值补偿，高速完全使用滑模观测结果，不进行前馈补偿。在线性补偿中考虑转子加速度影响。对下一霍尔扇区补偿减小滞后性。假设在相邻霍尔扇区运行时间相同，用上一霍尔扇区时间代替当前区间时间，引入补偿权值μ。

具体的，根据转子转速ω_r和估算加速度构建一补偿权值μ，通过离散霍尔信号对滑模观测器的位置估算结果进行线性前馈矫正补偿，得到校正后的转子位置θ₂和转速ω₂，对滑模观测值进行线性补偿的方法为：

其中，Δt为转子在当前霍尔扇区内的运行时间，霍尔边界转子位置估算误差，t_k是当前霍尔扇区起始时刻，t_k-1是上一霍尔扇区起始时刻，为滑模观测器估算转速结果，a_k-1为转子在前一霍尔扇区的平均加速度，μ为补偿权值；

其中，将补偿区间根据转速ω_r分段，当转速满足ω_r≤n/20时，用离散霍尔信号全补偿，n为额定转速；当转速满足n/20≤ω_r≤n/10时，使用的线性变权值补偿；当转速满足ω_r≥n/10时，完全使用滑模观测结果，不进行前馈补偿；在线性补偿中考虑转子加速度影响，对下一霍尔扇区补偿减小滞后性。较好的减小霍尔位置传感器安装误差带来的影响；

步骤四：参照图4根据转速和在霍尔扇区内转子位置调节一阶加速度算法和通过补偿的滑模观测器观测结果的权值，在全速范围内对转子位置进行估算。

进一步的，上述所述步骤二中，建立α-β坐标系下永磁同步电机的数学模型的方法是：根据电机相电流进行Clarke变换，得到α-β坐标系下的电流，根据电机相电流获得永磁同步电机在相应α-β静止坐标系下的数学模型为：

其中，v_α、v_β分别为电机定子α-β轴电压分量，i_α、i_β分别为电机定子α-β轴电流分量，R_s为定子电阻，L_s为定子d-q轴电感，e_α、e_β分别为α-β轴反电势分量，并且有e_α＝-ω₂ψ_fsinθ₂，e_β＝ω₂ψ_fcosθ₂。

进一步的，上述所述步骤二中，建立反电动势滑模观测器方法是：基于式(1)述的α-β静止坐标系下的数学模型，可得该坐标系下的滑模观测方程：

其中，分别为电机定子α-β轴电流估计分量，κ为滑模观测器增益系数，F为sigmoid函数，定义sigmoid函数：

其中，ρ为可调斜率，定义滑模面：

进一步的，上述所述步骤二中，通过电机运行反电动势计算转子角度的方法是：若滑模观测器的增益系数k满足k＞max(|e_α|,|e_β|)，则有系统滑动模态生成，即S＝0，通过滑模观测方程可估算出α-β轴定子反电势：

通过公式(5)对转子位置进行估算：

进一步的，上述所述步骤一中，对当前转子位置与转速进行估算的方法是：假设单个霍尔扇区内，转子做匀加速运动，转子位置θ₁估算公式如式(7)所示：

其中，θ_k为当前霍尔扇区的起始位置、为前一霍尔扇区平均速度，Δt为在当前霍尔扇区内运行时间，a_k-1为前一霍尔扇区的平均加速度。

进一步的，上述所述步骤四中，将θ₁、θ₂和观测器权值λ代入下式(8)，得到估算转子位置θ_r：

θ_r＝λθ₁+(1-λ)θ₂ (8)

其中，观测器权值λ调节方法是：将得到的转子位置θ_r和转速ω_r输入到参数调节器使其对变化权值，加权值计算如下：

其中，ω_r为转子估算转速，Δθ为单个霍尔扇区位置变化，n为额定转速。将加权值代入到公式8中，即可得到估算转子位置θ_r，完成转子位置的估算，其中ω_r由上一霍尔扇区的转子转速代入计算。

综上，本发明在综合考虑成本和控制性能的基础上，可以在较宽范围内较高精度的观测转子位置与转速，具有霍尔位置传感器的观测估算方法不仅对无传感器滑模算法可靠性有所提升，同时能够提高转子位置估算精度，降低转速估算误差。将平均加速度法计算得到转速信息作为前馈量输入到滑模观测器中不仅能解决滑模观测器存在的起动不可靠和低速平稳性问题，高速下滑模观测器对平均加速度算法进行修正，减小霍尔位置传感器安装误差带来的影响，可以达到较高标准的控制要求。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自校正的转子位置估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将转子旋转一周平均分为六个霍尔扇区，在转子周围中心对称安装三个开关型霍尔位置传感器，获取三路霍尔信号，每个霍尔扇区为π/3；计算出单霍尔扇区内转子转速和加速度值，构建一阶加速度算法，并通过一阶加速度算法估算转子位置，得到转子转速ω₁和转子位置θ₁；

步骤二：通过在直流母线上串联一采样电阻，在一个脉冲宽度调制周期内进行两次电流采样，对非观测区补偿，进行脉冲宽度调制周期移相，并根据基尔霍夫定律重构出三相电流完成单电阻法采集电机运行相电流，在α-β两相坐标系下建立永磁同步电机数学模型，根据电机数学模型建立反电动势滑模观测器，并通过锁相环对反电动势中转子位置信息进行提取，得到转子转速和转子位置

步骤三：根据转子转速ω_r和估算加速度构建一补偿权值μ，通过离散霍尔信号对滑模观测器的位置估算结果进行线性前馈矫正补偿，得到校正后的转子位置θ₂和转速ω₂，对滑模观测值进行线性补偿的方法为：

其中，Δt为转子在当前霍尔扇区内的运行时间，霍尔边界转子位置估算误差，t_k是当前霍尔扇区起始时刻，t_k-1是上一霍尔扇区起始时刻，为滑模观测器估算转速结果，a_k-1为转子在前一霍尔扇区的平均加速度，μ为补偿权值；

其中，将补偿区间根据转速ω_r分段，当转速满足ω_r≤n/20时，用离散霍尔信号全补偿，n为额定转速；当转速满足n/20≤ω_r≤n/10时，使用的线性变权值补偿；当转速满足ω_r≥n/10时，完全使用滑模观测结果，不进行前馈补偿；

步骤四：根据转速和在霍尔扇区内转子位置调节一阶加速度算法，并通过补偿后的滑模观测器观测结果的权值，在全速范围内对转子位置进行估算。

2.如权利要求1所述的自校正的转子位置估算方法，其特征在于，所述步骤二中，建立α-β坐标系下永磁同步电机的数学模型的方法是：根据电机相电流进行Clarke变换，得到α-β坐标系下的电流，根据电机相电流获得永磁同步电机在相应α-β静止坐标系下的数学模型为：

其中，v_α、v_β分别为电机定子α-β轴电压分量，i_α、i_β分别为电机定子α-β轴电流分量，R_s为定子电阻，L_s为定子d-q轴电感，e_α、e_β分别为α-β轴反电势分量，并且有e_α＝-ω₂ψ_fsinθ₂，e_β＝ω₂ψ_fcosθ₂。

3.如权利要求2所述的自校正的转子位置估算方法，其特征在于，所述步骤二中，建立反电动势滑模观测器方法是：基于式(1)所述的α-β静止坐标系下的数学模型，可得该坐标系下的滑模观测方程：

其中，分别为电机定子α-β轴电流估计分量，κ为滑模观测器增益系数，F为sigmoid函数，定义sigmoid函数：

其中，ρ为可调斜率，定义滑模面：

4.如权利要求4所述的自校正的转子位置估算方法，其特征在于，所述步骤二中，通过电机运行反电动势计算转子角度的方法是：若滑模观测器的增益系数k满足k＞max(|e_α|,|e_β|)，则有系统滑动模态生成，即S＝0，通过滑模观测方程可估算出α-β轴定子反电势：

通过公式(5)对转子位置进行估算：

5.如权利要求4所述的自校正的转子位置估算方法，其特征在于，所述步骤一中，对当前转子位置与转速进行估算的方法是：假设单个霍尔扇区内，转子做匀加速运动，转子位置θ₁估算公式如式(7)所示：

其中，θ_k为当前霍尔扇区的起始位置、为前一霍尔扇区平均速度，Δt为在当前霍尔扇区内运行时间，a_k-1为前一霍尔扇区的平均加速度。

6.如权利要求5所述的自校正的转子位置估算方法，其特征在于，所述步骤四中，将θ₁、θ₂和观测器权值λ代入下式(8)，得到估算转子位置θ_r：

θ_r＝λθ₁+(1-λ)θ₂ (8)

其中，观测器权值λ调节方法是：将得到的转子位置θ_r和转速ω_r输入到参数调节器使其对变化权值，加权值计算如下：

其中，ω_r为转子估算转速，Δθ为单个霍尔扇区位置变化，n为额定转速。