CN109150052B - 一种考虑数字控制延迟的随机正弦注入永磁电机转子位置观测器的高频噪音抑制方法 - Google Patents

一种考虑数字控制延迟的随机正弦注入永磁电机转子位置观测器的高频噪音抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种采用随机正弦注入的永磁同步电机转子位置观测器的高频噪音抑制方法，属于电机控制领域。所述控制方法包括：步骤一：采用随机正弦信号发生器，在永磁同步电机矢量控制转子观测d轴注入随机正弦电压信号；步骤二：根据永磁同步电机αβ轴电流，采用数字控制延迟抑制与位置偏差信号解耦处理器，提取转子位置偏差信号；步骤三：采用软件锁相环从位置偏差信号中提取永磁同步电机位置和转速信息。所述方法具有有效降低传统高频信号注入产生的高频噪音的特点。

Description

一种考虑数字控制延迟的随机正弦注入永磁电机转子位置观 测器的高频噪音抑制方法
技术领域
本发明涉及一种采用随机正弦注入的永磁同步电机转子位置观测器的高频噪音抑制方法，特别涉及数字控制延迟抑制方法，属于电机控制领域。
背景技术
永磁同步电机(PMSM)因其高效和高功率密度等优点在各种高性能驱动系统当中广泛应用。为了解决传统转子位置信息获取方案中机械式传感器带来的高成本、低鲁棒性等问题，无传感器控制方案成为热点研究方向。其中，正弦信号注入法因其可以在瞬变过程中提供较大的电压裕度，并且无需额外的附加硬件、操作简单，而得到更广泛的应用。信号注入法在电机低速以及零速运行领域表现了良好的性能，但仍存在一些问题，例如：转矩脉动、额外损耗和声学噪声，影响着注入方案在更多领域的广泛应用，成为目前研究学者的挑战。其中，由于高频信号注入而引起的噪声问题，是限制高频注入法应用的一个关键问题。高频注入信号的频率会受到逆变器开关频率制约，通常在10kHz以内，且出于系统带宽和观测精度考虑，注入频率也不可以设置过低。因此该方案的高频注入信号频率通常在人耳听力感知范围(20Hz-20kHz)内，导致传统的高频注入方案往往会来带严重的噪声污染，影响了高频注入法在很多场合例如家用电器、医疗、机器人等的广泛应用。因此研究如何在不降低系统控制性能的前提下降低此类噪声具有重要意义。
此外，数字系统延时带来的负面影响也是高频信号注入法中需要亟待解决的问题。在电机驱动系统中，数字系统延时主要包括算法延时、电流采样到PWM更新延时、电流采样电路和栅极驱动电路的硬件延时、逆变器导通关断延时等。在基于电机基频模型的控制方案中，这类延时对系统的影响不大，但是在高频注入法中，当注入信号频率较高，其周期与系统延时周期相接近时，延时的负面影响下不可忽视。而且，实际注入信号与其激励的高频响应电流间的相移是随着注入频率增加而变大的，因此，如果没有处理好信号延时，电机转子位置的估算性能退化，甚至会导致位置估算失败，系统无法稳定运行。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有基于高频正弦信号注入法永磁同步电机无位置传感器控制中听觉噪音和数字控制延迟导致的不稳定问题，本发明提供一种考虑数字控制延迟的随机正弦注入永磁同步电机转子位置观测器的高频噪音抑制方法。所采取的技术方案如下：
一种考虑数字控制延迟的随机正弦注入永磁电机转子位置观测器的高频噪音抑制方法，所述的高频噪音抑制方法包括：
步骤一：采用随机正弦信号发生器，在永磁同步电机矢量控制转子观测d轴注入随机正弦电压信号；
步骤二：根据永磁同步电机αβ轴电流，采用数字控制延迟抑制与位置偏差信号解耦处理器，提取转子位置偏差信号；
步骤三：采用软件锁相环从位置偏差信号中提取永磁同步电机位置和转速信息。
进一步地，步骤一所述采用随机正弦信号发生器，在永磁同步电机矢量控制转子观测d轴注入随机正弦电压信号的具体过程为：
步骤一一、当一个注入周期开始时，比较程序生成伪随机码产生随机数R与设定的信号切换概率P之间的大小关系：如果R<P，则向电机中注入频率信号u1；如果R＞P，则向电机中注入频率信号u2，其中，频率信号u1的频率高于频率信号u2的频率；当一个完整周期的正弦信号注入完毕时，重置随机数R，重复上述过程，生成随机正弦电压注入信号
Figure BDA0001763221900000021
步骤一二、将步骤一一获得的随机正弦电压注入信号
Figure BDA0001763221900000022
输入至永磁同步电机d轴电流环输出电压参考中；同时，永磁同步电机q轴电流环输出电压参考无额外输入。
进一步地，步骤二所述数字控制延迟抑制与位置偏差信号解耦处理器的数字处理具体过程包括：
步骤二一、永磁同步电机αβ轴电流iαβ经高通滤波器HPF滤波后得到αβ轴高频响应电流iαh和iβh；
步骤二二、利用坐标变换将所述αβ轴高频响应电流iαh和iβh变换至观测轴系，得到对应的观测轴系高频电流
Figure BDA0001763221900000023
和
Figure BDA0001763221900000024
并对所述观测轴系高频电流
Figure BDA0001763221900000025
和
Figure BDA0001763221900000026
取绝对值，得到
Figure BDA0001763221900000027
和
Figure BDA0001763221900000028
其中，所述观测轴系即为dmqm轴系；
步骤二三、将
Figure BDA0001763221900000029
和
Figure BDA00017632219000000210
反变换至静止轴系，并对变换之静止轴系的
Figure BDA00017632219000000211
和
Figure BDA00017632219000000212
做低通滤波LPF处理，得到静止轴系下用于位置偏差信号计算的高频响应电流
Figure BDA00017632219000000213
步骤二四、利用归一化算法对所述高频响应电流
Figure BDA00017632219000000214
进行归一化处理，得到归一化后信号
Figure BDA00017632219000000215
Figure BDA00017632219000000216
步骤二五、将所述归一化后信号
Figure BDA0001763221900000031
坐标变换到估计旋转坐标系，得到位置误差：
Figure BDA0001763221900000032
其中，所述位置误差即为转子位置偏差信号；
Figure BDA0001763221900000033
表示转子位置观测值。
进一步地，步骤三所述在获取转子位置偏差信号后，利用软件锁相环获取永磁同步电机转子位置和转速信息。
本发明有益效果：
本发明采用的考虑数字控制延迟抑制的基于随机正弦信号注入的永磁同步电机转子位置观测器，信号处理方法简单易行、可靠实用，能够有效降低传统高频信号注入产生的高频噪音，经过数字控制延迟抑制处理后，能够实现较高注入频率下系统稳定性。本发明提出的考虑数字控制延迟的随机正弦注入永磁电机转子位置观测器的高频噪音抑制方法可以广泛地应用到永磁同步电机控制系统中，不需要额外硬件开销，可以获得较满意的控制性能。
附图说明
图1是考虑数字控制延迟抑制的基于随机正弦注入的永磁电机无传感器控制系统框图。
图2是随机正弦信号发生器原理框图。
图3是随机高频正弦信号注入法信号处理原理图。
图4是两相同步旋转轴系、两相静止轴系和两相测量轴系相对关系示意图。
图5是当永磁同步电机转速给定值
Figure BDA0001763221900000034
为100r/min，电机相电流进行功率谱密度(PSD)分析实验波形。
实施例
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1
本实施例提出一种考虑数字控制延迟的随机正弦注入永磁同步电机转子位置观测器高频噪音抑制方法，结合图1说明本实施例，本实施例所述的控制方法包括：
步骤一、采用随机正弦信号发生器，在永磁同步电机矢量控制转子观测d轴注入随机正弦电压信号；
步骤二、根据永磁同步电机αβ轴电流，采用数字控制延迟抑制与位置偏差信号解耦处理器，提取位置偏差信号；
步骤三、采用软件锁相环从位置偏差信号中提取永磁同步电机位置和转速信息。
本实施例所述的高频噪音抑制方法，通过注入随机正弦信号使永磁同步电机相电流PSD平坦分布实现；本实施例所述的数字控制延迟抑制通过对高频响应电流进行坐标变换和归一化处理实现。
实施例2
结合图2说明本实施例，本实施例与实施例1所述的一种考虑数字控制延迟的随机正弦注入永磁同步电机转子位置观测器高频噪音抑制方法的区别在于，步骤一所述的随机正弦信号发生器具体实现过程为：
步骤一一、利用程序生成伪随机码产生随机数R，当一个注入周期开始时，比较R与设定的信号切换概率P，如果R<P，向电机中注入较高频率信号u1，反之，注入较低频率信号u2。当一个完整周期的正弦信号注入完毕时，重置随机数R，重复上述过程，生成注入的随机信号
Figure BDA0001763221900000041
步骤一二、随机正弦电压注入信号ui r nj输入至永磁同步电机d轴电流环输出电压参考中；同时，永磁同步电机q轴电流环输出电压参考无额外输入。
具体实施方式一、结合图1和图3说明本实施例，本实施例与实施例一所述的一种考虑数字控制延迟的随机正弦注入永磁同步电机转子位置观测器高频噪音抑制方法的区别在于，步骤二所述数字控制延迟抑制与位置偏差信号解耦处理器数字实现过程包括：
步骤二一、永磁同步电机αβ轴电流iαβ经高通滤波器HPF滤波后得到αβ轴高频响应电流iαh和iβh；
步骤二二、αβ轴高频响应电流iαh和iβh；经坐标变换将其变换至观测轴系，得到观测轴系(dmqm轴系)高频电流
Figure BDA0001763221900000042
和
Figure BDA0001763221900000043
并对其取绝对值，得到
Figure BDA0001763221900000044
和
Figure BDA0001763221900000045
步骤二三、将
Figure BDA0001763221900000046
和
Figure BDA0001763221900000047
反变换至静止轴系，并对其做低通滤波LPF处理，得到静止轴系下用于位置偏差信号计算的高频响应电流
Figure BDA0001763221900000048
步骤二四、再经过归一化算法得到归一化后信号
Figure BDA0001763221900000049
Figure BDA00017632219000000410
步骤二五、最终，将其坐标变换到估计旋转坐标系，得到位置误差
Figure BDA0001763221900000051
实施例3
结合图1说明本实施例，本实施例与实施例1所述的一种考虑数字控制延迟的随机正弦注入永磁同步电机转子位置观测器高频噪音抑制方法的区别在于，在获取转子位置偏差信号后，经步骤三软件锁相环获取永磁同步电机转子位置和转速信息。
永磁同步电动机是交流同步电机调速系统的主要环节，如图4所示。取转子永磁体基波励磁磁场轴线为d轴，q轴顺着旋转方向超前d轴90度，d-q轴系随同转子以角速度ωr旋转，它的空间坐标以d轴与参考轴A相轴间的角度θe来表示；估计的d轴(
Figure BDA0001763221900000052
轴)与参考轴A相轴间的角度
Figure BDA0001763221900000053
来表示，估计的q轴(
Figure BDA0001763221900000054
轴)超前
Figure BDA0001763221900000055
轴90度；观测的d轴(dm轴)滞后
Figure BDA0001763221900000056
轴45度，观测的q轴(qm轴)超前dm轴90度；规定A相所在轴——参考轴A相轴为零度。参考轴A相轴与两相静止坐标系下的α轴重合，β轴顺着旋转方向超前α轴90度。
图5为实验获得的波形图，实验在永磁同步电机对拖实验平台上进行，可见采用本发明一种采用随机正弦注入的永磁同步电机转子位置观测器之后，相电流功率密度谱中离散谱得到有效消除，实验结果验证了本发明方法的有效性。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (2)

1.一种考虑数字控制延迟的随机正弦注入永磁电机转子位置观测器的高频噪音抑制方法，其特征在于，所述高频噪音抑制方法包括：
步骤一：采用随机正弦信号发生器，在永磁同步电机矢量控制转子观测d轴注入随机正弦电压信号；
步骤二：根据永磁同步电机αβ轴电流，采用数字控制延迟抑制与位置偏差信号解耦处理器，提取转子位置偏差信号；
步骤三：采用软件锁相环从位置偏差信号中提取永磁同步电机位置和转速信息；
步骤二所述数字控制延迟抑制与位置偏差信号解耦处理器的数字处理具体过程包括：
步骤二一、永磁同步电机αβ轴电流iαβ经高通滤波器HPF滤波后得到αβ轴高频响应电流iαh和iβh；
步骤二二、利用坐标变换将所述αβ轴高频响应电流iαh和iβh变换至观测轴系，得到对应的观测轴系高频电流
Figure FDA0002369964140000011
和
Figure FDA0002369964140000012
并对所述观测轴系高频电流
Figure FDA0002369964140000013
和
Figure FDA0002369964140000014
取绝对值，得到
Figure FDA0002369964140000015
和
Figure FDA0002369964140000016
其中，所述观测轴系即为dmqm轴系；
步骤二三、将
Figure FDA0002369964140000017
和
Figure FDA0002369964140000018
反变换至静止轴系，并对变换至静止轴系的
Figure FDA0002369964140000019
和
Figure FDA00023699641400000110
做低通滤波LPF处理，得到静止轴系下用于位置偏差信号计算的高频响应电流
Figure FDA00023699641400000111
步骤二四、利用归一化算法对所述高频响应电流
Figure FDA00023699641400000112
进行归一化处理，得到归一化后信号
Figure FDA00023699641400000113
Figure FDA00023699641400000114
步骤二五、将所述归一化后信号
Figure FDA00023699641400000115
坐标变换到估计旋转坐标系，得到位置误差：
Figure FDA00023699641400000116
其中，所述位置误差即为转子位置偏差信号；
Figure FDA00023699641400000117
表示转子位置观测值。
2.根据权利要求1所述考虑数字控制延迟的随机正弦注入永磁电机转子位置观测器的高频噪音抑制方法，其特征在于，步骤一所述采用随机正弦信号发生器，在永磁同步电机矢量控制转子观测d轴注入随机正弦电压信号的具体过程为：
步骤一一、当一个注入周期开始时，比较程序生成伪随机码产生随机数R与设定的信号切换概率P之间的大小关系：如果R<P，则向电机中注入频率信号u1；如果R＞P，则向电机中注入频率信号u2，其中，频率信号u1的频率高于频率信号u2的频率；当一个完整周期的正弦信号注入完毕时，重置随机数R，重复上述过程，生成随机正弦电压注入信号
Figure FDA0002369964140000021
步骤一二、将步骤一一获得的随机正弦电压注入信号
Figure FDA0002369964140000022
输入至永磁同步电机d轴电流环输出电压参考中；同时，永磁同步电机q轴电流环输出电压参考无额外输入。
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