CN109450304B - 一种基于信号注入的位置辨识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于信号注入的位置辨识方法，包括：在静止两相坐标系下注入相同的恒频率等幅值的正弦电压信号，产生包含位置信息的谐波电流；利用电流传感器采样电流；利用高通或带通滤波器分离采样电流的基波和谐波，取出谐波响应电流[iαh iβh]T；通过[iαh iβh]T计算高频电压响应电流[ixh iyh]T，[ixh iyh]T乘以sin(ωht)，再经低通滤波处理，除去信号中原有的sin(ωht)项得到[ixh‑low iyh‑low]T；本发明的基于信号注入的位置辨识方法，在静止两相坐标系中注入高频电压信号，由于电机的凸极效应，会产生包含位置信息的谐波电流，对此电流进行处理从而提取出位置信息，本方案的方法在静止坐标系下注入信号，调试较为容易，避免了复杂的坐标变换，系统相对简单，成本较低。

Description

一种基于信号注入的位置辨识方法
技术领域
本发明涉及伺服控制领域，特别涉及一种基于信号注入的位置辨识方法。
背景技术
在伺服控制系统中，位置信息用于定位、调速、产生电流矢量等各个阶段，是极为重要的信息。位置传感器(如光电码盘、光栅、磁栅等)广泛用于提供动子位置的反馈，应用十分成熟。但常用机械位置传感器存在一定的局限性：
1、位置传感器增加了硬件复杂程度，位置传感器的安装增加了系统体积与质量，需配合提取位置信号的硬件电路使用，传感器使用时需时常检查和维护；
2、位置传感器的精度受温度、潮湿、震动、电磁干扰等环境因素影响；
3、位置传感器成本高，占用系统预算。
上述局限性限制了位置传感器的应用，从而限制了伺服系统的应用。为了突破这一限制，在特殊要求下，可采用无位置传感器控制。无位置传感器控制的核心是位置信息的辨识，当今位置辨识的方法可分为两类：基于反电势的基波模型法与基于凸极的谐波分析法。基于反电势的基波模型法在额定速度5％以下时，精度和可靠性低，无法独立使用。基于凸极电感的谐波分析法可在低速和零速下使用，且具有一定的调速带宽。目前流行的谐波分析法主要有旋转高频电压注入法和脉振高频电压注入法。然而，旋转高频电压注入法涉及复杂的坐标变换，系统过于复杂；脉振高频电压注入法是在假定位置下进行，调试难度较大。本发明提出了一种信号注入法，不涉及坐标变换，不基于假定位置，从系统复杂度和调试便捷程度方面优于上述两种方法。
发明内容
本发明目的是：提供一种基于信号注入的位置辨识方法，在静止两相坐标系中注入高频电压信号，由于电机的凸极效应，会产生包含位置信息的谐波电流，对此电流进行处理从而提取出位置信息。
本发明的技术方案是：
一种基于信号注入的位置辨识方法，包括：
(1)在静止两相坐标系下注入相同的恒频率等幅值的正弦电压信号，产生包含位置信息的谐波电流；
(2)利用电流传感器采样电流；
(3)利用高通或带通滤波器分离采样电流的基波和谐波，取出谐波响应电流[iαhiβh]T；
(4)通过[iαh iβh]T计算高频电压响应电流[ixh iyh]T，[ixh iyh]T乘以sin(ωht)，再经低通滤波处理，除去信号中原有的sin(ωht)项得到[ixh-low iyh-low]T；
(5)经过三角函数变换求出位置信息。
具体的，所述步骤(1)-(3)中，在静止两相坐标系下注入的正弦电压信号为
Figure BDA0001915479830000021
凸极电机的电感矩阵为
Figure BDA0001915479830000022
其中L＝(Ld+Lq)/2，ΔL＝(Ld-Lq)/2；Ld、Lq分别为直轴、交轴电感；在高频电压注入的条件下，忽略电阻的作用，可得谐波响应电流：
Figure BDA0001915479830000023
所述步骤(4)中，利用高通滤波器取出高频电压响应电流[iαh iβh]T，进而取
Figure BDA0001915479830000024
得到的[ixh iyh]T，[ixh iyh]T乘以sin(ωht)，得
Figure BDA0001915479830000025
经过低通滤波器除去含有cos(2ωht)的项，
Figure BDA0001915479830000026
所述步骤(5)中，令K＝A/2ωh(L2-ΔL2)，得ixh-low＝K(L+ΔLsin(2θ))，iyh-low＝KΔLcos(2θ)，位置信息可求
Figure BDA0001915479830000027
本发明的优点是：
本发明的基于信号注入的位置辨识方法，在静止两相坐标系中注入高频电压信号，由于电机的凸极效应，会产生包含位置信息的谐波电流，对此电流进行处理从而提取出位置信息，本方案的方法在静止坐标系下注入信号，调试较为容易，避免了复杂的坐标变换，系统相对简单，成本较低。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为基于信号注入的位置辨识装置的结构简图；
图2为位置估计流程原理图；
图3为位置计算原理图。
具体实施方式
本发明提供如下技术方案，在静止两相坐标系中注入高频电压信号，由于电机的凸极效应，会产生包含位置信息的谐波电流，对此电流进行处理从而提取出位置信息。位置估计模块功能是提取出磁极位置信息，以及此位置的微分，如图1所示。
本发明的一种基于信号注入的位置辨识方法，包括：
(1)在静止两相坐标系下注入相同的恒频率等幅值的正弦电压信号，产生包含位置信息的谐波电流；
(2)利用电流传感器采样电流；
(3)利用高通或带通滤波器分离采样电流的基波和谐波，取出谐波响应电流[iαhiβh]T；
(4)通过[iαh iβh]T计算高频电压响应电流[ixh iyh]T，[ixh iyh]T乘以sin(ωht)，再经低通滤波处理，除去信号中原有的sin(ωht)项得到[ixh-low iyh-low]T；
(5)经过三角函数变换求出位置信息。
具体的，所述步骤(1)-(3)中，在静止两相坐标系下注入的正弦电压信号为
Figure BDA0001915479830000031
凸极电机的电感矩阵为
Figure BDA0001915479830000041
其中L＝(Ld+Lq)/2，ΔL＝(Ld-Lq)/2；Ld、Lq分别为直轴、交轴电感；在高频电压注入的条件下，忽略电阻的作用，可得谐波响应电流：
Figure BDA0001915479830000042
所述步骤(4)中，如图2所示，利用高通滤波器取出高频电压响应电流[iαh iβh]T，进而取
Figure BDA0001915479830000043
得到的[ixh iyh]T，[ixh iyh]T乘以sin(ωht)，得
Figure BDA0001915479830000044
经过低通滤波器除去含有cos(2ωht)的项，
Figure BDA0001915479830000045
所述步骤(5)中，令K＝A/2ωh(L2-ΔL2)，得ixh-low＝K(L+ΔLsin(2θ))，iyh-low＝KΔLcos(2θ)，由图3，位置信息可求
Figure BDA0001915479830000046
本技术方案针对一些特殊场合，如位置传感器成本预算过大；伺服系统的工作环境比较特殊，传感器精度不足；滚轴、丝杠等特殊电机结构位置传感器无法安装的情况；系统受质量和空间限制等，提出了一种无位置传感器控制方法。发明点在于新的注入方式，在静止两相坐标系中注入相同正弦信号的方式是一种新方法，基于此注入方式的信号提取步骤，也是全新的步骤。
鉴于两种流行的信号注入法存在一定的缺陷，旋转注入法涉及复杂的坐标变换，算法比较复杂；脉振注入法基于假定的交、直轴坐标系，调试较为困难。本方案的方法在静止坐标系下注入信号，调试较为容易，避免了复杂的坐标变换，系统相对简单。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于信号注入的位置辨识方法，其特征在于，包括：
(1)在静止两相坐标系下注入相同的恒频率等幅值的余弦电压信号，产生包含位置信息的谐波电流；
(2)利用电流传感器采样电流；
(3)利用高通或带通滤波器分离采样电流的基波和谐波，取出谐波响应电流[iαh iβh]T；
(4)通过[iαh iβh]T计算高频电压响应电流[ixh iyh]T，取
Figure FDA0002353460960000011
其中L＝(Ld+Lq)/2，ΔL＝(Ld-Lq)/2；Ld、Lq分别为直轴、交轴电感；得到的[ixh iyh]T，[ixhiyh]T乘以sin(ωht)，再经低通滤波处理，除去信号中原有的sin(ωht)项得到[ixh-lowiyh-low]T；
(5)经过三角函数变换求出位置信息。
2.根据权利要求1所述的基于信号注入的位置辨识方法，其特征在于，所述步骤(1)-(3)中，在静止两相坐标系下注入的余弦电压信号为
Figure FDA0002353460960000012
凸极电机的电感矩阵为
Figure FDA0002353460960000013
在高频电压注入的条件下，忽略电阻的作用，可得谐波响应电流：
Figure FDA0002353460960000014
3.根据权利要求2所述的基于信号注入的位置辨识方法，其特征在于，所述步骤(4)中，得到的[ixh iyh]T，[ixh iyh]T乘以sin(ωht)，得
Figure FDA0002353460960000021
经过低通滤波器除去含有cos(2ωht)的项，
Figure FDA0002353460960000022
4.根据权利要求3所述的基于信号注入的位置辨识方法，其特征在于，所述步骤(5)中，令K＝A/2ωh(L2-ΔL2)，得ixh-low＝K(L+ΔLsin(2θ))，iyh-low＝KΔLcos(2θ)，位置信息可求
Figure FDA0002353460960000023
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