CN109510545B - 一种超高速永磁同步电机转子位置检测方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高速永磁同步电机转子位置检测方法及电路，电机三相端电压信号经过积分电路得到三相定子磁链信号，定子磁链信号相位滞后端电压信号90度电角度。三相定子磁链经过低通滤波电路，滤除PWM开关噪声及其谐波噪声。基于滤波后的定子磁链，构建三相定子磁链矢量虚拟中性点。滤波后的定子磁链与虚拟中性点进行比较，得到转子位置检测信号。进一步，可对获取的转子位置信号进行误差补偿。更进一步，可在以上精确的离散转子位置信息基础上，通过简单的转速积分获取连续的转子位置信息，用于超高速永磁同步电机的闭环控制。本发明无需计算，实时性好，检测精度高，鲁棒性强，结构简单，成本低，尤其适合超高速永磁同步电机转子位置估计。

Description

一种超高速永磁同步电机转子位置检测方法及电路

技术领域

本发明属于电机控制领域，涉及一种超高速永磁同步电机转子位置检测方法及电路。

背景技术

超高速永磁同步电机具有体积小、重量轻、功率密度高、动态性能好等特点，随着电力电子技术和微处理器技术的发展，在飞机电环境控制系统、高速风机等领域，应用前景十分广阔。永磁同步电机的控制需要精确的转子位置信息，传统控制系统通常采用机械传感器准确获得转子位置和速度，常用传感器主要有霍尔传感器、光电编码器、旋转变压器以及磁编码器等精密的机械装置。然而机械传感器的使用会增加系统成本、加大电机尺寸、降低系统可靠性，最重要的是在超高速场合，难以选择到合适的传感器。所以，超高速永磁同步电机控制系统需采用无传感器技术，以实现电机闭环控制。

目前，国内外对永磁同步电机无传感器技术进行了较多研究，有开环直接计算法、状态观测器法、扩展卡尔曼滤波法、滑模观测器法、高频信号注入法等，但基本上是针对工业用转速不太高的电机，当电机转速达到数十万转/min时，还面临着下述运行条件和电机参数引起的算法适用性问题：1)超高速下计算实时性问题；2)低PWM频率与基波频率比问题；3)高速电流滞后问题；4)超高速电机低电感引起的电流脉动问题；5)参数时变及其自适应问题。因此，传统检测或估计方法难以在超高速永磁同步电机上使用。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种超高速永磁同步电机转子位置检测方法及电路，解决超高速永磁同步电机闭环控制中电机转子位置难以实时准确检测的问题，本方法简单有效、实时性好并适宜在超高速下运行。

技术方案

一种超高速永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对电机三相端电压信号进行积分得到定子磁链信号，所述定子磁链信号相位滞后端电压信号90度电角度；

步骤2：对定子磁链信号进行滤波，滤除定子磁链中所包含的PWM开关噪声及其谐波噪声；所述滤波为低通滤波，截止频率取为PWM开关的1/10～1/5；

步骤3：构建三相定子磁链矢量的中性点，得到三相定子磁链矢量ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc的中性点ψ_n；

步骤4：将定子磁链信号与磁链矢量中性点信号通过比较电路进行比较，定子磁链信号接比较器正输入端，磁链矢量中性点信号接比较器负输入端，输出的三路高低组合电平是转子位置，为转子位置检测信号；

步骤5：根据定子磁链信号与三相端电压信号的相位关系，得到电机转子位置差补偿量：

电机转子位置差补偿量的计算：求取端电压频率与积分电路截止频率之比的反正切、端电压频率与滤波电路截止频率之比的反正切，然后用90度减去上述两值之和，为转子位置误差补偿量；

通过将步骤4得到的转子位置检测信号滞后转子位置误差补偿量，即可得到精确的离散转子位置数据；

步骤6：以步骤5所述的精确的离散转子位置数据为基准，通过对转速在时间轴上进行简单的积分获取实时位置连续增量，离散转子位置基准与实时位置连续增量之和即为连续的转子位置信息。

一种实现所述超高速永磁同步电机转子位置检测方法的电路，其特征在于：包括积分电路、滤波电路、虚拟中性点重构电路以及比较电路；积分电路的输入端收电机三相端电压信号，输出为三相定子磁链信号；三相定子磁链信号输入至与其连接的滤波电路；滤波电路输出并连接虚拟中性点重构模块和三路比较电路，虚拟中性点重构模块输出连接比较器负输入端，滤波电路的输出连接比较器正输入端；比较器输出的三路高低组合电平为转子位置检测信号。

所述虚拟中性点重构电路采用三相星形对称电阻网络。

所述滤波电路采用低通滤波器实现，截止频率取为PWM开关的1/10～1/5。

有益效果

本发明提出的一种超高速永磁同步电机转子位置检测方法及电路，包括积分电路、滤波电路、三相定子磁链矢量虚拟中性点构建电路以及比较电路。对电机三相定子相电压进行积分，从而获取三相定子磁链；对定子磁链进行滤波，以滤除PWM开关噪声及其谐波噪声；构建三相定子磁链矢量虚拟中性点，用于与三相定子磁链进行比较，以获取三相定子磁链过零时刻，进而获取电机换相时刻。进一步，可对获取的转子位置信号进行误差补偿。更进一步，可在以上精确的离散转子位置信息基础上，通过简单的转速积分获取连续的转子位置信息，用于超高速永磁同步电机的闭环控制。

本发明的有益效果是：

(1)无需计算，实时性极好，尤其适合超高速电机运行。

(2)通过积分与进一步滤波，可有效滤除干扰信号，检测精度高。

(3)仅需可测的电机端电压信息，无需其他参数，鲁棒性强。

(4)结构简单，成本低。

附图说明

图1为超高速永磁同步电机矢量控制系统结构图

图中，1—速度控制器，2—d轴电流调节器，3—q轴电流调节器，4—Park反变换模块，5—SVPWM模块，6—三相逆变器，7—超高速永磁同步电机，8—转子位置估计模块，9—Clarke变换模块，10—Park变换模块，11—微分模块。

图2为本发明端电压积分磁链法超高速永磁同步电机转子位置检测方法结构图

图中，12—积分电路，13—滤波电路，14—虚拟中性点重构电路，15—比较电路。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，超高速永磁同步电机矢量控制系统结构图，包括速度控制器1、d轴电流控制器2、q轴电流控制器3、Park反变换模块4、SVPWM模块5、三相逆变器6、超高速永磁同步电机7、转子位置估计模块8、Clarke变换模块9、Park变换模块10、微分模块11。速度控制器1根据接收的速度指令

和转子位置估计模块8、微分模块11得到的速度估计反馈信号

输出控制信号

作为q轴电流的给定值。d轴电流控制器2和q轴电流控制器3根据给定的电流值和传感器的电流反馈信号i_d和i_q产生控制信号u_d和u_q，然后通过Park反变换模块4后得到u_α和u_β，u_α和u_β作为SVPWM模块5的信号输入。SVPWM模块5产生6路PWM脉冲信号分别控制三相逆变器6的6个功率开关管的通断，进而产生三相交流电流信号，控制永磁同步电机7的正常运行。

所述电流反馈信号i_d和i_q是由三相电流信号i_a、i_b、i_c经过Clarke变换模块9和Park变换模块10得到。

所述转子位置估计模块8根据永磁同步电机电压、电流等信息，得到实时估计的转子位置信息，并提供给Park变换模块10、Park反变换模块4以及微分模块11使用，从而构成闭环控制。

如图2所示，针对上述基本控制系统，本发明提供一种转子位置检测电路，利用该电路实施的其特方法，步骤如下：

步骤1：计算永磁同步电机定子磁链信号。

本发明涉及的超高速永磁同步电机，具有低定子电感和互感的特性，以A相电压为例：

其中，u_a是A相绕组端电压，R_a是A相绕组电阻，i_a、i_b、i_c是电机三相相电流，L_AA为A相绕组自感，M_AB、M_AC分别为两两绕组之间的互感，e_a是A相绕组反电势。

对于本方法中涉及的超高转速永磁同步电机，由于定子电感和互感极低，可以将电流微分项忽略，得到：

u_a＝i_aR_a+e_a

又由于定子电流与电压同相位，绕组阻性压降仅影响磁链幅值，并不影响相位，所以：

u_a＝e_a

即A相端电压等于A相反电势，所以用端电压近似代替相反电势。

通过积分电路12对A相端电压积分得到A相定子磁链：

ψ′_sa＝∫u_asdt＝∫e_adt

同理可得B、C相定子磁链信号ψ′_sb、ψ′_sc。

步骤2：定子磁链信号滤波。

通过设计合适的滤波电路13，滤除定子磁链信号中的PWM开关噪声及其谐波噪声，得到信号ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc。滤波电路13采用低通滤波器实现，截止频率一般取为PWM开关的1/10～1/5。

步骤3：三相定子磁链信号中性点重构。

基于滤波后的定子磁链ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc，通过虚拟中性点重构模块14构建三相定子磁链矢量虚拟中性点。

所述的虚拟中性点重构模块14，采用三相星形对称电阻网络的形式实现。当然，也可采用其他方法实现。

步骤4：获取转子位置信息。

滤波后的定子磁链信号ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc与虚拟中性点ψ_n通过比较电路15进行比较，得到转子位置检测信号。定子磁链信号接比较器正输入端，磁链矢量中性点信号接比较器负输入端，输出的三路高低组合电平是转子位置，为转子位置检测信号；

基本原理是：在正常换相逻辑中，相反电势过零点发生之后的30度电角度时刻即为该相换相时刻。本发明中，A相端电压信号经积分后得到A相定子磁链，定子磁链在相位上会滞后相电压(或反电势)90度，A相定子磁链信号过零时刻正好是电机C相换相时刻。三相定子磁链信号ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc通过与虚拟中性点重构模块14构建的三相定子磁链矢量虚拟中性点ψ_n进行比较，可获取该过零时刻点。同理，B相定子磁链过零时刻为A相换相时刻，C相定子磁链过零时刻为B相换相时刻。由此便可得到电机各相换相信号，即转子位置检测信号，可用于超高速永磁同步电机的闭环控制。

步骤5：根据定子磁链信号与三相端电压信号的相位关系，得到电机转子位置差补偿量：

电机转子位置差补偿量的计算：求取端电压频率与积分电路截止频率之比的反正切、端电压频率与滤波电路截止频率之比的反正切，然后用90度减去上述两值之和，为转子位置误差补偿量；

将步骤4得到的转子位置检测信号滞后转子位置误差补偿量，即可得到精确的离散转子位置数据；

进一步，实际上，经过积分电路12和滤波电路13后的定子磁链ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc与电机三相端电压u_a、u_b和u_c在相位上并不是严格的90度，其误差可表示为：

其中，f为端电压的频率，f_c1为积分电路12的截止频率，f_c2为滤波电路13的截止频率。可通过软件根据上式对角度差值Δθ进行补偿进而实现电机转子位置的精准检测。

步骤6：以步骤5所述的精确的离散转子位置数据为基准，通过对转速在时间轴上进行简单的积分获取实时位置连续增量，离散转子位置基准与实时位置连续增量之和即为连续的转子位置信息。

Claims (4)

1.一种超高速永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对电机三相端电压信号进行积分得到定子磁链信号，所述定子磁链信号相位滞后端电压信号90度电角度；

步骤2：对定子磁链信号进行滤波，滤除定子磁链中所包含的PWM开关噪声及其谐波噪声；所述滤波为低通滤波，截止频率取为PWM开关的1/10～1/5；

步骤3：构建三相定子磁链矢量的中性点，得到三相定子磁链矢量ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc的中性点ψ_n；

步骤4：将定子磁链信号与磁链矢量中性点信号通过比较电路进行比较，定子磁链信号接比较器正输入端，磁链矢量中性点信号接比较器负输入端，输出的三路高低组合电平是转子位置，为转子位置检测信号；

步骤5：根据定子磁链信号与三相端电压信号的相位关系，得到电机转子位置差补偿量：

电机转子位置差补偿量的计算：求取端电压频率与积分电路截止频率之比的反正切、端电压频率与滤波电路截止频率之比的反正切，然后用90度减去上述两值之和，为转子位置误差补偿量；

将步骤4得到的转子位置检测信号滞后转子位置误差补偿量，即可得到精确的离散转子位置数据；

步骤6：以步骤5所述的精确的离散转子位置数据为基准，通过对转速在时间轴上进行简单的积分获取实时位置连续增量，离散转子位置基准与实时位置连续增量之和即为连续的转子位置信息。

2.一种实现权利要求1所述超高速永磁同步电机转子位置检测方法的电路，其特征在于：包括积分电路、滤波电路、虚拟中性点重构电路以及比较电路；积分电路的输入端收电机三相端电压信号，输出为三相定子磁链信号；三相定子磁链信号输入至与其连接的滤波电路；滤波电路输出并连接虚拟中性点重构模块和三路比较电路，虚拟中性点重构模块输出连接比较器负输入端，滤波电路的输出连接比较器正输入端；比较器输出的三路高低组合电平为转子位置检测信号。

3.根据权利要求2所述电路，其特征在于：所述虚拟中性点重构电路采用三相星形对称电阻网络。

4.根据权利要求2所述电路，其特征在于：所述滤波电路采用低通滤波器实现，截止频率取为PWM开关的1/10～1/5。

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