CN109802618B - 基于无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法 - Google Patents

基于无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法 Download PDF

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CN109802618B CN201910070690.0A CN201910070690A CN109802618B CN 109802618 B CN109802618 B CN 109802618B CN 201910070690 A CN201910070690 A CN 201910070690A CN 109802618 B CN109802618 B CN 109802618B
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Abstract

本发明涉及一种无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法，属于电机控制领域。为了解决现有的永磁同步电机转子初始位置辨识过程中存在的精度低、辨识结果受注入信号幅值和频率影响和滤波器对系统稳定性的影响的问题。本发明方法是向电机定子绕组中注入高频脉振信号，对响应电流经过坐标变换和信号处理得到位置偏差信号，对位置偏差信号进行锁相得到转子位置初次辨识结果
Figure DDA0001957179420000011
通过磁路饱和效应对转子N、S磁极极性进行辨识，得到转子初始位置辨识值。辨识过程中去除了滤波器的使用，能够有效抑制滤波器对系统带宽和稳定性的影响，去除注入信号的幅值和频率对辨识精度的影响，算法简单，可靠性强。

Description

基于无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法。
背景技术
永磁电机由于不具有自启动能力，在启动时需要获得有效的转子初始位置，在初始位置不准确时，会出现电机无法以最大转矩启动，甚至“反转”现象，从而造成启动失败。因此，精确地对初始位置进行辨识是永磁同步电机正常启动的关键。
目前转子初始位置辨识方法可分为旋转辨识方法和静止辨识方法两种。中国发明专利CN 108683371 A于2018年10月19日公布的《转子磁极初始位置辨识方法、装置、系统及电机驱动设备》，采用旋转辨识方法，具体步骤是向电机绕组中注入低频电压脉冲信号，对采集的正序峰值电流及负序峰值电流进行计算，得到转子磁极初始位置。该方法的缺点是：辨识过程中电机需要转动，限制了其使用领域；信号注入及响应电流处理过程复杂，实用性差。
为了实现转子位置静止状态辨识，有学者提出高频信号注入方法，利用电机结构凸极特性或饱和凸极特性进行初始位置辨识。
高频信号注入法是向电机定子绕组中注入高频信号，通过对高频电流响应信号进行处理得到转子位置信息。传统方法中分离高频信号多采用滤波器对高频信号进行滤波，如中国发明专利CN 106374805 A于2017年2月1日公开的《永磁同步电机转子静止状态初始位置辨识方法及装置》提出的方法是向电机绕组中注入高频旋转信号，对采样的电流进行帯通滤波，提取高频电流分量中的负序分量，通过反正切算法得到高频注入位置估计值。使用滤波器分离高频信号方法的缺点是，由于滤波环节的存在，会影响系统带宽，且高阶滤波器的使用会过多占用系统资源，工程实用性差。
发明内容
针对滤波环节对永磁同步电机转子初始位置辨识过程中产生的动态性能差、辨识结果易受注入信号影响等问题，本发明提出了无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法，向电机定子绕组中注入高频脉振信号，对响应电流经过坐标变换和信号处理得到位置偏差信号，对位置偏差信号进行锁相得到转子位置初次辨识结果
Figure BDA0001957179400000011
本发明的技术方案涉及一种无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法，向电机定子绕组中注入高频脉振信号，采样得到三相绕组电流ia，ib，ic，对三相绕组电流进行坐标变换和信号处理，得到转子位置初次辨识结果
Figure BDA0001957179400000021
对磁极极性进行辨识，利用辨识结果进行极性补偿，得到电机转子的初始位置
Figure BDA0001957179400000022
具体包括以下步骤：
步骤1，永磁同步电机在估计坐标系
Figure BDA0001957179400000023
中的估计直轴
Figure BDA0001957179400000024
和估计交轴
Figure BDA0001957179400000025
注入高频脉振电压信号，如下式所示：
Figure BDA0001957179400000026
其中Vh为高频脉振信号电压幅值，ωh为信号频率，t为注入高频信号时间；
步骤2，将采样得到的三相定子绕组电流ia，ib，ic变换到估计坐标系
Figure BDA0001957179400000027
中，得到估计直轴电流
Figure BDA0001957179400000028
和估计交轴电流
Figure BDA0001957179400000029
其中估计直轴
Figure BDA00019571794000000210
与直轴a的角度差为
Figure BDA00019571794000000211
步骤3，将估计坐标系电流
Figure BDA00019571794000000212
和
Figure BDA00019571794000000213
进行运算，通过锁相环得到转子位置初次估计值
Figure BDA00019571794000000214
以及步骤4，利用磁路饱和效应对转子N极和S极磁极极性进行辨识，对转子位置初次估计值进行磁极补偿，获得电机转子的初始位置辨识值
Figure BDA00019571794000000215
进一步，所述步骤1中注入的所述高频脉振电压信号时的估计直轴
Figure BDA00019571794000000216
的位置是随机的，并设定估计直轴
Figure BDA00019571794000000217
初始位置为0°。
而且，所述步骤1中注入的高频脉振信号的幅值为60V，频率为400Hz。
可优选的是，所述步骤2中获取估计坐标系响应电流
Figure BDA00019571794000000218
和
Figure BDA00019571794000000219
包括以下步骤：
步骤2.1，将三相定子绕组电流ia，ib，ic变换到估计坐标系
Figure BDA00019571794000000220
变换表达式如下：
Figure BDA00019571794000000221
进一步，所述步骤2.1中坐标变换利用的角度为转子位置初次估计值
Figure BDA00019571794000000222
并且在初次计算时，其值为0°。
更进一步，所述步骤3所述转子位置初次估计值
Figure BDA00019571794000000223
获取方法分为以下步骤：
步骤3.1，根据估计直轴电流
Figure BDA00019571794000000224
和估计交轴电流
Figure BDA00019571794000000225
对估计坐标系电流进行处理，利用估计直轴的电流信号
Figure BDA00019571794000000226
去除估计交轴电流信号
Figure BDA00019571794000000227
得到转子位置误差信号fΔθ，具体方法如下：
Figure BDA0001957179400000031
其中k为转子位置误差信号的幅值，Δθ为转子实际位置θ与转子位置初次辨识值
Figure BDA0001957179400000032
之差，即
Figure BDA0001957179400000033
步骤3.2，将转子位置误差信号fΔθ作为PI调节器的输入，PI调节器表示如下：
Figure BDA0001957179400000034
其中，s为拉普拉斯算子，kp为比例项系数，ki为积分项系数；
步骤3.3，调节kp和ki，使转子位置误差信号fΔθ收敛到0，PI调节器的输出为电机转速估计值；
步骤3.4，将电机转速估计值作为积分器的输入，积分器表示为：
Figure BDA0001957179400000035
步骤3.5，积分器的输出即为转子位置初次估计值
Figure BDA0001957179400000036
进一步，所述步骤4所述的利用磁路饱和效应对转子N极和S极磁极极性进行辨识方法包括以下步骤：
步骤4.1，向转子位置初次辨识值
Figure BDA0001957179400000037
方向注入直流偏置信号和高频脉振信号的混合信号；
步骤4.2，由高频响应电流幅值计算电感值
Figure BDA0001957179400000038
计算表达式如下：
Figure BDA0001957179400000039
步骤4.3，向转子位置初次辨识值
Figure BDA00019571794000000310
方向的反方向注入直流偏置信号和高频脉振信号的混合信号；
步骤4.4，由高频响应电流幅值计算电感值
Figure BDA00019571794000000311
表达式与步骤4.2中相同；
步骤4.5，通过两次计算的电感值判断磁极极性，如果
Figure BDA00019571794000000312
则不需极性补偿，如果
Figure BDA00019571794000000313
则需要对磁极极性进行π角度补偿。
可优选的是，所述步骤4.1和4.3中，注入的直流偏置信号通过设定d轴电流给定值id实现，其值为20A。
进一步，所述步骤4.1和4.3中，注入的高频脉振信号的幅值为30V，频率为400Hz。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果如下：
避免了滤波环节，算法简单，提高系统动态特性；去除高频信号幅值和频率对精度影响。
附图说明
图1为本发明基于无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法的流程图；
图2为本发明辨识方法的信号处理流程图；
图3为本发明电路原理图；
图4为电机各个坐标系示意图；
图5为实际位置为149.76°时采用本发明的实验辨识结果；
图6为实际位置为329.04°时采用本发明的实验辨识结果；以及
图7为磁极极性辨识实验波形。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施步骤。
图1为本发明辨识方法流程图，由图1可见，本发明辨识方法包括以下步骤：
步骤1，在永磁同步电机估计直轴
Figure BDA0001957179400000041
和估计交轴
Figure BDA0001957179400000042
注入高频脉振电压信号如下式所示：
Figure BDA0001957179400000043
其中Vh为高频脉振信号电压幅值，ωh为信号频率；
步骤2，将采样得到的三相定子绕组电流ia，ib，ic变换到估计坐标系
Figure BDA0001957179400000044
中，得到估计直轴电流
Figure BDA0001957179400000045
和估计交轴电流
Figure BDA0001957179400000046
其中估计直轴
Figure BDA0001957179400000047
与直轴d的角度差为
Figure BDA0001957179400000048
步骤2.1，将三相定子绕组电流ia，ib，ic变换到估计坐标系
Figure BDA0001957179400000049
变换表达式如下：
Figure BDA00019571794000000410
步骤3转子位置初次估计值
Figure BDA00019571794000000411
获取方法分为以下步骤：
步骤3.1，根据估计直轴电流
Figure BDA00019571794000000412
和估计交轴电流
Figure BDA00019571794000000413
对估计坐标系电流进行处理，利用估计直轴的电流信号
Figure BDA00019571794000000414
去除估计交轴电流信号
Figure BDA00019571794000000415
得到转子位置误差信号fΔθ，运算方法如下：
Figure BDA00019571794000000416
其中k为转子位置误差信号的幅值，Δθ为转子实际位置θ与转子位置初次估计值
Figure BDA0001957179400000051
之差，即
Figure BDA0001957179400000052
步骤3.2，将转子位置误差信号fΔθ作为PI调节器的输入，PI调节器表示如下：
Figure BDA0001957179400000053
其中，s为拉普拉斯算子，kp为比例项系数，ki为积分项系数；
步骤3.3，调节kp和ki，使转子位置误差信号fΔθ收敛到0，PI调节器的输出为电机转速估计值；
步骤3.4，将电机转速估计值作为积分器的输入，积分器表示为：
Figure BDA0001957179400000054
步骤3.5，积分器的输出即为转子位置初次估计值
Figure BDA0001957179400000055
步骤4，利用磁路饱和效应对转子N、S磁极极性进行辨识方法包含以下步骤：
步骤4.1，向转子位置初次辨识值
Figure BDA0001957179400000056
方向注入直流偏置信号和高频脉振信号的混合信号；
步骤4.2，由高频响应电流幅值计算电感值
Figure BDA0001957179400000057
计算表达式如下：
Figure BDA0001957179400000058
步骤4.3，向转子位置初次辨识值
Figure BDA0001957179400000059
方向的反方向注入直流偏置信号和高频脉振信号的混合信号；
步骤4.4，由高频响应电流幅值计算电感值
Figure BDA00019571794000000510
计算表达式与步骤4.2中相同；
步骤4.5，通过两次计算的电感值判断磁极极性，如果
Figure BDA00019571794000000511
则不需极性补偿，如果
Figure BDA00019571794000000512
则需要对磁极极性进行π角度补偿。
图2为本发明的信号处理流程图，步骤2、步骤3和步骤4中的具体流程可见图2。从图2可知：将采样得到的三相定子绕组电流ia，ib，ic经过坐标变换，变换到估计坐标系
Figure BDA00019571794000000513
中，得到估计直轴电流
Figure BDA00019571794000000514
和估计交轴电流
Figure BDA00019571794000000515
其中估计直轴
Figure BDA00019571794000000516
与直轴a的角度差为
Figure BDA00019571794000000517
为本申请的步骤2所述。将估计坐标系电流
Figure BDA00019571794000000518
和
Figure BDA00019571794000000519
在除法器中进行运算，得到转子位置误差信号fΔθ，将误差信号通入锁相环得到转子位置初次估计值
Figure BDA00019571794000000520
此过程为为本申请的步骤3所述。利用注入直流偏置信号和高频脉振信号的混合信号所获取的估计直轴电流
Figure BDA00019571794000000521
计算电感，通过比较两次电感值
Figure BDA00019571794000000522
和
Figure BDA00019571794000000523
大小，对转子N极和S极磁极极性进行辨识，对转子位置初次估计值
Figure BDA00019571794000000524
进行磁极补偿，获得电机转子的初始位置辨识值
Figure BDA0001957179400000061
为本申请的步骤4所述。
图3为本发明的电路原理图：在永磁同步电机估计直轴
Figure BDA0001957179400000062
和估计交轴
Figure BDA0001957179400000063
注入高频脉振电压信号，经过坐标变换，将注入信号转换到静止坐标系αβ得到调制信号uα和uβ，调制信号经过SVPWM调制产生开关信号驱动逆变器VSI，对直流电源进行逆变得到控制电机的交流电压。采样得到的三相电流ia，ib和ic经过坐标变换得到估计直轴中的电流
Figure BDA0001957179400000064
和估计交轴电流
Figure BDA0001957179400000065
估计坐标系电流经过无滤波器算法处理，得到转子位置初次估计值
Figure BDA0001957179400000066
利用估计直轴电流幅值和注入的高频脉振信号的幅值和频率求取直轴电感，比较电感大小辨识磁极极性，对转子位置初次估计值
Figure BDA0001957179400000067
进行补偿，得到最终的辨识结果
Figure BDA0001957179400000068
图4表示各个坐标系的关系。其中三相静止坐标系为A、B、C轴，其中以A轴作为零度起始位置。αβ轴为两相静止坐标系，其中α轴与A轴重合，β轴超前α轴90°。d轴为转子永磁体轴线所在位置，即转子实际位置，q轴超前d轴90°。
Figure BDA0001957179400000069
轴为两相估计旋转坐标系，
Figure BDA00019571794000000610
轴与A轴的夹角
Figure BDA00019571794000000611
为估计转子位置，
Figure BDA00019571794000000612
轴超前
Figure BDA00019571794000000613
轴90°。
图5为转子实际位置为149.76°时实验结果图形，实验时向估计直轴
Figure BDA00019571794000000614
轴所在的0°电角度方向注入幅值为60V，频率为400Hz的高频脉振信号，估计交轴注入信号为0，将采样得到的三相定子绕组电流ia，ib，ic变换到估计坐标系
Figure BDA00019571794000000615
中，得到估计直轴电流
Figure BDA00019571794000000616
和估计交轴电流
Figure BDA00019571794000000617
利用估计直轴的电流信号
Figure BDA00019571794000000618
去除估计交轴电流信号
Figure BDA00019571794000000619
得到转子位置误差信号fΔθ，将误差信号fΔθ作为PI调节器的输入，经过PI调节器的作用，得到电机转速估计值，对其进行积分，转子位置初次估计值
Figure BDA00019571794000000620
为329.4°；进入磁极极性辨识阶段，向转子位置初次估计值
Figure BDA00019571794000000621
方向注入幅值为20A的直流偏置信号和幅值为30V，频率为400Hz的高频脉振信号的混合信号，通过电感计算公式，求得稳定时电感值
Figure BDA00019571794000000622
为3.41mH，向转子位置初次估计值
Figure BDA00019571794000000623
的反方向注入相同幅值、频率的直流偏置信号和高频脉振信号的混合信号，求得稳定时电感值
Figure BDA00019571794000000624
为3.15mH，因为
Figure BDA00019571794000000625
所以要对转子位置初次估计值
Figure BDA00019571794000000626
补偿π角度，得到转子初始位置辨识值
Figure BDA00019571794000000627
即辨识结果为149.4°。
图6为转子实际位置为329.04°时实验结果图形，实验时向估计直轴
Figure BDA00019571794000000628
轴所在的0°电角度方向注入幅值为60V，频率为400Hz的高频脉振信号，估计交轴注入信号为0，将采样得到的三相定子绕组电流ia，ib，ic变换到估计坐标系
Figure BDA00019571794000000629
中，得到估计直轴电流
Figure BDA00019571794000000630
和估计交轴电流
Figure BDA00019571794000000631
利用估计直轴的电流信号
Figure BDA00019571794000000632
去除估计交轴电流信号
Figure BDA00019571794000000633
得到转子位置误差信号fΔθ，将误差信号fΔθ作为PI调节器的输入，经过PI调节器的作用，得到电机转速估计值，对其进行积分，转子位置初次估计值
Figure BDA0001957179400000071
为331.2°；进入磁极极性辨识阶段，向转子位置初次估计值
Figure BDA0001957179400000072
方向注入幅值为20A的直流偏置信号和幅值为30V，频率为400Hz的高频脉振信号的混合信号，通过电感计算公式，求得稳定时电感值
Figure BDA0001957179400000073
为3.04mH，向转子位置初次估计值
Figure BDA0001957179400000074
的反方向注入相同幅值、频率的直流偏置信号和高频脉振信号的混合信号，求得稳定时电感值
Figure BDA0001957179400000075
为3.23mH，因为
Figure BDA0001957179400000076
所以不需要对转子位置初次估计值
Figure BDA0001957179400000077
进行角度补偿，即辨识结果为331.2°，误差为2.16°。
图7为本发明方法的磁极极性辨识实验图形，其中t1～t2时间段为转子位置初次估计阶段，注入高频信号为幅值为60V，频率为400Hz；t2～t4时间段为磁极极性辨识阶段，其中在t2～t3时间段内向转子位置初次估计值
Figure BDA0001957179400000078
方向注入幅值为20A的直流偏置信号I1和幅值为30V，频率为400Hz的高频脉振信号的混合信号，在信号稳定后计算对应电感值
Figure BDA0001957179400000079
t3～t4时间段内向转子位置初次估计值
Figure BDA00019571794000000710
的反方向注入幅值为20A的直流偏置信号I2和幅值为30V，频率为400Hz的高频脉振信号的混合信号，在信号稳定后计算对应电感值
Figure BDA00019571794000000711
通过比较两次计算的电感值判断磁极极性。
本发明能够避免滤波环节，有效地提高了系统动态特性，缩短辨识时间；算法简单，避免高阶滤波器过多占用系统资源；去除高频脉振信号幅值和频率对辨识结果的影响，辨识精度高。当转子实际位置为149.76°时，辨识位置为149.4°，误差为0.36°；当转子实际位置为329.04°时，辨识结果为331.2°，误差为2.16°。将实验验证，本发明无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法误差小，辨识精度高，能够有效满足电机启动要求。
以上所述是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，向电机定子绕组中注入高频脉振信号，采样得到三相绕组电流ia，ib，ic，对三相绕组电流进行坐标变换和信号处理，得到转子位置初次辨识结果
Figure FDA0002506270280000011
对磁极极性进行辨识，利用辨识结果进行极性补偿，得到电机转子的初始位置
Figure FDA0002506270280000012
具体包括以下步骤：
步骤1，永磁同步电机在估计坐标系
Figure FDA0002506270280000013
中的估计直轴
Figure FDA0002506270280000014
和估计交轴
Figure FDA0002506270280000015
注入高频脉振电压信号，如下式所示：
Figure FDA0002506270280000016
其中Vh为高频脉振信号电压幅值，ωh为信号频率，t为注入高频信号时间；
步骤2，将采样得到的三相定子绕组电流ia，ib，ic变换到估计坐标系
Figure FDA0002506270280000017
中，得到估计直轴电流
Figure FDA0002506270280000018
和估计交轴电流
Figure FDA0002506270280000019
其中估计直轴
Figure FDA00025062702800000110
与直轴a的角度差为
Figure FDA00025062702800000111
获取估计坐标系响应电流
Figure FDA00025062702800000112
和
Figure FDA00025062702800000113
包括以下步骤：
步骤2.1，将三相定子绕组电流ia，ib，ic变换到估计坐标系
Figure FDA00025062702800000114
变换表达式如下：
Figure FDA00025062702800000115
步骤3，将估计坐标系电流
Figure FDA00025062702800000116
和
Figure FDA00025062702800000117
进行运算，通过锁相环得到转子位置初次估计值
Figure FDA00025062702800000118
所述转子位置初次估计值
Figure FDA00025062702800000119
获取方法分为以下步骤：
步骤3.1，根据估计直轴电流
Figure FDA00025062702800000120
和估计交轴电流
Figure FDA00025062702800000121
对估计坐标系电流进行处理，利用估计直轴的电流信号
Figure FDA00025062702800000122
去除估计交轴电流信号
Figure FDA00025062702800000123
得到转子位置误差信号fΔθ，具体方法如下：
Figure FDA00025062702800000124
其中k为转子位置误差信号的幅值，Δθ为转子实际位置θ与转子位置初次辨识值
Figure FDA00025062702800000125
之差，即
Figure FDA00025062702800000126
步骤3.2，将转子位置误差信号fΔθ作为PI调节器的输入，PI调节器表示如下：
Figure FDA00025062702800000127
其中，s为拉普拉斯算子，kp为比例项系数，ki为积分项系数；
步骤3.3，调节kp和ki，使转子位置误差信号fΔθ收敛到0，PI调节器的输出为电机转速估计值；
步骤3.4，将电机转速估计值作为积分器的输入，积分器表示为：
Figure FDA0002506270280000021
步骤3.5，积分器的输出即为转子位置初次估计值
Figure FDA0002506270280000022
步骤4，利用磁路饱和效应对转子N极和S极磁极极性进行辨识，对转子位置初次估计值进行磁极补偿，获得电机转子的初始位置辨识值
Figure FDA0002506270280000023
所述的利用磁路饱和效应对转子N极和S极磁极极性进行辨识方法包括以下步骤：
步骤4.1，向转子位置初次辨识值
Figure FDA0002506270280000024
方向注入直流偏置信号和高频脉振信号的混合信号；
步骤4.2，由高频响应电流幅值计算电感值
Figure FDA0002506270280000025
计算表达式如下：
Figure FDA0002506270280000026
步骤4.3，向转子位置初次辨识值
Figure FDA0002506270280000027
方向的反方向注入直流偏置信号和高频脉振信号的混合信号；
步骤4.4，由高频响应电流幅值计算电感值
Figure FDA0002506270280000028
表达式与步骤4.2中相同；
步骤4.5，通过两次计算的电感值判断磁极极性，如果
Figure FDA0002506270280000029
则不需极性补偿，如果
Figure FDA00025062702800000210
则需要对磁极极性进行π角度补偿。
2.根据权利要求1所述的无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，所述步骤1中注入的所述高频脉振电压信号时的估计直轴
Figure FDA00025062702800000211
的位置是随机的，并设定估计直轴
Figure FDA00025062702800000212
初始位置为0°。
3.根据权利要求2所述的无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，所述步骤1中注入的高频脉振信号的幅值为60V，频率为400Hz。
4.根据权利要求1所述的无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，所述步骤2.1中坐标变换利用的角度为转子位置初次估计值
Figure FDA00025062702800000213
并且在初次计算时，其值为0°。
5.根据权利要求1所述的无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，所述步骤4.1和4.3中，注入的直流偏置信号通过设定d轴电流给定值id实现，其值为20A。
6.根据权利要求5所述的无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，所述步骤4.1和4.3中，注入的高频脉振信号的幅值为30V，频率为400Hz。
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