CN110176881B - 基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，属于永磁电机无位置传感器控制领域。本发明针对现有电机运行的低速和零速区间，采用注入高频电压信号的方法来获取转子位置，会产生电磁干扰，并产生较大噪声的问题。它以随机的方式获得向电机注入的高频电压方波序列，该序列中对电压信号的相位与频率进行随机选择后进行组合获得；将所述序列注入到电机内部并提取响应电流后，通过高频随机解调信号对响应电流进行信号处理与提取，得到包含位置信息的高频随机响应电流包络信号，最终对包络信号进行处理即可得到位置与转速信息。本发明方法获得的高频响应电流的频谱分布范围较宽，实现了对噪声的抑制。

Description

基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法

技术领域

本发明涉及基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，属于永磁电机无位置传感器控制领域。

背景技术

精确的转子位置信息以及转速信息是实现永磁同步电机高性能矢量控制的关键。在传统的永磁电机矢量控制系统中，通常利用编码器等机械位置传感器测量转子位置和转速信息进行反馈和计算。然而位置传感器的存在不但使系统成本增加，使系统组成结构变得更加繁杂，还使系统运行的可靠性大大的削减。同时，一些高精度位置传感器设备的使用易受大气气温、水分含量等环境因素的影响，这严重制约了驱动装置在某些极端场合的应用。因此，通过控制算法实现转子位置信息提取的无传感器技术成为电机驱动领域的研究重心，并具有广泛的工业应用前景。

目前，无传感器控制技术在电机运行的高速区间发展的比较成熟，其获取的转子位置信息准确性能够满足一般实际应用场合的需求。而在电机运行的低速和零速区间，基于辅助信号注入来估计转子位置成为主流方案。现有的基于辅助信号注入的方法是向电机内部注入高频电压信号，这种方式在电机转子上存在的高频电流分量会产生较大的噪声；同时由于注入电压信号的频率较高，对周围电子设施会产生电磁干扰，在某些情况下甚至会导致设备发生严重故障，无法正常工作。因此高频噪声成了限制无传感器技术在变频器中应用的重要原因之一。

针对以上不足，为了扩展基于辅助信号注入的无位置传感器控制技术的应用领域，需要对现有的高频电压信号注入法进行改进，以在保证转子位置精度的前提下最大限度的抑制噪声，并具有良好的动态性能。

发明内容

针对现有电机运行的低速和零速区间，采用注入高频电压信号的方法来获取转子位置，会产生电磁干扰，并产生较大噪声的问题，本发明提供一种基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法。

本发明的一种基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，它包括以下步骤：

步骤一：选择高频电压方波信号的相位和频率并进行随机组合，形成混合随机高频电压方波的注入序列；

步骤二：在永磁电机运行的低速区间将所述注入序列注入电机内部，并提取高频响应电流；

步骤三：利用高频随机解调信号从所述高频响应电流中提取包含转子位置信息的高频响应电流包络线；所述高频随机解调信号基于所述注入序列的特征对应生成；

步骤四：利用观测器由高频响应电流包络线中提取转子位置信号；再对转子位置信号求取微分得到转速信号；将所述转子位置信号与转速信号作为反馈信号，进行永磁电机无位置传感器的闭环控制。

根据本发明的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，所述混合随机高频电压方波的注入序列通过随机信号发生器的随机选择生成。

根据本发明的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，步骤一中，所述注入序列的相位包括0°，90°，180°和270°。

根据本发明的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，步骤一中，所述注入序列的频率范围为ω_i至2ω_i，其中ω_i为注入序列向电机内部的注入频率。

根据本发明的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，所述注入序列在dq坐标系内表示为：

式中u_{d_h}为注入序列d轴电压分量，u_{q_h}为注入序列q轴电压分量，U_i为注入序列的幅值，u_inj为进行随机选择后的单位注入电压序列，t为时间，T_R为随机的注入周期，

为随机的注入相位，u为注入序列中的电压样本，k为注入序列中单位电压的编号；

电压样本

表示为：

式中φ_sqr(t,T_i,0°),φ_sqr(t,T_i,90°),φ_sqr(t,T_i,180°),φ_sqr(t,T_i,270°)分别表示对应于0°，90°，180°和270°相位的单位方波信号，T_i为电压样本的周期。

根据本发明的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，单位方波信号φ_sqr(t,T_i,0°),φ_sqr(t,T_i,90°),φ_sqr(t,T_i,180°),φ_sqr(t,T_i,270°)的表达式分别为：

φ_sqr(t,T_i,180°)＝-φ_sqr(t,T_i,0°)，

φ_sqr(t,T_i,270°)＝-φ_sqr(t,T_i,90°)，

式中t_r(t,T_i)表示t对T_i做整除运算后的余数。

根据本发明的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，所述高频响应电流在静止坐标系内表示为：

i_{α_h}为高频响应电流的α轴分量，i_{β_h}为高频响应电流的β轴分量，i_inj为单位随机高频响应电流，L_d为永磁电机的直轴电感，L_q为永磁电机的交轴电感，θ_e为电机转子位置，

为电机转子位置误差；

表达式为：

式中i为响应电流样本；

表示为：

式中φ_tri(t,T_i,0°),φ_tri(t,T_i,90°),φ_tri(t,T_i,180°),φ_tri(t,T_i,270°)分别为对应于0°，90°，180°和270°相位的单位三角波信号。

根据本发明的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，单位三角波信号φ_tri(t,T_i,0°),φ_tri(t,T_i,90°),φ_tri(t,T_i,180°),φ_tri(t,T_i,270°)的表达式分别为：

φ_tri(t,T_i,180°)＝-φ_tri(t,T_i,0°)，

φ_tri(t,T_i,270°)＝-φ_tri(t,T_i,90°)，

所述三角波信号均以0点为信号起始点。

根据本发明的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，所述高频随机解调信号φ_dem为：

式中T_s为电流采样周期；

将所述高频随机解调信号与静止坐标系内高频响应电流的变化量相乘，并进行归一化运算，得到包含转子位置信息的高频响应电流包络线，表示为：

式中i_{cos_pu}为静止坐标系内高频响应电流余弦分量包络的标幺值，i_{sin_pu}为静止坐标系内高频响应电流正弦分量包络的标幺值，

为等效位置偏差信号；

根据本发明的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，步骤四中所述提取转子位置信号的具体方法为：

对静止坐标系内高频响应电流正弦分量包络的标幺值和余弦分量包络的标幺值求取反正切函数运算，获得电机转子位置θ_e：

本发明的有益效果：本发明方法以随机的方式获得向电机注入的高频电压方波序列，该序列中对电压信号的相位与频率进行随机选择后进行组合获得；将所述序列注入到电机内部并提取响应电流后，通过高频随机解调信号对响应电流进行信号处理与提取，得到包含位置信息的高频随机响应电流包络信号，最终对包络信号进行处理即可得到位置与转速信息。本发明方法由于向电机注入的高频电压方波序列具有较强的随机性，因此可保证高频响应电流的频谱分布范围较宽，并可同时将噪声频谱中的离散频谱消去，最终得到的噪声频谱为近似白噪声的连续频谱，实现了对高频方波注入的无位置传感器控制的噪声抑制。本发明方法同时具有较好的稳态与动态性能，扩宽了基于高频信号注入的无位置传感器控制技术的应用领域，具有实用价值。

本发明方法随机选择注入信号的频率与相位，可以显著抑制传统方法引起的高频噪声以及电磁干扰问题，保证较好的无位置传感器控制性能，扩展了基于高频注入法的无位置传感器驱动技术在工业领域的应用范围。

附图说明

图1是本发明所述的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法的示例性流程图；

图2是本发明所述的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法的整体控制示意图；

图3是所述随机信号发生器获得混合随机高频电压方波的注入序列的示意图；图中Z^-1表示延时一个控制周期；

图4是对高频响应电流进行处理的过程示意图；

图5是采用本发明方法获得的电机转子位置解调信号波形图；

图6是采用本发明方法获得的电机转子位置观测波形图；

图7是采用本发明方法的阶跃额定负载扰动实验波形图；

图8是在永磁电机无位置传感器控制中，采用750Hz传统高频方波注入时，获得的电流功率谱(噪声频谱)波形图；

图9是在永磁电机无位置传感器控制中，采用1500Hz传统高频方波注入时，获得的电流功率谱(噪声频谱)波形图；

图10是采用本发明方法向电机注入混合随机高频电压方波序列，获得的电流功率谱(噪声频谱)波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1至图3所示，本发明提供了一种基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，它包括以下步骤：

步骤一：选择高频电压方波信号的相位和频率并进行随机组合，形成混合随机高频电压方波的注入序列；

步骤二：在永磁电机运行的低速区间将所述注入序列注入电机内部，并提取高频响应电流；

步骤三：利用高频随机解调信号从所述高频响应电流中提取包含转子位置信息的高频响应电流包络线；所述高频随机解调信号基于所述注入序列的特征对应生成；

步骤四：利用观测器由高频响应电流包络线中提取转子位置信号；再对转子位置信号求取微分得到转速信号；将所述转子位置信号与转速信号作为反馈信号，进行永磁电机无位置传感器的闭环控制。

下面结合图2，对本发明所述永磁电机的整个控制过程进行详细的说明：图2中主要包括随机信号发生器、信号处理和观测器三部分。首先通过参考电流

与反馈电流的低频分量i_{d,q_l}作比较得到电流误差并输入到电流调节器得到电机矢量控制所需的电压，并与随机信号发生器得到的混合随机注入方波电压叠加最终得到注入电机内部的给定电压信号

随后与估计得到的位置信息

共同作用进行坐标变换得到静止坐标系内的给定电压信号

随后将其变为SVPWM电压信号输入到电机内部进行控制。之后，对电机电流进行采样得到三相交流电流i_abc，并对其进行静止坐标系变换得到i_α,β，其中包含混合随机的高频响应电流分量以及用于矢量控制的低频分量。因此在电流反馈通路增加低通滤波器LPF提取电流的低频分量i_{α,β_l}，并与估计位置

结合得到反馈电流的低频分量i_{d,q_l}。为了得到位置信息，需要结合随机信号发生器输出的解调信号φ_dem对测量得到的电流i_α,β进行信号处理，得到包含位置的高频响应电流的包络信号i_cos,sin，再将其输入至观测器得到估计位置

与估计转速

本实施方式中，是对高频电压方波信号的相位和频率进行随机选择来获得永磁电机的辅助信号注入序列，它对现有固定频率及相位的方波信号注入方法进行改进，进而可改善电流频谱，使其在较宽的范围内均匀分布，将传统方法中由于注入信号导致的高频尖锐刺耳的噪声变为白噪声，进而实现噪声抑制。它同时能够保证电机控制中具有较高的位置与转速观测精度，保证系统稳定运行，并具有良好的动态性能。整个随机高频注入序列发生过程包括：首先随机选取注入高频电压方波信号的相位，然后再选择注入信号的频率，最终将所选取信号进行组合，形成混合随机高频电压方波序列，将其作为注入信号实现高频方波注入。

进一步，结合图3所示，所述混合随机高频电压方波的注入序列通过随机信号发生器的随机选择生成。

再进一步，结合图3所示，步骤一中，为了便于实施，所述注入序列的相位可以包括0°，90°，180°和270°。本实施方式中采用相位的电压信号注入电机内部产生的响应电流分布对称，且信号生成与后续处理过程简单易行。

再进一步，结合图3所示，步骤一中，所述注入序列的频率范围为ω_i至2ω_i，其中ω_i为注入序列向电机内部的注入频率。受控制周期限制，本实施方式中所述的频率范围可以保证频率设定范围较宽，噪声中的离散谱可以完全抵消，仅存在连续谱。

下面对获得转子位置的具体信号处理过程进行详细的说明：

再进一步，所述注入序列在dq坐标系内表示为：

式中u_{d_h}为注入序列d轴电压分量，u_{q_h}为注入序列q轴电压分量，U_i为注入序列的幅值，u_inj为进行随机选择后的单位注入电压序列，t为时间，T_R为随机的注入周期，

为随机的注入相位，u为注入序列中的电压样本，k为注入序列中单位电压的编号；

电压样本

表示为：

式中φ_sqr(t,T_i,0°),φ_sqr(t,T_i,90°),φ_sqr(t,T_i,180°),φ_sqr(t,T_i,270°)分别表示对应于0°，90°，180°和270°相位的单位方波信号，T_i为电压样本的周期。

再进一步，单位方波信号φ_sqr(t,T_i,0°),φ_sqr(t,T_i,90°),φ_sqr(t,T_i,180°),φ_sqr(t,T_i,270°)的表达式分别为：

φ_sqr(t,T_i,180°)＝-φ_sqr(t,T_i,0°)，

φ_sqr(t,T_i,270°)＝-φ_sqr(t,T_i,90°)，

式中t_r(t,T_i)表示t对T_i做整除运算后的余数。

当永磁电机运行在低速区间，混合随机高频电压方波的注入序列注入到电机中后，可获得静止坐标系内的随机高频响应电流。

再进一步，所述高频响应电流在静止坐标系内表示为：

i_{α_h}为高频响应电流的α轴分量，i_{β_h}为高频响应电流的β轴分量，i_inj为单位随机高频响应电流，L_d为永磁电机的直轴电感，L_q为永磁电机的交轴电感，θ_e为电机转子位置，

为电机转子位置误差；

表达式为：

式中i为响应电流样本；

表示为：

式中φ_tri(t,T_i,0°),φ_tri(t,T_i,90°),φ_tri(t,T_i,180°),φ_tri(t,T_i,270°)分别为对应于0°，90°，180°和270°相位的单位三角波信号。

再进一步，单位三角波信号φ_tri(t,T_i,0°),φ_tri(t,T_i,90°),φ_tri(t,T_i,180°),φ_tri(t,T_i,270°)的表达式分别为：

φ_tri(t,T_i,180°)＝-φ_tri(t,T_i,0°)，

φ_tri(t,T_i,270°)＝-φ_tri(t,T_i,90°)，

所述三角波信号均以0点为信号起始点。

当混合随机高频电压方波的注入序列注入到永磁电机内部后，获得的高频响应电流将包含位置信息。在随机信号发生器产生注入序列的同时，进行一个控制周期的延时可以得到相应的混合高频随机解调信号。

再进一步，所述高频随机解调信号φ_dem为：

式中T_s为电流采样周期；

将所述高频随机解调信号与静止坐标系内高频响应电流的变化量相乘，并进行归一化运算，得到包含转子位置信息的高频响应电流包络线，表示为：

式中i_{cos_pu}为静止坐标系内高频响应电流余弦分量包络的标幺值，i_{sin_pu}为静止坐标系内高频响应电流正弦分量包络的标幺值，

为等效位置偏差信号；

获得高频响应电流包络线的具体过程如图4所示，在获得高频随机解调信号和采样得到的静止坐标系内响应电流i_α,β以后，对采样得到的响应电流进行连续做差，获得的结果与高频随机解调信号相乘并进行归一化运算，最终获得i_cos和i_sin。

再进一步，步骤四中所述提取转子位置信号的具体方法为：

当电机转子位置误差足够小时，对静止坐标系内高频响应电流正弦分量包络的标幺值和余弦分量包络的标幺值求取反正切函数运算，即可获得电机转子位置θ_e：

最后对所得到的转子位置信号求取微分运算，便得到转子的转速信息，将估计得到的转子位置和转速信息用作反馈信号，即可实现混永磁电机无位置传感器控制。

具体实施例：为了进一步验证本发明的有益效果，下面以一具体实施例进行说明。

本实验在永磁同步电机对拖实验平台上进行验证。两台电机通过联轴器同轴联接，其中一台为永磁电机，作为控制电机。另一台为异步电机，作为加载电机。所使用的永磁同步电机的主要参数为：额定功率2.2kW，额定转矩21N·m，额定转速1000r/min，直轴电感L_d＝49mH，交轴电感L_q＝53mH，电机极对数P＝3，转子磁链ψ_f＝0.56Wb，电机定子电阻R＝2.85Ω。注入信号频率为750Hz/1500Hz。

图5所示为采用本发明的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制技术降噪方法所得到的静止坐标系内随机高频响应电流包络的标幺值。电机运行工况为100r/min额定负载。由实验结果可知所得到的随机高频响应电流包络的标幺值正弦度极高，同时所采用的解调方案可以有效滤除杂波及其他干扰信号，有助于得到准确的位置信息。

图6所示为采用本发明的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制技术降噪方法得到的位置和位置误差信息，此时电机位于额定负载条件下转速为100r/min稳态运行。由实验结果可知，当系统位于无位置传感器控制模式时，位置偏差在5度以内，表明本发明方法具有较好的稳态性能，位置观测准确，系统能够稳定运行。

图7所示为采用本发明的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制技术降噪方法在阶跃额定负载扰动下的位置误差信息，此时电机转速为100r/min，遭受阶跃额定负载扰动。由实验结果可知，当电机遭受额定阶跃负载扰动时，位置偏差在20度以内，表明本发明方法具有较好的动态性能，系统能够抵抗额定阶跃负载扰动稳定运行。

图8至图10为永磁电机无位置传感器控制中，采用传统高频方波信号注入方案与采用本发明方法注入方案分别获得的电流功率谱(噪声频谱)波形图，对其进行对比可知，图8和图9中采用传统高频方波注入法时所得到的噪声谱存在离散分量，并且与注入信号频率有关。而图10所示为采用本发明的注入策略，其离散谱得到完全抑制，并且波形平滑连续，近似白噪声频谱。由此可知，本发明方法实现了无位置传感器控制技术的噪声抑制。

综上所述，本发明方法可有效降低传统高频方波注入法产生的高频噪声和电磁干扰，实现了高频信号注入的永磁电机无位置传感器控制方案的噪声抑制，同时保证具有较好的稳态性能与抗扰能力。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.一种基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，它包括以下步骤：

步骤一：选择高频电压方波信号的相位和频率并进行随机组合，形成混合随机高频电压方波的注入序列；

步骤二：在永磁电机运行的低速区间将所述注入序列注入电机内部，并提取高频响应电流；

步骤三：利用高频随机解调信号从所述高频响应电流中提取包含转子位置信息的高频响应电流包络线；所述高频随机解调信号基于所述注入序列的特征对应生成；

步骤四：利用观测器由高频响应电流包络线中提取转子位置信号；再对转子位置信号求取微分得到转速信号；将所述转子位置信号与转速信号作为反馈信号，进行永磁电机无位置传感器的闭环控制；

所述混合随机高频电压方波的注入序列通过随机信号发生器的随机选择生成；

步骤一中，所述注入序列的相位包括0°，90°，180°和270°；步骤一中，所述注入序列的频率范围为ω_i至2ω_i，其中ω_i为注入序列向电机内部的注入频率；

其特征在于，所述注入序列在dq坐标系内表示为：

式中u_{d_h}为注入序列d轴电压分量，u_{q_h}为注入序列q轴电压分量，U_i为注入序列的幅值，u_inj为进行随机选择后的单位注入电压序列，t为时间，T_R为随机的注入周期，

为随机的注入相位，u为注入序列中的电压样本，k为注入序列中单位电压的编号；

电压样本

表示为：

式中φ_sqr(t,T_i,0°),φ_sqr(t,T_i,90°),φ_sqr(t,T_i,180°),φ_sqr(t,T_i,270°)分别表示对应于0°，90°，180°和270°相位的单位方波信号，T_i为电压样本的周期；

单位方波信号φ_sqr(t,T_i,0°),φ_sqr(t,T_i,90°),φ_sqr(t,T_i,180°),φ_sqr(t,T_i,270°)的表达式分别为：

φ_sqr(t,T_i,180°)＝-φ_sqr(t,T_i,0°)，

φ_sqr(t,T_i,270°)＝-φ_sqr(t,T_i,90°)，

式中t_r(t,T_i)表示t对T_i做整除运算后的余数。

2.根据权利要求1所述的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述高频响应电流在静止坐标系内表示为：

i_{α_h}为高频响应电流的α轴分量，i_{β_h}为高频响应电流的β轴分量，i_inj为单位随机高频响应电流，L_d为永磁电机的直轴电感，L_q为永磁电机的交轴电感，θ_e为电机转子位置，

为电机转子位置误差；

表达式为：

式中i为响应电流样本；

表示为：

式中φ_tri(t,T_i,0°),φ_tri(t,T_i,90°),φ_tri(t,T_i,180°),φ_tri(t,T_i,270°)分别为对应于0°，90°，180°和270°相位的单位三角波信号；

单位三角波信号φ_tri(t,T_i,0°),φ_tri(t,T_i,90°),φ_tri(t,T_i,180°),φ_tri(t,T_i,270°)的表达式分别为：

φ_tri(t,T_i,180°)＝-φ_tri(t,T_i,0°)，

φ_tri(t,T_i,270°)＝-φ_tri(t,T_i,90°)，

所述三角波信号均以0点为信号起始点。

3.根据权利要求2所述的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述高频随机解调信号φ_dem为：

式中T_s为电流采样周期；

将所述高频随机解调信号与静止坐标系内高频响应电流的变化量相乘，并进行归一化运算，得到包含转子位置信息的高频响应电流包络线，表示为：

式中i_{cos_pu}为静止坐标系内高频响应电流余弦分量包络的标幺值，i_{sin_pu}为静止坐标系内高频响应电流正弦分量包络的标幺值，

为等效位置偏差信号；

4.根据权利要求3所述的基于混合随机信号注入的永磁电机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤四中所述提取转子位置信号的具体方法为：

对静止坐标系内高频响应电流正弦分量包络的标幺值和余弦分量包络的标幺值求取反正切函数运算，获得电机转子位置θ_e：

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