CN110190782B - 永磁电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁电机无位置传感器控制方法，属于电机无位置传感器控制技术领域。本发明针对现有电机无位置传感器控制中采用的高频信号注入法对转子位置的估计精度不高，并存在高频噪声的问题。它随机选取低频正交随机脉冲信号的轴系、注入位置和注入顺序，然后在选定轴系内生成低频正交随机脉冲信号，将其注入到电机内部并提取脉冲响应电流，对采样得到的脉冲响应电流进行处理即可得到包含位置信息的离散位置解调信号，最终对离散解调信号进行线性拟合处理并运算得到平滑连续的位置与转速信息；最后将位置与转速信息用作闭环控制。本发明不存在位置收敛问题，保证了具有较好的稳态性能。

Description

永磁电机无位置传感器控制方法

技术领域

本发明涉及永磁电机无位置传感器控制方法，属于电机无位置传感器控制技术领域。

背景技术

对于永磁同步电机的控制技术而言，应用最为广泛的是矢量控制技术。在矢量控制中需要转子的位置信息对磁场控制和转矩控制进行解耦。获取永磁同步电机转子位置信息的传统方法是安装位置传感器，然而传感器信号容易受到外界环境的干扰，例如对于外部连接的机械传感器，其易受碰撞冲击发生脱落或损坏，同时其机械组件与电机系统之间的通信线路易受电磁干扰、磨损甚至断线等影响，使得永磁同步电机的环境适应性受到影响。同时对于伺服控制系统而言，高精度位置传感器价格也相当昂贵。因此为了解决这个问题，近年来，无传感器控制成为了电机控制的研究热点，并具有广泛的应用前景。

在无传感器电机系统控制中，已有的高频信号注入法主要在电机的估计旋转轴系注入高频电压。然而，高频电压信号注入在估计的旋转轴系时，获得的高频电流信号中包含转子的位置估计误差，并不能直接得到转子位置，因此需要对所述位置估计误差进行收敛。但是位置估计误差存在多个收敛点，特别是当外界干扰增大导致位置估计误差突变时，易出现估计位置反向收敛的情况。若将高频电压信号注入到电机的静止坐标轴系，虽然不存在上述收敛问题，但需要较多的数字滤波器，会造成位置估计的精度不高。同时，在电机系统中注入高频信号还会引起刺耳的噪声，这限制了该技术在家用电器等对噪音敏感的领域的应用。

因此，为减小高频噪音的污染，拓宽应用领域，需要提供一种基于辅助信号注入的永磁电机无位置传感器控制策略，以解决位置收敛问题，获得较高的位置观测精度，同时具有较低的噪声。

发明内容

针对现有电机无位置传感器控制中采用的高频信号注入法对转子位置的估计精度不高，并存在高频噪声的问题，本发明提供一种永磁电机无位置传感器控制方法。

本发明的一种永磁电机无位置传感器控制方法，它包括以下步骤：

步骤一：随机选择四个低频正交注入脉冲信号的轴系、注入位置和注入顺序，获得低频正交注入脉冲序列；

步骤二：在注入脉冲周期内向电机的所述轴系注入所述低频正交注入脉冲序列，获得四个脉冲响应电流，对四个脉冲响应电流进行处理，得到离散的转子位置信号；所述注入脉冲周期开始时，电机矢量控制反馈回路中断，注入脉冲周期结束时，恢复电机矢量控制反馈回路；

步骤三：利用二次插值对离散的转子位置信号进行拟合，得到平滑连续的转子位置信号；再对平滑连续的转子位置信号进行微分得到转速信号；将平滑连续的转子位置信号和转速信号作为反馈信号对永磁电机进行控制，实现永磁电机的闭环矢量控制。

根据本发明的永磁电机无位置传感器控制方法，在所述步骤一中，所述轴系包括静止坐标系；通过正交随机脉冲信号发生器选取与静止坐标系相重合的四个电压脉冲作为基准信号，在一个控制周期内随机抽取四个相互独立的注入位置，针对所述注入位置分别抽取注入信号的形式，得到注入脉冲序列。

根据本发明的永磁电机无位置传感器控制方法，将所述低频正交注入脉冲序列分解为静止坐标系内的脉冲电压信号序列。

根据本发明的永磁电机无位置传感器控制方法，步骤三中，所述脉冲响应电流的斜率表达式为：

式中Δi_{α_pulk}为静止坐标系内第k个注入脉冲的α轴脉冲响应电流变化量，Δi_{β_pulk}为静止坐标系内第k个注入脉冲的β轴脉冲响应电流变化量，T_s为电机采样周期，L₀为均值电感，L₀＝(L_d+L_q)/2，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，L₁为差值电感，L₁＝(L_d-L_q)/2，u_{α_pulk}为静止坐标系内注入的第k个注入脉冲的α轴脉冲电压，u_{β_pulk}为静止坐标系内注入的第k个注入脉冲的β轴脉冲电压，θ_e为转子位置信号；k＝1，2，3，4。

根据本发明的永磁电机无位置传感器控制方法，将α+、β+、α-、β-方向的脉冲信号代号依次定义为1、2、3、4号脉冲，连续求取脉冲响应电流的斜率得到：

式中Δξ_α为α轴两个脉冲响应的电流变化量，Δξ_β为β轴两个脉冲响应的电流变化量，U_pul为注入脉冲信号的幅值；

求解获得离散的转子位置正交信号：

式中I_cos为位置解调信号的余弦分量，I_sin为位置解调信号的正弦分量。

根据本发明的永磁电机无位置传感器控制方法，对所述离散的转子位置正交信号求取反正切函数，得到阶梯状的离散转子位置信号。

根据本发明的永磁电机无位置传感器控制方法，步骤三中，得到平滑连续的转子位置信号的方法为：

根据永磁电机的转矩方程：

式中J为系统转动惯量，T_e为电磁转矩，T_L为负载转矩；

对所述转矩方程变形得到转子位置信号：

式中t为时间，a₁为电机的转速，2a₂表示电机的加速度，a₀为转子初始位置；

利用二次插值的拟合方法，由连续三个注入脉冲对应的转子位置θ_em，θ_em-1，θ_em-2求解获得a₀、a₁和a₂；根据a₀、a₁和a₂构建转子位置信号方程，求取注入脉冲之间的转子位置信号，实现位置拟合，从而得到平滑连续的转子位置信号曲线；其中m为进行位置拟合时的采样点。

本发明的有益效果：本发明方法首先随机选取低频正交随机脉冲信号的轴系、注入位置和注入顺序，然后在选定轴系内生成低频正交随机脉冲信号，将其注入到电机内部并提取脉冲响应电流，对采样得到的脉冲响应电流进行处理即可得到包含位置信息的离散位置解调信号，最终对离散解调信号进行线性拟合处理并运算得到平滑连续的位置与转速信息。将所得到的位置与转速信息用作闭环控制即可实现基于低频正交随机脉冲信号注入的永磁电机无位置传感器控制。

本发明方法中，由于注入脉冲信号的频率较低，同时注入位置与注入顺序具有较强的随机性，可以保证响应电流的频率分布范围较宽，从而将噪声频谱中的离散频谱消去，得到近似白噪声的噪声频谱，实现了永磁电机无位置传感器控制中对噪声的抑制。本发明方法在显著降低传统高频信号注入电机导致的噪声和电磁干扰基础上，不存在位置收敛问题，保证了具有较好的稳态性能，扩宽了基于脉冲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。本发明方法有利于基于辅助信号注入的无位置传感器驱动技术在家用电器等对噪声敏感的领域的应用推广。

附图说明

图1是本发明所述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是所述正交随机脉冲信号发生器获得低频正交注入脉冲序列的示意图；

图4是所述低频正交注入脉冲的时序图；

图5是采用本发明方法注入低频正交注入脉冲序列，获得的永磁电机转子位置解调信号波形图；其中I_{cos_pu}是归一化之后的位置解调信号的余弦分量，I_{sin_pu}是归一化之后的位置解调信号的正弦分量；

图6是采用本发明方法获得的永磁电机无位置传感器控制下位置观测波形图；

图7是永磁电机无位置传感器控制中，采用正交固定脉冲信号注入的电流功率谱频谱图；

图8是根据本发明控制方法，采用低频正交随机脉冲信号注入后，获得的电流功率谱频谱图。

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4所示，本发明提供了一种永磁电机无位置传感器控制方法，它包括以下步骤：

步骤一：随机选择四个低频正交注入脉冲信号的轴系、注入位置和注入顺序，获得低频正交注入脉冲序列；

步骤二：在注入脉冲周期内向电机的所述轴系注入所述低频正交注入脉冲序列，获得四个脉冲响应电流，对四个脉冲响应电流进行处理，得到离散的转子位置信号；所述注入脉冲周期开始时，电机矢量控制反馈回路中断，注入脉冲周期结束时，恢复电机矢量控制反馈回路；

步骤三：利用二次插值对离散的转子位置信号进行拟合，得到平滑连续的转子位置信号；再对平滑连续的转子位置信号进行微分得到转速信号；将平滑连续的转子位置信号和转速信号作为反馈信号对永磁电机进行控制，实现永磁电机的闭环矢量控制。

本实施方式中，由步骤一获得轴系、注入位置和注入顺序均为随机选择的低频正交注入脉冲序列；在步骤二中，在一个控制周期内选定注入脉冲周期，在注入脉冲周期内向电机注入低频正交注入脉冲序列，通过四个脉冲响应电流来获得相应的转子位置信号。为了避免信号之间的相互干扰，当运行到注入脉冲周期时，打断电机矢量控制反馈回路，注入低频正交注入脉冲，同时对脉冲响应电流进行采样与记录。注入脉冲周期结束后，恢复电机矢量控制反馈回路，系统正常进行矢量控制。在注入脉冲周期内，选择打断电机矢量控制反馈回路，有利于后续对信号的处理。所述低频正交注入脉冲信号通过随机选取获得。

本实施方式中，以较低的注入频率向电机注入低频正交脉冲序列，有利于改善电流频谱分布，使其近似白噪声，从而达到降噪的目的。在此基础上本发明方法同时保证具有较高的位置与转速观测精度，确保系统的稳定运行。

结合图2对本实施方式进一步说明，图2中主要包括正交随机脉冲信号发生器和信号处理与位置拟合环节。当系统运行于矢量控制周期时，反馈回路保持连通，将参考电流信号

与反馈电流信号i_d，i_q作比较后通过电流调节器得到电机控制所需要的电压信号

随后结合观测得到的估计位置信号

进行坐标变换得到静止坐标系内的电机的控制电压信号

将其输入变频器进行调制得到三相SVPWM电压信号对电机进行控制。当电机运行到脉冲信号注入周期时，打断电流反馈回路，将输入电机的控制电压由

切换为注入脉冲信号u_{α_pul}，u_{β_pul}，随后采集对应的脉冲响应电流信号，并对其进行信号处理(包括位置解调信号的提取，处理，以及为了避免参数影响进行归一化)，得到离散的位置信号，最后再对离散的位置信号进行线性拟合最终获得连续的估计位置信号

再对其进行微分得到连续的估计速度信号

本实施方式中，脉冲信号的注入位置不可以重合，必须保证四个脉冲信号独立。

本实施方式所述的控制方法，可以认为存在一个大的完整的控制周期，在此控制周期内部分为注入脉冲周期和矢量控制周期，二者独立。注入脉冲周期是在选择注入脉冲信号位置时确认的，二者是对应关系。在一个完整的控制周期内，选择完注入脉冲周期的位置后，其余位置均用矢量控制周期进行填充。

进一步，在所述步骤一中，所述轴系包括静止坐标系；通过正交随机脉冲信号发生器选取与静止坐标系相重合的四个电压脉冲作为基准信号，在一个控制周期内随机抽取四个相互独立的注入位置，针对所述注入位置分别抽取注入信号的形式，得到注入脉冲序列。

为了便于实施，本实施方式中选取与静止坐标系相重合的四个电压脉冲作为基准信号，正交随机脉冲信号发生的过程如图3所示。

对于选定的基准信号与对应注入位置抽取的注入信号的形式，其间的关系可以理解为先选取了四个注入的位置(即脉冲注入周期的位置)，然后对这四个位置，分别随机抽取四个基准信号中的一个进行注入，但需保证一个大的控制周期内四个基准信号全部注入完毕。针对同样的四个注入位置，共有4*3*2*1种组合方式。在对四个注入位置随机抽取注入基准信号时，便完成了注入脉冲信号的轴系和注入顺序的随机选择。

再进一步，结合图4所示，将所述低频正交注入脉冲序列分解为静止坐标系内的脉冲电压信号序列。

为了保证注入信号的位置独立，在最初选取注入脉冲位置时并没有涉及具体的坐标系，只是在控制周期内随机选取四个不重合的位置，如图3位置选择虚线框。然后对四个位置进行随机的脉冲选择后，才会确定四个注入位置分别对应的脉冲信号所在轴系。之后将注入脉冲序列分解为静止坐标系内，即α轴和β轴内的电压信号，然后对非脉冲信号注入周期进行填充，将其变为矢量控制周期，随后对电机选择相应的电压信号进行控制。图4主要是对注入脉冲信号的随机性给出了示意图进行直观的演示，即注入脉冲位置不同，注入脉冲信号轴系，顺序不同。

当永磁电机运行于低速区间时，静止坐标系内电机模型可以表示为：

式中Δi_α为静止坐标系内α轴电流变化量，Δi_β为静止坐标系内β轴电流变化量，u_α为静止坐标系内的α轴电压，u_β为静止坐标系内的β轴电压。

再进一步，步骤三中，所述脉冲响应电流的斜率表达式为：

式中Δi_{α_pulk}为静止坐标系内第k个注入脉冲的α轴脉冲响应电流变化量，Δi_{β_pulk}为静止坐标系内第k个注入脉冲的β轴脉冲响应电流变化量，T_s为电机采样周期，L₀为均值电感，L₀＝(L_d+L_q)/2，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，L₁为差值电感，L₁＝(L_d-L_q)/2，u_{α_pulk}为静止坐标系内注入的第k个注入脉冲的α轴脉冲电压，u_{β_pulk}为静止坐标系内注入的第k个注入脉冲的β轴脉冲电压，θ_e为转子位置信号；k＝1，2，3，4。上述变量中，pul表示脉冲信号，k表示对应于第k个脉冲的采样点。

所述采样点与选定的四个脉冲存在对应关系，并且做差的两个采样点值应相差2。

作为示例，将α+、β+、α-、β-方向的脉冲信号代号依次定义为1、2、3、4号脉冲，连续求取脉冲响应电流的斜率得到：

式中Δξ_α为α轴两个脉冲响应的电流变化量，Δξ_β为β轴两个脉冲响应的电流变化量，U_pul为注入脉冲信号的幅值；；

求解获得离散的转子位置正交信号：

式中I_cos为位置解调信号的余弦分量，I_sin为位置解调信号的正弦分量。

在得到四个离散的电流增量信号后，经本步骤的运算处理获得转子位置的解调信号。

再进一步，对所述离散的转子位置正交信号求取反正切函数，得到阶梯状的离散转子位置信号。

由于本发明方法中注入的是脉冲信号，因此得到的位置解调信号包含的位置信息也是与脉冲信号采样点对应的阶梯型位置信号，对位置解调信号进行反正切运算才可以得到离散的阶梯型位置信号。

为了实现较好的电机无传感器控制性能，需要对离散的转子位置信号进行线性拟合，以得到平滑连续的位置信息。

再进一步，步骤三中，得到平滑连续的转子位置信号的方法为：

根据永磁电机的转矩方程：

式中J为系统转动惯量，T_e为电磁转矩，T_L为负载转矩；

对所述转矩方程变形得到转子位置信号：

式中t为时间，a₁为电机的转速，2a₂表示电机的加速度，a₀为转子初始位置；

式中a₀、a₁和a₂为待定系数，因此，可以通过二次拟合的方法来近似估计电机的位置信息。

利用二次插值的拟合方法，由连续三个注入脉冲对应的转子位置θ_em，θ_em-1，θ_em-2求解获得a₀、a₁和a₂；根据a₀、a₁和a₂构建转子位置信号方程，求取注入脉冲之间的转子位置信号，实现位置拟合，从而得到平滑连续的转子位置信号曲线；其中m为进行位置拟合时的采样点。

最后，对步骤三中得到的拟合位置求取微分，即可得到转速信息。将所得到的位置与转速信号用作反馈实现闭环控制，最终即可实现基于低频正交随机脉冲信号注入的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：

在永磁同步电机对拖实验平台上进行验证：将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，运行于无位置传感器控制模式。另一台为异步电机，作为加载电机，运行于转矩控制模式。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。

采用本发明方法获得图5所示的位置解调信号波形，为减少电机参数的影响，图5中已进行了归一化处理。使永磁电机运行工况为100r/min额定负载，注入脉冲频率为200Hz。由图5可知，本发明方法获得的位置解调信号的标幺值正弦度较好，同时由于随机正交脉冲信号的注入，信号波形中存在较多的阶梯，直接计算得到的位置信号将是离散的位置信号。

结合图6中采用本发明方法获得的永磁电机无位置传感器控制下位置和位置误差波形，所述波形已进行拟合化处理。使永磁电机位于额定负载条件下转速为100r/min稳态运行，注入脉冲频率为200Hz。由图6的结果可知，当系统位于无位置传感器控制模式时，位置偏差在10度以内，因此可以证明，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和图8为采用正交固定脉冲信号与采用本发明方法分别注入永磁电机无位置传感器控制中时，获得的电流功率谱对比波形。由研究可知噪声频谱与电流功率谱具有相同的频谱分布，因此电流功率谱即可反映实际电机运行时的噪声频谱。二者注入脉冲信号频率均为200Hz。由图7所示可知，采用正交固定脉冲信号注入的噪声谱存在离散分量，并且与注入信号频率有关，同时频率较低，显得尖锐刺耳，难以在家用电器等领域应用推广。由图8所示，采用本发明的低频正交随机脉冲信号注入时，离散谱得到完全抑制，并且在较宽的范围内均匀分布，其波形近似白噪声频谱，同时总谐波失真THD由6.74％降低至3.87％，电流谐波得到抑制。

综上所述，本发明方法相对于传统正交固定脉冲信号注入的无位置传感器控制系统，对噪声的抑制效果显著。

最后，需要说明的是，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)

1.一种永磁电机无位置传感器控制方法，它包括以下步骤：

步骤一：随机选择四个低频正交注入脉冲信号的轴系、注入位置和注入顺序，获得低频正交注入脉冲序列；

步骤二：在注入脉冲周期内向电机的所述轴系注入所述低频正交注入脉冲序列，获得四个脉冲响应电流，对四个脉冲响应电流进行处理，得到离散的转子位置信号；所述注入脉冲周期开始时，电机矢量控制反馈回路中断，注入脉冲周期结束时，恢复电机矢量控制反馈回路；

步骤三：利用二次插值对离散的转子位置信号进行拟合，得到平滑连续的转子位置信号；再对平滑连续的转子位置信号进行微分得到转速信号；将平滑连续的转子位置信号和转速信号作为反馈信号对永磁电机进行控制，实现永磁电机的闭环矢量控制；

在所述步骤一中，所述轴系包括静止坐标系；通过正交随机脉冲信号发生器选取与静止坐标系相重合的四个电压脉冲作为基准信号，在一个控制周期内随机抽取四个相互独立的注入位置，针对所述注入位置分别抽取注入信号的形式，得到注入脉冲序列；

将所述低频正交注入脉冲序列分解为静止坐标系内的脉冲电压信号序列；其特征在于，

步骤二中，所述脉冲响应电流的斜率表达式为：

式中Δi_{α_pulk}为静止坐标系内第k个注入脉冲的α轴脉冲响应电流变化量，Δi_{β_pulk}为静止坐标系内第k个注入脉冲的β轴脉冲响应电流变化量，T_s为电机采样周期，L₀为均值电感，L₀＝(L_d+L_q)/2，L_d为直轴电感，L_q为交轴电感，L₁为差值电感，L₁＝(L_d-L_q)/2，u_{α_pulk}为静止坐标系内注入的第k个注入脉冲的α轴脉冲电压，u_{β_pulk}为静止坐标系内注入的第k个注入脉冲的β轴脉冲电压，θ_e为转子位置信号；k＝1，2，3，4。

2.根据权利要求1所述的永磁电机无位置传感器控制方法，其特征在于，将α+、β+、α-、β-方向的脉冲信号代号依次定义为1、2、3、4号脉冲，连续求取脉冲响应电流的斜率得到：

式中Δξ_α为α轴两个脉冲响应的电流变化量，Δξ_β为β轴两个脉冲响应的电流变化量，U_pul为注入脉冲信号的幅值；

求解获得离散的转子位置正交信号：

式中I_cos为位置解调信号的余弦分量，I_sin为位置解调信号的正弦分量。

3.根据权利要求2所述的永磁电机无位置传感器控制方法，其特征在于，

对所述离散的转子位置正交信号求取反正切函数，得到阶梯状的离散转子位置信号。

4.根据权利要求3所述的永磁电机无位置传感器控制方法，其特征在于，

步骤三中，得到平滑连续的转子位置信号的方法为：

根据永磁电机的转矩方程：

式中J为系统转动惯量，T_e为电磁转矩，T_L为负载转矩；

对所述转矩方程变形得到转子位置信号：

式中t为时间，a₁为电机的转速，2a₂表示电机的加速度，a₀为转子初始位置；

利用二次插值的拟合方法，由连续三个注入脉冲对应的转子位置θ_em，θ_em-1，θ_em-2，求解获得a₀、a₁和a₂；根据a₀、a₁和a₂构建转子位置信号方程，求取注入脉冲之间的转子位置信号，实现位置拟合，从而得到平滑连续的转子位置信号曲线；其中m为进行位置拟合时的采样点。

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