CN110460270B - 一种考虑交叉饱和电感的无位置传感器控制方法 - Google Patents

一种考虑交叉饱和电感的无位置传感器控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑交叉饱和电感的高频方波电压注入方法，首先在有位置传感器控制的不同负载情况下，分别在d轴与q轴中注入高频方波电压，通过高频响应电流提取到交叉饱和电感分量，实现对交叉饱和电感的测量；然后在无位置传感器控制中对由交叉饱和电感导致的转子位置估计偏差进行补偿。本发明通过有位置控制时对不同负载情况下交叉饱和电感进行测量，其中，通过交叉饱和相位角对交叉饱和电感进行间接测量；在无位置控制中对由交叉饱和电感引起的转子位置估计偏差进行补偿，可提高转子位置估计精度，从而提高无位置传感器控制系统的性能，并且本发明提出的方法对不同形式的电机具有通用性。

Description

一种考虑交叉饱和电感的无位置传感器控制方法
技术领域
本发明属于电机驱动及控制领域，尤其涉及一种基于高频方波电压信号注入的永磁同步电机无位置传感器控制系统。
背景技术
永磁同步电机相对感应电机具有高效率、高功率密度、高功率因数等优点，因此基于永磁同步电机的变频调速系统已经在对效率、功率密度和动态品质等方面要求较高的领域取得了显著成效，但其实现严重依赖于准确的转子位置信息获取。目前的常用做法是在电机轴端安装机械式位置传感器，如增量或绝对式数字编码器、旋转变压器等。然而，机械传感器的安装额外增加了空间与系统成本，特别是在一些要求全封闭的应用场合，不能安装位置传感器。此外，当传感器出现故障或者受到外围电磁干扰时，将严重影响输出转子位置的精度，进而影响控制系统性能。因此，采用无位置传感器控制算法是一种能够有效提高可靠性的解决方案。
根据不同的电机转速，有不同的无位置传感器控制实现方法。在中高速区，通常根据电机数学模型中与转子位置有关的物理量，如反电势等进行转子位置和速度估算。但当电机运行于零速或极低速时，有用信号的信噪比很低，难以提取。在低速或者零速下辨识初始位置时，利用电机的凸极效应，通过注入高频信号可获取转子位置信息，因而基于高频信号注入的无位置控制方法被广泛研究和使用。相对于高频电流注入法，高频电压注入因其成本低、不需要额外的硬件而得到了更加广泛的应用。根据不同的注入电压形式，高频电压注入可以主要分为三大类：旋转正弦电压注入法、脉振正弦电压注入法和脉振方波电压注入法。
旋转正弦电压注入是在静止坐标系进行正弦电压信号注入，不可避免地会产生转矩脉动。脉振正弦电压注入是在旋转坐标系根据估计的
Figure GDA0002802970990000011
轴进行正弦电压信号注入，产生的转矩脉动较小，且该方法对电机的凸极率要求较低，表贴式和内嵌式结构均可适用。尽管旋转电压注入和脉振正弦电压注入都可在零速或低速下取得较好的无位置控制效果，但其带宽较低，难以满足高动态响应的应用场合。相反，基于高频方波电压注入的无位置控制因其注入的电压频率更高，动态性能更好。然而，交叉饱和电感的存在会导致基于高频电压注入的转子位置估计存在角度偏差，且交叉饱和电感会随着电机的负载不同而变化。
发明内容
本发明的目的是提出一种考虑交叉饱和电感的高频方波电压注入无位置传感器控制方法，本方法能够明显减少因交叉饱和电感的存在所引起的电机转子位置估计偏差，提高位置估计精度，对于改善无位置控制系统的稳定性和可靠性具有重要意义。
本发明采用的技术方案：一种考虑交叉饱和电感的高频方波电压注入无位置传感器控制方法，包括以下步骤：
步骤一、不同的负载情况下，分别在d轴与q轴中注入高频方波电压，将响应电流进行采样并变换到静止坐标系，进而通过滤波器提取静止坐标系下的高频电流分量，根据相应注入电压的符号提取高频电流分量的包络线，并对包络线求和，得到含有直流分量的正余弦信号；
其中所述根据注入电压符号提取高频电流分量包络线的原则为：对每一时刻αβ轴高频电流都乘以对应采样时刻高频电压的符号或者对应采样时刻高频电压符号的相反数；
步骤二、将所述步骤一得到的正余弦信号通过一个高通滤波器滤除直流分量，将滤波后的正余弦信号通过一个锁相环提取相位信息，该相位信息中包含由于交叉饱和电感存在所导致的相位分量，定义其相位分量为交叉饱和电感相位角φ1与φ2；
步骤三、对编码器所输出的位置信号取正余弦函数，将上述步骤二中相同参数的高通滤波器和锁相环施加到所取的正余弦函数，进而提取到参考相位信息；
步骤四、将所述步骤二与步骤三中所得相位做差，若在d轴注入高频方波电压，则所得为相位角φ1；若在q轴注入高频方波电压，则所得为相位角φ2。由此可得与dq轴电流相对应的由交叉饱和电感相位角所导致的一组交叉饱和电感相位角。将上述过程在不同负载情况下重复实施，可得到不同负载下由于交叉饱和电感相位角φ1与φ2所致的位置估计偏差θm/2；
步骤五、将上述步骤四所得不同负载情况下由交叉饱和电感相位角所致的转子位置估计偏差，在无位置控制算法中进行补偿，以抵消由于交叉饱和电感带来的位置偏差；
其中所述无位置控制算法中转子位置估计偏差补偿方法为：对观测器中含有转子位置信息的状态变量
Figure GDA0002802970990000021
与
Figure GDA0002802970990000022
进行补偿，根据一组交叉饱和电感相位角φ1与φ2所致的交叉饱和位置偏差θm/2，通过三角函数运算得到的补偿结果
Figure GDA0002802970990000023
与
Figure GDA0002802970990000031
提取补偿后的含有转子位置信息的状态变量
Figure GDA0002802970990000032
与
Figure GDA0002802970990000033
的相位，作为电机控制的转子位置信息。
本发明通过相位提取的方法对交叉饱和电感进行测量，并在无位置传感器控制中，对含有位置信号的正余弦信号进行补偿。
有益效果：本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1.相比高频正弦电压注入产生的高频响应电流，高频方波电压注入产生的高频响应电流有对固定延时不敏感的特点；相比利用幅值测量交叉饱和电感的方法，通过相位测量交叉饱和电感有对噪声不敏感的特点，且在同一控制器中，高频方波电压注入的频率更高；
2.在无位置传感器控制中，通过对观测器中含有转子位置信息的正余弦信号通过积化和差的方式进行补偿而不是对外差法或极差法产生的位置误差进行直接补偿，对变幅值的高频电压信号注入同样适用。
附图说明
图1为三相永磁同步电机坐标轴系关系图：三相永磁同步电机的坐标系包括三相静止坐标系(abc轴系，包括a轴、b轴和c轴，空间上互差120°，图1只画出了a轴和b轴)、两相静止坐标系(αβ轴系，包括α轴和β轴，α轴与a轴重合，且β轴超前α轴90°)、同步坐标系(dq轴系，包括d轴和q轴，d轴与电机转子N极方向重合，并随着转子以电角度ωe逆时针旋转，其位置为θe，q轴超前d轴90°)和估计转子坐标系(
Figure GDA0002802970990000034
轴系，包括
Figure GDA0002802970990000035
轴和
Figure GDA0002802970990000036
轴，
Figure GDA0002802970990000037
轴以估计的转子电角度
Figure GDA0002802970990000038
逆时针旋转，其位置为
Figure GDA0002802970990000039
Figure GDA00028029709900000310
轴超前
Figure GDA00028029709900000311
轴90°)，
Figure GDA00028029709900000312
坐标系是根据无位置算法得到的，其应该紧密跟随同步坐标系，估计的d轴一般指图中的
Figure GDA00028029709900000313
轴。
图2为一种考虑交叉饱和电感的高频方波电压注入无位置传感器控制方法；
图3为在实际的d轴注入高频方波电压测量交叉饱和相位角φ1；
图4为在实际的q轴注入高频方波电压测量交叉饱和相位角φ2；
图5为考虑交叉饱和电感补偿的高频方波电压注入无位置控制方法；
图6为一种位置观测器中交叉饱和电感导致的角度偏差补偿方法。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作更进一步的说明。
本发明的基本思想包括两个部分，首先是在有位置控制时对不同负载情况下交叉饱和电感进行测量，其中，通过交叉饱和相位角对交叉饱和电感进行间接测量，其次在基于方波电压注入的无位置控制中对由交叉饱和电感引起的转子位置估计偏差进行补偿，提高无位置传感器控制的精度和稳定性。
一、基本原理说明
1.低速高频信号注入时，通常忽略反电势和电阻压降，在dq轴坐标方程为
Figure GDA0002802970990000041
式(1)中Ldh与Lqh分别为dq轴电感，Ldqh,Lqdh为dq轴互感，通常认为Ldqh与Lqdh相等，p为微分算子，udh,uqh,idh,iqh分别代表dq轴高频电压和电流。根据图1将式(1)变换到
Figure GDA0002802970990000042
轴参考坐标系：
Figure GDA0002802970990000043
式(2)中平均电感∑L＝(Ldh+Lqh)/2，半差电感ΔL＝(Lqh-Ldh)/2，交叉饱和电感相位角θm＝arctan(Ldqh/ΔL)，位置估计误差
Figure GDA0002802970990000044
通常在参考的
Figure GDA0002802970990000045
轴注入高频电压，而参考
Figure GDA0002802970990000046
轴注入的电压为零。当
Figure GDA0002802970990000047
趋近于零时无位置控制观测器的输入为：
Figure GDA0002802970990000048
式(3)中忽略了由交叉饱和相位角φ1与φ2引起的相位角θm，使得位置控制观测器中转子位置输出存在θm/2的角度偏差，且θm/2与电机的负载情况有关。
二、实施例一
1.相位角φ1的测量
附图3为交叉饱和电感相位角φ1的测量，相位角φ1正切值满足tanφ1＝Ldqh/Lqh，具体测量步骤为，电机在有位置传感器条件下被控制为匀速时，不同负载情况下，向电机d轴注入高频方波电压，将电流进行采样并变换到静止坐标系，进而通过滤波器提取静止坐标系下的高频电流分量，根据相应注入电压的符号提取高频电流分量的包络线，并对包络线求和，得到含有直流分量的正余弦信号i′αh和i′βh。将i′αh和i′βh通过一个高通滤波器滤除直流分量，并将滤波后的信号通过一个锁相环提取相位信息。对编码器输出位置信息取正余弦函数，并通过与i′αh和i′βh相同参数的高频滤波器和锁相环，进而提取到参考相位信息。将提取的相位信息与参考的相位信息做差得到交叉饱和相位角φ；
2.相位角φ2的测量
附图4为交叉饱和电感相位角φ2的测量，相位角φ2正切值满足tanφ2＝Ldqh/Ldh，具体测量步骤为，电机在有位置传感器条件下被控制为匀速时，不同负载情况下，向电机q轴注入高频方波电压，将电流进行采样并变换到静止坐标系，进而通过滤波器提取静止坐标系下的高频电流分量，根据相应注入电压的符号提取高频电流分量的包络线，并对包络线求和，得到含有直流分量的正余弦信号i′αh和i′βh。将i′αh和i′βh通过一个高通滤波器滤除直流分量，并将滤波后的信号通过一个锁相环提取相位信息。对编码器输出位置信息取正余弦函数，并通过与i′αh和i′βh相同参数的高频滤波器和锁相环，进而提取到参考相位信息。将提取的相位信息与参考的相位信息做差得到交叉饱和相位角φ2；
3.无位置控制算法与转子位置估计补偿
附图5为基于方波电压注入的无位置传感器控制框图，与传统基于参考
Figure GDA0002802970990000051
轴的高频方波电压注入相比，位置观测中加入了根据当前
Figure GDA0002802970990000053
轴和
Figure GDA0002802970990000052
轴电流反馈，可以根据查表法或拟合法得到不同负载情况下的交叉饱和电感导致的转子位置估计偏差角度。附图6为具体的交叉饱和电感导致的转子位置估计偏差补偿原理，通过对观测器中含有转子位置信息的状态变量进行补偿，即使高频电压注入的幅值发生变化，也不需要额外调整补偿方案，提高了从而提高了无位置控制的精度和稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种考虑交叉饱和电感的高频方波电压注入无位置传感器控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、不同的负载情况下，分别在d轴与q轴中注入高频方波电压，将响应电流进行采样并变换到静止坐标系，进而通过滤波器提取静止坐标系下的高频电流分量，根据相应注入电压的符号提取高频电流分量的包络线，并对包络线求和，得到含有直流分量的正余弦信号；
其中所述根据相应注入电压符号提取高频电流分量包络线的原则为：对每一时刻αβ轴高频电流分量都乘以对应采样时刻注入高频方波电压的符号或者对应采样时刻注入高频方波电压符号的相反数；
步骤二、将所述步骤一得到的正余弦信号通过一个高通滤波器滤除直流分量，将滤波后的正余弦信号通过一个锁相环提取相位信息；
步骤三、对编码器所输出的位置信号取正余弦函数，将上述步骤二中相同参数的高通滤波器和锁相环施加到所取的正余弦函数，进而提取到参考相位信息；
步骤四、将所述步骤二与步骤三中所得相位做差，若在d轴注入高频方波电压，则所得为相位角φ1；若在q轴注入高频方波电压，则所得为相位角φ2；由此得到与dq电流相对应的由交叉饱和电感相位角所导致的一组交叉饱和电感相位角；将上述过程在不同负载情况下重复实施，得到不同负载下由于交叉饱和电感相位角φ1与φ2所致的位置估计偏差θm/2；
步骤五、将上述步骤四所得不同负载情况下由交叉饱和电感相位角所致的转子位置估计偏差，在无位置控制算法中进行补偿，以抵消由于交叉饱和电感带来的位置偏差。
2.根据权利要求1所述的一种考虑交叉饱和电感的高频方波电压注入无位置传感器控制方法，其特征在于：所述步骤五中无位置控制算法中转子位置估计偏差补偿方法为：对观测器中含有转子位置信息的状态变量
Figure FDA0002802970980000011
与
Figure FDA0002802970980000012
进行补偿，根据一组交叉饱和电感相位角φ1与φ2所致的交叉饱和位置偏差θm/2，通过三角函数运算得到的补偿结果
Figure FDA0002802970980000013
与
Figure FDA0002802970980000014
提取补偿后的含有转子位置信息的状态变量
Figure FDA0002802970980000015
与
Figure FDA0002802970980000016
的相位，作为电机控制的转子位置信息。
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