CN110995092A - 一种应用于pmsm无位置传感器控制的磁极判断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于PMSM无位置传感器控制的磁极判断方法，涉及电气传动技术，属于发电、变电或配电的技术领域。该方法利用磁极的磁饱和效应来判断磁极的极性。首先，利用脉振高频电压注入法来获取转子的初始位置信息，此位置信息与实际位置可能相差π电角度。通过测量不同情况下d轴的高频响应电流的幅值来判断磁极的极性，从而视情况补偿电角度，获得正确的转子初始位置信息。与传统的磁极判断方法相比，本发明提出的方法具有快速且稳定可靠的优势。

Description

一种应用于PMSM无位置传感器控制的磁极判断方法
技术领域
本发明公开了一种应用于PMSM无位置传感器控制的磁极判断方法，特别是针对基于脉振高频注入的无位置传感器控制技术中的磁极判断方法，涉及电气传动技术，属于发电、变电或配电的技术领域。
背景技术
永磁同步电机(PMSM，Permanent Magnet Synchronous Motor)具有体积小、结构简单以及功率密度高等优点，广泛应用于工业用控制电机领域。当前，成熟高效的电机控制方法都需要即时获取转子位置信息，但是位置传感器的存在增加了电机控制系统的成本，同时位置传感器的安装使得维护复杂，因此，无位置传感器控制技术得到研究和应用。目前的无位置传感器控制技术主要分为针对零低速的控制和中高速的控制且均有有效的控制方法。针对零低速的控制方法一般是高频注入法，包括旋转高频注入法、脉振高频注入法和方波注入法。其中，脉振高频注入法需要在初始启动阶段获取转子的初始位置信息，这个步骤包括两部分，分别是初始位置预估计和磁极判断。
现有的应用于脉振高频注入法的磁极判断方法主要有短脉冲电压注入法和二次谐波分量分析法。所有的磁极判断方法都需要应用磁极的饱和效应。短脉冲注入法虽然方法简单，但是需要等待电量释放，因此需要较长的用时，二次谐波分析法虽然过程用时较短，但是由于二次谐波需要提取响应电流中的二次谐波信号，而二次谐波的幅值较低导致较低的信噪比，较低的信噪以及精度不高的电流传感器将导致磁极判断失败，从而导致较差的鲁棒性。针对以上的技术缺陷，本发明提出了一种实用可靠且用时较短的磁极判断方法。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种应用于PMSM无位置传感器控制的磁极判断方法，快速有效得实现了磁极的判断，解决了短脉冲电压注入法用时较长以及二次谐波分量分析法中信噪比较低导致鲁棒性较差的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
S1：在初始启动阶段，矢量控制开环控制中，令ud＝0，uq＝0，并且在d轴上注入幅值为Uh、频率为ωh的高频余弦信号，持续若干时间。注入的信号经过处理后作为永磁同步电机的驱动信号，之后将会得到响应的高频响应电流。采样得到三相静止坐标系下的电流信号，经过坐标变换后，得到d轴和q轴的高频响应电流。
S2：q轴的高频响应电流经过处理后得到初始的位置信息。q轴的高频响应电流经过带通滤波器BPF滤波后得到频率为ωh的高频电流信号，高频电流信号中包含位置差信息，将高频电流信号与频率同样是ωh的高频正弦相乘后进行低通滤波就可以得到位置差信息，位置差信息经过锁相环后得到初始的位置信号
Figure BDA0002257168950000021
S3：d轴的高频响应电流经过处理后得到磁极信息。先在ud＝0，uq＝0条件下测定d轴的高频响应电流幅值Id1，接下来在ud＝Rsiref，uq＝0的条件下测定d轴的高频响应电流幅值Id2，iref需要根据电机的磁化曲线来选择，幅值一般大于额定电流的1/4但不超过额定电流的1/2，持续若干时间，最后恢复到ud＝0，uq＝0。
S4：比较Id1和Id2，若Id1＞Id2则
Figure BDA0002257168950000022
转子位置位于N极所在位置，否则，
Figure BDA0002257168950000023
转子位置位于S极所在位置，由此得到了初始位置信息。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明公开的磁极判断方法，首先确定转子初始位置信号，然后根据ud＝0，uq＝0以及ud＝Rsiref，uq＝0情形下d轴高频响应电流的幅值比较结果判断磁极，相对于短脉冲电压注入法无需通过比较放电时间的不同来判断磁极，本申请的实现方法不仅简单且快速；相较于二次谐波分析法，无需采集二次谐波信号幅值，本申请判读磁极的准确性不受制于信噪比及电流传感器的精度，可靠性好。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中磁极判断实现方法的整体原理框图。
图2为本发明具体实施方式中判断磁极具体实现步骤的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本发明公开了一种应用于无位置传感器控制的磁极判断方法，本方法的具体实施步骤如下：
S1：本发明提出的基于脉振高频电压注入法的磁极判断方法的原理框图如图1所示。在初始启动阶段，矢量控制开环控制中，令ud＝0，uq＝0，并且在d轴上注入幅值为Uh、频率为ωh的高频余弦信号，如式(1)所示，持续若干时间，本实施例中此时间为100ms。注入的信号经过处理后作为永磁同步电机的驱动信号，之后将会得到响应的高频响应电流，其具体表达式如式(2)所示。采样得到三相静止坐标系下的电流信号，经过坐标变换后，得到d轴和q轴的高频响应电流。定义L＝(Ldh+Lqh)/2，ΔL＝(Ldh-Lqh)/2，Ldh和Lqh分别是d轴和q轴高频电感。
Figure BDA0002257168950000031
Figure BDA0002257168950000032
S2：式(2)中的q轴高频响应电流包含转子估计误差Δθ。调节iqh使Δθ为零就可以得到初始位置估计值。如图1所示，q轴的高频响应电流经过带通滤波器BPF滤波后，将频率为ωh的q轴高频电流信号iqh提取出来，同时滤除掉基波电流以及开关管造成的噪声。为了将转子估计误差Δθ提取出来，将iqh信号与频率同样为ωh的正弦信号相乘得到的信号如式(3)所示。
Figure BDA0002257168950000033
公式(3)所示信号经过低通通滤波器LPF后，保留直流分量，滤除高频分量，得到所需要的包含转子位置信息差的有效信号f(Δθ)，如式(4)所示。
Figure BDA0002257168950000034
f(Δθ)经过锁相环后得到初始的位置信号
Figure BDA0002257168950000035
锁相环由一个PI调节器和一个积分器组成。
S3：由式(4)可以看出，当Δθ→0时，f(Δθ)会收敛到0，此时估计位置就是实际位置。然而Δθ→π，f(Δθ)也会收敛到0，此时估计位置与实际位置相差π电角度。由于估计位置与实际位置可能相差π电角度，这就需要根据d轴的高频响应电流，经过处理后得到磁极信息，其具体步骤如图2所示。
S4：比较Id1和Id2，得到初始位置信息。
进一步地，步骤S3包括以下步骤：
S3.1：在ud＝0，uq＝0条件下测定d轴的高频响应电流幅值Id1。具体地，为了减小测量误差，需要多次测量求取平均值，持续时间本实施例设置为100ms；
S3.2：在ud＝Rsiref，uq＝0的条件下测定d轴的高频响应电流幅值Id2。其中，Rs表示电机的线电阻，而iref表示了给定的电流，本实施例额定电流为10A，iref设定为4A，持续时间本实施例设定为50ms。考虑电感的影响，在后40ms的时间段内多次测量求取高频电流平均幅值；
S3.3：恢复到ud＝0，uq＝0的状态。
进一步地，步骤S4包括以下步骤：
S4.1：比较Id1和Id2值的大小；
S4.2：若Id1＞Id2，则电机转子的初始位置
Figure BDA0002257168950000041
S4.3：若Id1≤Id2，则电机转子的初始位置
Figure BDA0002257168950000042

Claims (3)

1.一种应用于PMSM无位置传感器控制的磁极判断方法，其特征在于，根据向同步旋转坐标系的直轴注入高频信号后的高频响应电流确定初始的转子位置信号，比较ud＝0，uq＝0条件下测定的d轴高频响应电流幅值Id1和ud＝Rsiref，uq＝0条件下测定的d轴高频响应电流幅值Id2，在Id1＞Id2时，转子位置位于N极所在位置，在Id1＜Id2时，转子位置位于S极所在位置，Rs为电机线电阻，iref为幅值大于额定电流1/4但不超过额定电流1/2的参考电流。
2.根据权利要求1所述一种应用于PMSM无位置传感器控制的磁极判断方法，其特征在于，根据向同步旋转坐标系的直轴注入高频信号后的高频响应电流确定初始的转子位置信号的方法为：在初始启动阶段的矢量控制开环控制中，令ud＝0，uq＝0，并且在d轴上注入幅值为Uh、频率为ωh的高频余弦信号，采样SVPWM逆变器输出的三相静止坐标系下的电流信号，对三相静止坐标系下的电流信号进行PARK变换得到d轴和q轴的高频响应电流，从q轴的高频响应电流中提取包含位置差信息的高频部分，对包含位置差信息的高频部分与频率为ωh的高频正弦信号的乘积进行低通滤波得到位置差信息，对位置差信息进行锁相处理得到初始的转子位置信号。
3.一种应用于PMSM无位置传感器控制的初始位置检测方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的磁极判断方法判断转子位置后更新初始转子位置信息，Id1＞Id2时保持初始转子位置信息不变，Id1＜Id2时在初始转子位置信息上叠加π电角度以更新初始转子位置信息。
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