CN111049434B

CN111049434B - 一种永磁同步电机的位置解调方法

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Publication number: CN111049434B
Application number: CN201911172908.XA
Authority: CN
Inventors: 张永昌; 刘家利
Original assignee: North China University of Technology
Current assignee: North China University of Technology
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2019-11-26
Publication date: 2021-08-03
Anticipated expiration: 2039-11-26
Also published as: CN111049434A

Abstract

本发明提供一种永磁同步电机的位置解调方法。具体的，所述位置解调方法包括：在电机的d轴注入高频电压信号；提取电机的q轴感应所述高频电压信号而产生的相应频率的高频电流信号，基于所述高频电流信号解调出位置误差信号；根据所述位置误差信号得到所述电机的位置信号。本发明的位置解调方法，能够提高注入高频电压信号的动态性和位置解调的稳定性，实现对电机位置的准确估计。

Description

一种永磁同步电机的位置解调方法

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机的位置解调方法。

背景技术

近年来，永磁同步电机得到广泛的应用，因为其具有转动惯量小，转矩密度高，功率密度高，能耗小等优良性能。电机控制性能有很大程度取决于位置的精确性。位置信息一般是通过安装在电机转子轴上的编码器来采集，但是许多应用场合不能直接安装编码器比如空调压缩机的驱动系统，还有些应用场合对可靠性要求比较高比如地铁的驱动系统，所以高性能的无位置传感器技术十分重要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种具有优异动态性能和稳态性能的永磁同步电机的位置解调方法。

基于上述目的，本发明提供了一种永磁同步电机的位置解调方法，包括：

在电机的d轴注入高频电压信号；

提取电机的q轴感应所述高频电压信号而产生的相应频率的高频电流信号，基于所述高频电流信号解调出位置误差信号；

根据所述位置误差信号得到所述电机的位置信号。

进一步的，采用带通滤波器提取所述高频电流信号。

进一步的，所述高频电流信号的提取频率为所述高频电压信号频率的整数倍。

进一步的，所述基于所述高频电流信号解调出位置误差信号的步骤，包括：

利用单位化系数对所述高频电流信号进行单位化处理，得到单位化电流信号；

所述单位化电流信号经三次方处理得到高阶电流信号；

采用解调参数对所述高阶电流信号进行解调得到位置误差信号。

进一步的，当注入的高频电压信号为正弦电压时，则所述解调参数为同频率的余弦；当注入的高频电压信号为余弦电压时，则所述解调参数为同频率的正弦。

进一步的，以u_dh表示所述高频电压信号，当u_dh＝V_hfsin(ω_ht)时,

所述单位化系数为

解调参数为cos(ω_ht)，

其中，V_hf表示注入的电压幅值，ω_h为高频电压信号的频率,L₀为电机的平均电感，L_Δ为电机的半差电感，t表示时间。

进一步的，所述根据所述位置误差信号得到所述电机的位置信号的步骤，包括：

所述位置误差信号经环路滤波器得出速度信号；

所述速度信号经积分得到所述电机的位置信号。

进一步的，采用压控振荡器实现所述速度信号的积分。

进一步的，还包括：

在提取电机的q轴感应所述高频电压信号而产生的相应频率的高频电流信号之后，

将电机q轴电流减去高频电流信号得到第一基波电流并反馈至电流环；

将电机d轴电流通过低通滤波处理后得到第二基波电流并反馈至电流环；

向所述电机的位置信号对应的位置注入高频电压信号，经三相静止到两相旋转坐标系的坐标变换，得到包含高频电流信号成分的q轴电流，形成闭环。

进一步的，当所述电机的位置信号收敛到实际值，高频电流信号幅值收敛为零，完成位置估计。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种永磁同步电机的位置解调方法，通过在电机的d轴注入高频电压信号，使得电机的q轴感应出高频电流，提取所述高频电流信号，利用所述高频电流信号直接解调出位置误差信号，最后利用所述位置误差信号得到所述电机的位置信号。这样的技术方案，直接解调出位置误差信号，能够有效保证最后得到的电机的位置信号的稳定性，且具有优异的动态性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的永磁同步电机调速控制系统硬件结构图的一个示例；

图2为本发明提供的注入高频电压信号进行位置解调的一个实施例的原理图；

图3为本发明提供的注入高频电压信号进行位置解调的又一个实施例的原理图；

图4为8Hz运行条件下采用图2中的位置解调原理得到的实验波形图；

图5为8Hz运行条件下采用图3中的位置解调原理得到的实验波形图；

图6为5Hz运行条件下采用图2中的位置解调原理得到的实验波形图；

图7为5Hz运行条件下采用图3中的位置解调原理得到的实验波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种永磁同步电机调速控制系统硬件结构图。采集电压电流信号，经数字信号控制器(Digital Signal Processor，DSP)处理得到6路开关信号，将所述6路开关信号输入驱动电路(其中，包括绝缘栅双极型晶体管，即InsulatedGate Bipolar Transistor，简称IGBT)，驱动电路将6路开关信号转变成6路IGBT驱动脉冲，借助6路脉冲实现对电磁同步电机的控制，位置解调是通过对电流信号的采集经过DSP实现解调算法估计电机的实际位置，其中高频电压的注入是通6路脉冲实现。

目前的无位置传感器技术，从适用的转速范围来看其主要分为两类：基波模型法和谐波模型法。基波模型法是依靠电机的电压方程，通过反电势或磁链等基波信号来解算位置信息，目前该方法已较成熟。谐波模型法是根据电机的电感差异，通过注入高频或者低频信号，提取电机位置信息。

以下结合图2，对注入高频电压信号进行位置解调的原理进行简单说明。在电机d轴注入正弦波信号，激励电机q轴产生高频电流，提取该高频电流信号，利用同频率的正弦解调信号然后经过低通滤波、环路滤波器、压控震荡器得到电机位置信号。该方法不仅动态性能差，而且低通滤波对该方法的稳定性具有较大的影响，整体稳定性较低。

鉴于此，本发明实施例提供一种稳态性能好且较快动态响应的位置解调方法，其原理如图3所示，改进高频电流信号的解调方法，达到省略低通滤波的作用，提高所述位置解调方法的稳定性。

作为一个实施例，所述永磁同步电机的位置解调方法，具体包括：

在电机的d轴注入高频电压信号；

根据所述位置误差信号得到所述电机的位置信号。

可见，通过在电机的d轴注入高频电压信号，使得电机的q轴感应出高频电流，提取所述高频电流信号，利用所述高频电流信号直接解调出位置误差信号，最后利用所述位置误差信号得到所述电机的位置信号。这样的技术方案，直接解调出位置误差信号，能够有效保证最后得到的电机的位置信号的稳定性，且具有优异的动态性能。

可选的，采用带通滤波器提取所述高频电流信号。q轴的电流除感应出的高频电流信号外，还包括第一基波电流，因此采用带通滤波器，能够方便的提取所述高频电流信号。

可选的，所述高频电流信号的提取频率为所述高频电压信号频率的整数倍。设置所述高频电流信号的提取频率为所述高频电压信号频率的整数倍，有利于DSP的数字实现，这是由于：对于DSP而言，通常采样频率，开关频率，控制周期设为相同，控制程序每执行一次可以注入一次电压，注入一个完整的高频电压周期需要整数次控制周期，从而采样频率也即提取频率为所述高频电压信号频率的整数倍。

在本发明的一些实施例中，所述基于所述高频电流信号解调出位置误差信号的步骤，包括：

利用单位化系数对所述高频电流信号进行单位化处理，得到单位化电流信号；通过单位化处理，能够保证锁相环参数的通用性与一致性，能够适用于电感参数不同的电机，不会因为电机参数不同重新调整锁相环参数；所述锁相环参数可以Kp、Ki，例如Kp＝40000，Ki＝60000。所述单位化电流信号经三次方处理得到高阶电流信号；

这样的技术方案，先通过单位化处理，保证锁相环参数的通用性与一致性，将单位化电流信号经三次方处理得到高阶电流信号，再利用解调参数对上述高阶电流信号进行解调得到位置误差信号，省略低通滤波器，对所述高频电流信号的处理不依赖于滤波器，能够提高位置解调方法的稳定性。具体的，三次方处理之后经解调得到的位置误差信号不是线性的，当误差较小时，该值较小，相当于较小的误差放大倍数可以实现较好的滤波作用，当误差较大时，经过三次方处理，相当于对较大的误差进行倍数放大，从而可以更快速的调整，实现较高的动态性能。

在本发明的一些实施例中，以u_dh表示所述高频电压信号，当u_dh＝V_hfsin(ω_ht)时,

所述单位化系数为

解调参数为cos(ω_ht)，

其中，V_hf表示注入的电压幅值，ω_h为高频电压信号的频率,L₀为电机的平均电感，L_Δ为电机的半差电感，t为时间。

进一步的，其中电机的平均电感L₀＝(L_d+L_q)/2，半差电感为L_Δ＝(L_q-L_d)/2，L_d，L_q分别为电机的d轴与q轴的电感。

应当理解的，设置位置误差信号为ζ(Δθ_r)，高频电流信号为i_qh，则ζ(Δθ_r)＝(λ·i_qh)³·cos(ω_ht)。

在本发明的一些实施例中，所述根据所述位置误差信号得到所述电机的位置信号的步骤，包括：

所述位置误差信号经环路滤波器得出速度信号；

所述速度信号经积分得到所述电机的位置信号。

具体的，位置误差信号ζ(Δθ_r)经过PI环路滤波器(k_p+k_i/s)得到速度信号ω_r，其中k_p为比例参数，k_i是积分参数；然后通过积分器(1/s)得到位置信号θ_r。

在本发明的一些实施例中，采用压控振荡器实现所述速度信号的积分。

参考图3，在本发明的一些实施例中，所述位置解调还包括如下步骤：

将电机d轴电流通过低通滤波处理后得到第二基波电流并反馈至电流环；这里，所述电流环是根据指令电流与反馈电流误差通过PI调节器，得出相应的电压作用到电机实现电机电流的跟踪控制；

向所述电机的位置信号对应的位置注入高频电压信号，经三相静止到两相旋转坐标系的坐标变换(abc/dq)，得到包含高频电流信号成分的q轴电流，形成闭环。

需要说明的，d轴高频电压信号注入使得q轴获取高频电流，采用本发明的位置信号解调方法解调出位置误差信号(相当于锁相环中的鉴相部分)根据解调出的位置误差信号，利用环路滤波器(对应锁相环中的环路滤波器)和积分器(对应锁相环中的压控振荡器)得到电机的位置信号；根据得到的电机的位置信号，注入高频电压，经过坐标转换再次得到q轴高频电流，形成一个基于电流响应的闭环循环。

在本发明的一些实施例中，当所述电机的位置信号收敛到实际值，高频电流信号幅值收敛为零，完成位置估计。

应当理解的，当注入的d轴高频电压不是在实际的电机位置时，由于电机的凸极效应导致的dq轴电感不同，从而使得通过坐标变换之后q轴电流不为零，只有当为实际位置时，才是零，参考公式

其中，L_Σ＝L₀。由此，所述电机的位置信号收敛到实际值时i_qh幅值收敛为零，从而形成闭环稳定的位置估计系统。

为了进一步验证本发明位置解调方法的效果，采用图2和图3中的位置解调方法，电机分别运行在8Hz、5Hz转速的条件下，电机编码器得到的实际位置作为对比，位置解调方法估计电机的位置作为电机闭环控制的位置进行实验，得到实验波形图如图4～图7所示，其中通道1为位置解调方法得到估计电机的位置，通道2为电机编码器得到的实际位置，通道3为位置误差信号，通道4为a相电流信号。由图中能够明确看出，相比于图4和图6，图5和图7中通道1和通道2的重合度更高，通道3的位置误差信号更平缓，表明本发明所提出的位置信号解调方法位置误更小，估计的电机位置更加准确。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种永磁同步电机的位置解调方法，其特征在于，包括：

在电机的d轴注入高频电压信号；

根据所述位置误差信号得到所述电机的位置信号；其中，

所述基于所述高频电流信号解调出位置误差信号的步骤，包括：

计算单位化系数与所述高频电流信号的乘积，得到单位化电流信号；

计算所述单位化电流信号的三次方，得到高阶电流信号；

计算解调参数和所述高阶电流信号的乘积，得到位置误差信号；

其中，所述单位化系数为

其中，V_hf表示注入的高频电压信号的幅值，ω_h为高频电压信号的频率,L₀为电机的平均电感，L_Δ为电机的半差电感；

其中，平均电感L₀＝(L_d+L_q)/2，半差电感为L_Δ＝(L_q-L_d)/2，L_d，L_q分别为电机的d轴与q轴的电感；

当注入的高频电压信号为正弦电压时，则所述解调参数为同频率的余弦函数；当注入的高频电压信号为余弦电压时，则所述解调参数为同频率的正弦函数。

2.根据权利要求1所述的位置解调方法，其特征在于，采用带通滤波器提取所述高频电流信号。

3.根据权利要求1所述的位置解调方法，其特征在于，所述高频电流信号的提取频率为所述高频电压信号频率的整数倍。

4.根据权利要求1所述的位置解调方法，其特征在于，所述根据所述位置误差信号得到所述电机的位置信号的步骤，包括：

所述位置误差信号经环路滤波器得出速度信号；

所述速度信号经积分得到所述电机的位置信号。

5.根据权利要求4所述的位置解调方法，其特征在于，采用压控振荡器实现所述速度信号的积分。

6.根据权利要求1～5任一项所述的位置解调方法，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求6所述的位置解调方法，其特征在于，还包括：

当所述电机的位置信号收敛到实际值，高频电流信号幅值收敛为零，完成位置估计。