CN111277193B - 一种永磁同步电机磁极极性辨识的可靠性优化方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机磁极极性辨识的可靠性优化方法及系统，方法包括通过脉振高频电压信号注入法获得转子初始磁极位置信息，从永磁同步电机直轴的正反方向各注入一个脉冲电压信号获得直轴正反方向的电流采样数据；基于电流采样数据，对滑动窗口的长度进行设定，对电流采样数据进行特征值计算；从两列特征值序列中选取比较值进行特征值大小的比较，特征值大者为N极，特征值小者为S极。本发明提供的永磁同步电机磁极极性辨识的可靠性优化方法可以扩大直轴正反方向电流脉冲峰值间的差额，基于永磁同步电机定子铁芯磁饱和非线性原理，在电流谐波大的工况环境下，依然可以稳定辨识出永磁同步电机的转子磁极极性，可靠性得到优化和提升。

Description

一种永磁同步电机磁极极性辨识的可靠性优化方法及系统
技术领域
本发明属于永磁同步电机无速度传感器控制领域，更具体地，涉及一种永磁同步电机磁极极性辨识的可靠性优化方法及系统。
背景技术
永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、效率高、功率因数高，转动惯量小、过载能力强等优点，被广泛应用于国民经济的各行各业。为了满足高精度、高性能永磁同步电机交流传动的需要，转速闭环控制是必不可少的，转速和位置反馈控制的实现，需要用测速发电机或光电码盘来检测反馈量和磁极位置。为了有效的提取电机的转子位置与速度，常用的方法是在转子轴上安装霍尔传感器、轴编码器、旋转变压器等传统的机械传感器来获得位置信息。但由于传感器的安装不仅带来了系统成本增加和电机体积增大的不利影响，而且使控制系统更加复杂，降低了系统的可靠性和鲁棒性，不易于工程实现，同时机械式传感器的安装和维护极易受工作环境的影响，限制了永磁同步电机控制系统在特殊场合的应用。
基于传统的机械式传感器所带来的缺陷，使得成本合理、性能良好的无速度传感器交流调速系统成为近年来的一个热门研究领域。在永磁同步电机静止状态下实现转子初始位置准确检测，是无位置传感器永磁同步电机矢量控制系统正常起动运行的关键，可以避免电机起动时不必要的反转、起动失败现象的发生，并且能够确保具有足够的起动输出转矩能力。转子初始位置的检测主要分为两个步骤：第一步是执行脉振高频电压信号注入法获得转子磁极位置信息，第二步是执行脉冲电压信号注入法获取磁极极性信息，进而获得转子直轴正方向的准确位置信息，可将这两种方法统称为组合信号注入法。
通过脉冲电压信号注入法，可获取直轴正反方向的电流采样数据。基于定子铁心磁饱和非线性原理，根据电流峰值的大小进行比较，进而进行磁极极性辨识。该种方法在电流谐波的影响下，易发生磁极极性的误判断，进而造成转子启动时反转。传统的磁极极性辨识方法的可靠性有待提高。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种永磁同步电机磁极极性辨识的可靠性优化方法及系统，旨在解决现有永磁同步电机转子初始位置辨识过程中，存在磁极极性辨识可靠性低的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种永磁同步电机磁极极性辨识的可靠性优化方法，包括以下步骤：
S1.通过脉振高频电压信号注入法获得转子初始磁极位置信息，从永磁同步电机直轴的正反方向各注入一个脉冲电压信号获得直轴正反方向的电流采样数据；
S2.基于电流采样数据，对滑动窗口的长度进行设定，对电流采样数据进行特征值计算，得到两列特征值序列；
S3.从两列特征值序列中选取比较值进行特征值大小的比较，特征值大者所代表的磁极方向为磁极N极，特征值小者所代表的磁极方向为S极，实现对磁极极性的判定。
优选地，滑动窗口的长度设置为2R，即所述电流采样数据在任一时刻的前R个采样点和后R个采样点。
优选地，特征值的计算公式如下：
Figure BDA0002403388510000021
其中，si表示i时刻的采样值，区间A和区间B分别为当前时刻的左半窗口和右半窗口，<si>A表示在区间A采样值的平均值，即
Figure BDA0002403388510000031
<si>B表示在区间B采样值的平均值，即
Figure BDA0002403388510000032
优选地，选取所述两列特征值序列的最后一个特征值作为比较值。
为解决传统的磁极极性辨识方法的不足，本发明所提出的一种新的磁极极性判定算法，将该算法命名为“滑动窗口均值算法”。该方法在电流谐波较大的情况下，依然可以稳定、可靠的辨识出转子的真实磁极极性。
本发明基于定子铁心磁饱和非线性原理，电流采样数据经“滑动窗口均值算法”处理后，能可靠、有效、准确地辨识出转子磁极极性，特别是在电流谐波大的情况，如三电平变频器处于中点电位不平衡状态时，依然可稳定、可靠辨识出转子磁极极性，拓展了永磁同步电机转子初始位置辨识的应用领域。
按照本发明的另一方面，提供了一种永磁同步电机磁极极性辨识的可靠性优化系统，包括：
电流采样数据模块，通过脉振高频电压信号注入法获得转子初始磁极位置信息，从永磁同步电机直轴的正反方向各注入一个脉冲电压信号获得直轴正反方向的电流采样数据；
特征值序列获取模块，用于基于电流采样数据，对滑动窗口的长度进行设定，对电流采样数据进行特征值计算，得到两列特征值序列；
磁极极性判定模块，用于从两列特征值序列中选取比较值进行特征值大小的比较，基于定子铁心磁饱和非线性原理，特征值大者所代表的磁极方向为磁极N极，特征值小者所代表的磁极方向为S极，实现对磁极极性的判定。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的永磁同步电机磁极极性辨识的可靠性优化方法可以扩大直轴正反方向电流脉冲峰值间的差额，基于永磁同步电机定子铁芯磁饱和非线性原理，起到更容易且稳定可靠的判断出磁极极性的效果。
2、本发明提供的永磁同步电机磁极极性辨识的可靠性优化方法在电流谐波大的工况环境下，基于永磁同步电机定子铁芯磁饱和非线性原理，依然可以稳定辨识出永磁同步电机的转子磁极极性，可靠性得到优化和提升。
附图说明
图1是本发明提供的脉振高频电压信号注入法检测转子磁极位置原理框图；
图2是本发明提供的脉冲电压信号注入法检测转子磁极极性原理框图；
图3是本发明提供的永磁同步电机坐标系关系示意图；
图4是本发明提供的锁相环位置跟踪器简化原理框图；
图5是本发明提供的永磁同步电机气隙磁场增强示意图；
图6是本发明提供的永磁同步电机气隙磁场减弱示意图；
图7是本发明提供的定子铁心磁饱和非线性原理示意图；
图8是本发明在两电平逆变器运行环境下的d轴电流比较图；
图9是本发明在两电平逆变器运行环境下提供的d轴电流特征值的比较图；
图10是本发明在三电平逆变器运行环境下的d轴电流比较图；
图11是本发明在三电平逆变器运行环境下提供的d轴电流特征值的比较图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种永磁同步电机磁极极性辨识的可靠性优化方法及系统，方法包括以下步骤：
S1.通过脉振高频电压信号注入法获得转子初始磁极位置信息，从永磁同步电机直轴的正反方向各注入一个脉冲电压信号获得直轴正反方向的电流采样数据；
S2.基于电流采样数据，对滑动窗口的长度进行设定，对电流采样数据进行特征值计算，得到两列特征值序列；
S3.从两列特征值序列中选取比较值进行特征值大小的比较，特征值大者所代表的磁极方向为磁极N极，特征值小者所代表的磁极方向为S极，实现对磁极极性的判定。
具体地，滑动窗口的长度设置为2R，即所述电流采样数据在任一时刻的前R个采样点和后R个采样点。
具体地，特征值的计算公式如下：
Figure BDA0002403388510000051
其中，si表示i时刻的采样值，区间A和区间B分别为当前时刻的左半窗口和右半窗口，<si>A表示在区间A采样值的平均值，即
Figure BDA0002403388510000052
<si>B表示在区间B采样值的平均值，即
Figure BDA0002403388510000053
具体地，选取所述两列特征值序列的最后一个特征值作为比较值。
如图1和图2所示，采用一种基于组合信号注入法的静止状态下转子初始位置检测方法。在建立内置式永磁同步电机高频数学模型的基础上，采用脉振高频电压信号注入方式估计转子磁极位置，在观测轴系的直轴注入高频电压信号，通过对测量轴系(滞后观测轴系45°电角度)高频激励电流进行信号处理，获得转子磁极位置；然后，根据定子铁心磁饱和非线性磁化特性，采用脉冲电压信号注入法检测转子磁极极性，即向转子磁极位置方向及其反方向注入脉冲电压矢量，通过比较所激励电流幅值判断转子磁极极性。
IPMSM高频数学模型：
IPMSM在两相旋转坐标系下数学模型：
Figure BDA0002403388510000061
向定子绕组内注入高频电压信号，假设注入高频电压信号频率足够高，且远大于基波频率，那么永磁体的反电动势、旋转电压和定子电阻压降可以忽略不计，因此可以得到两相旋转坐标系下永磁同步电机高频数学模型：
Figure BDA0002403388510000062
式中：udh，uqh为d-q轴系下定子电压高频分量；idh，iqh为d-q轴系下定子电流高频分量。
将式(2)式等效变换，得到以定子电流为状态变量的状态方程：
Figure BDA0002403388510000063
通过Park逆变换，将(2)式变换到两相静止坐标系下，可得：
Figure BDA0002403388510000064
式中：uαh，uβh为α-β轴系下定子电压高频分量；iαh，iβh为α-β轴系下定子电流高频分量；∑L为均值电感，定义为
Figure BDA0002403388510000065
ΔL为差值电感，定义为
Figure BDA0002403388510000066
将(4)式进行等效变换，得到以定子电流为状态变量的状态方程：
Figure BDA0002403388510000067
建立同步观测轴系de-qe，并将(5)式变换到该坐标下，可得：
Figure BDA0002403388510000071
式中：
Figure BDA0002403388510000072
为de-qe轴系下定子电压高频分量；
Figure BDA00024033885100000711
为de-qe轴系下定子电流高频分量；Δθe为d-q轴系与观测轴系间误差角度，定义为
Figure BDA0002403388510000073
建立同步测量轴系dm-qm，并将(5)式变换到该坐标下，可得：
Figure BDA0002403388510000074
式中：
Figure BDA0002403388510000075
为dm-qm轴系下定子电压高频分量；
Figure BDA0002403388510000076
为dm-qm轴系下定子电流高频分量；θ0为de-qe轴系与dm-qm轴系间电角度差值。
如果dm-qm轴系滞后de-qe轴系
Figure BDA0002403388510000077
电角度，即
Figure BDA0002403388510000078
则(7)式可表示为：
Figure BDA0002403388510000079
图3给出了α-β轴系、d-q轴系、de-qe轴系、dm-qm轴系间的关系。
脉振高频正弦电压信号注入法检测转子磁极位置：
在电机静止状态下，采用脉振高频电压信号注入法检测转子磁极位置信息，即向观测的同步旋转坐标系de轴注入高频正弦波电压信号，然后通过对其所激励出的电流信号转换到测量轴系dm-qm下高频电流响应进行信号处理来获得转子磁极位置信息。图1所示观测轴系de-qe下脉振高频电压信号注入法检测转子磁极位置原理框图。
如图1所示，向同步观测轴系de-qe注入高频电压信号：
Figure BDA00024033885100000710
通过Park逆变换，则有：
Figure BDA0002403388510000081
基于内置式永磁同步电机结构性凸极特性，上述所注入高频电压信号激励出的高频电流响应信号将包含相应的转子磁极位置信息，该高频电流响应在同步测量轴系dm-qm下表现为：
Figure BDA0002403388510000082
通过式(11)可以得到：
Figure BDA0002403388510000083
假设位置误差角Δθ接近0，那么上式(12)可近似为：
Figure BDA0002403388510000084
因此，根据(13)式，可通过提取同步测量轴系dm-qm下高频电流响应幅值，并对其进行做差处理，可以获得转子磁极位置误差信号εh，即：
Figure BDA0002403388510000085
式中，
Figure BDA0002403388510000086
根据上述脉振高频信号注入法，向观测的同步旋转坐标系de轴注入高频正弦电压信号。对定子电流采样值进行坐标变换(变换矢量角为
Figure BDA0002403388510000087
)，提取出同步测量轴系dm-qm下高频电流响应
Figure BDA0002403388510000088
然后对其幅值分量做差处理IdmMag-IqmMag，进而获得转子磁极位置误差信号εh，送入锁相环观测器，锁相环观测器简化原理框图，如图4所示。
脉冲电压信号注入法检测转子磁极极性：
永磁同步电机气隙磁场为定子电枢反应磁场和永磁体励磁磁场在气隙中形成的合成磁场，即：
ψsg＝ψf+ψsa (15)
式中，ψsg为定子气隙磁场；ψsa为电枢反应磁场；ψf为永磁体励磁磁场。
由于定子铁心存在磁饱和非线性，如图5所示，当电枢反应磁场ψsa与永磁体励磁磁场ψf方向相同时，电枢反应磁场ψsa起增磁作用，定子铁心饱和程度增强，磁导变小，定子电感将减小，响应电流增大；反之如图6，电枢反应磁场ψsa与永磁体励磁磁场ψf方向相反时，电枢反应磁场ψsa起去磁作用，定子铁心饱和程度减小，磁导变大，定子电感将增大，响应电流减小。
通过脉振高频电压信号注入法获得转子磁极位置信息
Figure BDA0002403388510000091
后，基于上述定子铁心饱和非线性原理，如图7所示。采用脉冲电压信号注入法检测转子磁极极性，其原理框图如图2所示。向定子绕组
Figure BDA0002403388510000092
和
Figure BDA0002403388510000093
方向注入两个脉冲电压矢量，然后通过比较所激励出的直流电流id幅值大小辨识转子磁极极性。若
Figure BDA0002403388510000094
方向脉冲电压矢量所激励出的直轴电流大于
Figure BDA0002403388510000095
方向，则
Figure BDA0002403388510000096
方向为转子磁极N极，补偿值
Figure BDA0002403388510000097
反之，
Figure BDA0002403388510000098
方向为转子磁极N极，补偿值
Figure BDA0002403388510000099
为详细说明本发明的使用方法，结合具体实验数据，予以举例说明。
本发明方法应用于实验，所需硬件部分包括：三相电压源型逆变器，永磁同步内置式电机，电流传感器。三相交流电源经过不控整流得到直流母线电压Udc，供给电压源型逆变器，并利用逆变器来控制同步电机进行矢量控制。
软件部分包括：3相静止坐标/2相静止坐标变换模块，2相静止坐标/2相旋转坐标变换模块，电压空间矢量脉宽调制模块，脉振高频电压信号注入法模块，脉冲电压信号注入法模块，滑动窗口均值算法模块。
按照本发明的具体实施步骤，进行实验。本发明将实验过程中获得的数据作为样例，对本发明方法进行具体说明。
在执行组合信号注入法后，可获得d轴电流采样数据，基于“滑动窗口均值”算法，可得其特征值数据，见表1和表2，其中d1和d2是两电平逆变器的d轴电流采样值，P1和P2是两电平逆变器的d轴电流特征值，d1’和d2’是三电平逆变器的d轴电流采样值，P1’和P2’是三电平逆变器的d轴电流特征值。
表1
采样序列 d1 d2 P1 P2
1 168054 21221 / /
2 73569 65378 / /
3 680048 770155 5.43×10<sup>11</sup> 5.26×10<sup>11</sup>
4 1380705 1212651 8.02×10<sup>11</sup> 6.32×10<sup>11</sup>
5 1921192 1774052 7.19×10<sup>11</sup> 5.31×10<sup>11</sup>
6 2437258 2241277 6.7×10<sup>11</sup> 4.88×10<sup>11</sup>
7 3019317 2662550 6.69×10<sup>11</sup> 4.43×10<sup>11</sup>
8 3559803 3125653 6.98×10<sup>11</sup> 4.29×10<sup>11</sup>
9 4071491 3551612 6.78×10<sup>11</sup> 3.84×10<sup>11</sup>
10 4727376 3972886 6.18×10<sup>11</sup> 3.68×10<sup>11</sup>
11 5148958 4297040 5.94×10<sup>11</sup> 3.63×10<sup>11</sup>
12 5661517 4809292 6.26×10<sup>11</sup> 3.73×10<sup>11</sup>
13 6222354 5140766 7.08×10<sup>11</sup> 3.55×10<sup>11</sup>
14 6832597 5583262 6.86×10<sup>11</sup> 3.11×10<sup>11</sup>
15 7344848 5907109 / /
16 7860043 6283612 / /
表2
Figure BDA0002403388510000101
Figure BDA0002403388510000111
表1和表2数据分别是在两电平和三电平(中点电位不平衡状态)逆变器运行环境下获得的。图8和图9为曲线图，从图中可知d轴电流采样数据经“滑动窗口均值算法”处理后所得的特征值，用于磁极极性判断的数据之间的差额比电流采样值的数据差额，明显变大。那么据此特征值数据，基于定子铁心磁饱和非线性原理进行转子磁极极性辨识，将有效提高磁极极性辨识的可靠性。从图10和图11对比分析可知，当三电平变频器处于中点电位不平衡状态时，电流谐波较大，在传统的磁极极性判断失效的情况下，由“滑动窗口均值算法”获得的特征值数据，可有效纠正传统磁极极性判断算法的错误结果。
本发明在磁极极性辨识阶段可使d轴电流峰值的差额变大，更容易稳定辨识出转子磁极极性。在电流谐波较大的情况下，如三电平变频器处于中点电位不平衡状态，本发明可以对d轴采样数据进行平均化处理，可以有效滤除采样信号的高频干扰，从而可以显著提高磁极极性辨识的可靠性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机磁极极性辨识的可靠性优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.通过脉振高频电压信号注入法获得转子初始磁极位置信息，从永磁同步电机直轴的正反方向各注入一个脉冲电压信号获得直轴正反方向的电流采样数据；
S2.基于所述电流采样数据，对滑动窗口的长度进行设定，对所述电流采样数据进行特征值计算，得到两列特征值序列；所述特征值的计算公式如下：
Figure FDA0002887868050000011
其中，si表示i时刻的采样值，区间A和区间B分别为当前时刻的左半窗口和右半窗口，<si>A表示在区间A采样值的平均值，即<si>A＝(si-1+...+si-R)/R，<si>B表示在区间B采样值的平均值，即<si>B＝(si+1+...+si+R)/R；
S3.从所述两列特征值序列中选取比较值进行特征值大小的比较，特征值大者所代表的磁极方向为磁极N极，特征值小者所代表的磁极方向为磁极S极，实现对磁极极性的判定。
2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述滑动窗口的长度设置为2R，即所述电流采样数据在任一时刻的前R个采样点和后R个采样点。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选取所述两列特征值序列的最后一个特征值作为比较值。
4.一种永磁同步电机磁极极性辨识的可靠性优化系统，其特征在于，包括：
电流采样数据模块，通过脉振高频电压信号注入法获得转子初始磁极位置信息，从永磁同步电机直轴的正反方向各注入一个脉冲电压信号获得直轴正反方向的电流采样数据；
特征值序列获取模块，用于基于所述电流采样数据，对滑动窗口的长度进行设定，对所述电流采样数据进行特征值计算，得到两列特征值序列；所述特征值的计算公式如下：
Figure FDA0002887868050000021
其中，si表示i时刻的采样值，区间A和区间B分别为当前时刻的左半窗口和右半窗口，<si>A表示在区间A采样值的平均值，即<si>A＝(si-1+...+si-R)/R，<si>B表示在区间B采样值的平均值，即<si>B＝(si+1+...+si+R)/R；
磁极极性判定模块，用于从所述两列特征值序列中选取比较值进行特征值大小的比较，特征值大者所代表的磁极方向为磁极N极，特征值小者所代表的磁极方向为S极，实现对磁极极性的判定。
5.根据权利要求4所述的优化系统，其特征在于，所述滑动窗口的长度设置为2R，即所述电流采样数据在任一时刻的前R个采样点和后R个采样点。
6.根据权利要求4所述的优化系统，其特征在于，选取所述两列特征值序列的最后一个特征值作为比较值。
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