CN111510043A - 基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统及位置提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统及位置提取方法，属于无位置传感器控制技术领域。本发明的注入系统包括：电源电路、整流器、逆变器、永磁同步电机、电机负载模块、电机电流采集模块、电机电压采集模块、Clark变换模块、Park变换模块、倍角坐标系分析计算模块、响应电流信号分析模块、转子位置提取模块、速度/角度计算模块、转速误差模块、d轴电流误差模块、d轴电流PI模块、q轴电流误差模块、高频信号注入模块、Park逆变换模块等。本发明能实现电机在低速情况下的无位置运行，获得预估转子位置信号，在旋转高频信号注入法的基础上，降低了低通滤波器的使用，简化了信号提取过程，在响应速度以及信号提取精度上具有优越性。

Description

基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统及位置提取方法

技术领域

本发明涉及一种基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统及位置提取方法，属于无位置传感器控制技术领域。

背景技术

永磁同步电机以其体积小、效率高、功率密度高和易控制、使用周期长和可靠性强等特点在伺服驱动领域具有主流优势，在要求高控制精度和高可靠性的场合如舰船推进、数控机床、机车牵引、电动汽车和家用电器等许多领域获得极为广泛的应用，成为各国学者的研究热点。

在电动工具领域，其体积要求及工作环境较为复杂，而传统的位置式传感器难以满足其加工精度以及工作要求，所以无位置技术显得尤为重要。为了满足低速下转子位置跟踪稳定、带载能力强等条件，选用了旋转高频信号注入法作为方案。

旋转高频信号注入法由于需要额外注入高频信号，同时转子位置信号中夹杂直流分量，基频以及高频信号波，因此，如何准确提取所需信号频率显得尤为重要。传统的信号提取方法是通过在电机两相静止坐标系下分别注入频率相同的高频余弦信号和正弦信号，形成与注入信号频率一致的圆形旋转磁场。检测该激励信号产生的电流响应，通过设计特定的信号处理，最终获得转子位置与转速信息，实现无位置传感器控制。该方法引入带通、低通等滤波器，经过调制输出信号幅值。由于提取方法存在带通、低通滤波器，引入了幅值误差以及相位偏移，且造成了软件延时，系统相对复杂等问题。同时，提取效果完全取决于滤波器的处理效果，因而提取效果不佳。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统及位置提取方法，通过建立倍角坐标系并通过简单三角函数计算来实现高频信号幅值的提取方法。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统，包括：电源电路、整流器、逆变器、永磁同步电机、电机负载模块、电机电流采集模块、电机电压采集模块、第一Clark变换模块、第二Clark变换模块、第一Park变换模块、第二Park变换模块、倍角坐标系分析计算模块、响应电流信号分析模块、转子位置提取模块、速度/角度计算模块、转速误差模块、转速PI模块、d轴电流误差模块、d轴电流PI模块、q轴电流误差模块、q轴电流PI模块、高频信号注入模块、Park逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块和低通滤波器模块；其中：所述电源电路、整流器、逆变器、永磁同步电机和电机负载模块顺序连接，所述d轴电流误差模块、d轴电流PI模块、Park逆变换模块和空间矢量脉宽调制模块顺序连接，所述转速误差模块、转速PI模块、q轴电流误差模块、q轴电流PI模块和Park逆变换模块顺序连接，所述电机电流采集模块、第一Clark变换模块、第一Park变换模块、低通滤波器模块和q轴电流误差模块顺序连接，所述电机电压采集模块、第二Clark变换模块、倍角坐标系分析计算模块、响应电流信号分析模块和转子位置提取模块顺序连接，所述第二Park变换模块、转子位置提取模块、速度/角度计算模块顺序连接，所述速度/角度计算模块分别与转速误差模块、Park逆变换模块、第一Park变换模块、第二Park变换模块连接，所述高频信号分别与Park逆变换模块、第二Park变换模块连接；

所述电源电路为单相交流电源，用于为整流器提供单相交流电；

所述整流器为单相不控整流器，用于将单相输入交流电整流为直流电，并向逆变器供电；

所述逆变器为三相电压源型逆变器，用于接收空间矢量脉宽调制模块的电压脉冲，并根据电压脉冲控制永磁同步电机；

所述电机负载模块为外部负载，用于永磁同步电机加载/卸载；

所述电机电流采集模块用于采集永磁同步电机三相电流，并发送至第一Clark变换模块；

所述电机电压采集模块用于采集永磁同步电机三相电压，并发送至第二Clark变换模块；

所述第一Clark变换模块和第二Clark变换模块用于将永磁同步电机三相电流转换为α、β轴电流，电机三相电压转换为α、β轴电压，并发送至第一Park变换模块和倍角坐标系分析计算模块；

所述第一Park变换模块和第二Park变换模块用于将α、β轴电流转换为d轴估计电流、q轴估计电流并发送至低通滤波器模块，将

轴高频注入电压转换为d轴实际高频电压、q轴实际高频电压并发送至转子位置提取模块；

所述低通滤波器模块用于将d轴估计电流、q轴估计电流滤除高频电流成分，得到d轴基波电流、q轴基波电流，并发送至d轴电流误差模块、q轴电流误差模块；

所述倍角坐标系分析计算模块用于将α、β轴电流和电压进行分析计算，得到倍角坐标系γ、δ轴高频响应电流及α、β轴高频响应电流，并发送至响应电流信号分析模块；

所述响应电流信号分析模块用于将γ、δ轴高频响应电流与α、β轴高频响应电流进行分析与计算，得到包含转子位置信息的混合信号，并发送至转子位置提取模块；

所述转子位置提取模块用于将包含转子位置信息的混合信号处理后得到转子位置正余弦信号，并发送至速度/角度计算模块；

所述速度/角度计算模块用于将转子位置正余弦信息通过相应计算，得到预估转子转速、角度及角度误差信息，并发送至转速误差模块、Park逆变换模块、第一Park变换模块和第二Park变换模块；

所述转速误差模块用于将给定转速与所述速度/角度计算模块计算得到的预估转速对比，得到转速误差，并将其发送至转速PI模块；

所述转速PI模块用于将转速误差进行PI调节，得到q轴给定电流，并发送至q轴电流误差模块；

所述d轴电流误差模块用于将d轴给定电流与d轴基波电流对比，得到d轴电流误差，并将其发送至d轴电流PI模块；

所述q轴电流误差模块用于将q轴给定电流与q轴基波电流对比，得到q轴电流误差，并将其发送至q轴电流PI模块；

所述d轴电流PI模块用于将d轴电流误差进行PI调节，得到d轴估计电压，并发送至电压Park逆变换模块；

所述q轴电流PI模块用于将q轴电流误差进行PI调节，得到q轴估计电压，并发送至电压Park逆变换模块；

所述高频信号注入模块用于给电机预估d、q轴注入高频信号，发送到Park逆变换模块及第二Park变换模块；

所述Park逆变换模块用于将d、q轴电压转换为α轴电压、β轴电压，并发送至空间矢量脉宽调制模块；

所述空间矢量脉宽调制模块用于根据α、β轴电压、母线电压计算得到电压脉冲，并发送至逆变器。

基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统的位置提取方法，包括以下步骤：

(1)实时采集单相交流输入电压、直流母线电压幅值及相位，实时采集永磁同步电机三相电流及三相电压，并利用信号提取方法来提取转子位置；

(2)对所述的永磁同步电机abc三相电流和电压进行Clark变换，得到α、β轴电流和电压，对所述α、β轴电流进行Park变换，得到d、q轴估计电流，对所述

轴高频注入电压进行Park变换，得到d、q轴实际高频电压；

(3)对所述的α、β轴电流和电压按照倍角坐标系信号分析方法进行计算，得到倍角坐标系γ、δ轴高频响应电流及α、β轴高频响应电流；

(4)对所述的γ、δ轴高频响应电流与α、β轴高频响应电流按照响应电流信号分析方法进行计算，得到包含转子位置信息的混合信号；

(5)对所述的包含转子位置信息的混合信号按照转子位置提取原理进行转子位置提取，得到转子位置角正余弦信号，通过相应计算获得预估转速；

(6)计算给定电机转速与所述预估转速的误差，并对转速误差进行PI调节；得到q轴给定电流；

(7)计算d、q轴给定电流与d、q轴基波电流误差，并对电流误差进行PI调节，得到d、q轴电压估计值；

(8)给电机预估d、q轴注入高频信号，与d、q轴电压估计值叠加进行Park逆变换，得到α、β轴电压；

(9)根据α、β轴电压、母线电压，对逆变器进行SVPWM调制，并通过逆变器控制电机。

步骤(1)所述信号提取的方法包含如下步骤：

三相电流通过第一Clark变换模块得到α轴实际电流、β轴实际电流，三相电压通过第二Clark变换模块得到α轴实际电压、β轴实际电压，通过倍角坐标系分析计算模块求取倍角坐标系γ、δ轴高频响应电流及α、β轴高频响应电流，并通过响应电流信号分析模块进一步求得包含转子位置信息的混合信号，再通过转子位置提取模块求出转子位置信息角的正余弦信号，进一步通过速度/角度计算模块获得预估转子转速、角度及角度误差信息。

步骤(3)所述倍角坐标系定义如下：

通过将α和β轴逆时针旋转2θ_e来建立新的测量旋转坐标系，记为γ、δ坐标系，其中γ轴超前同步旋转坐标轴d轴θ_e度，δ轴超前同步旋转坐标轴q轴θ_e度；假设α、β轴高频响应电流为i_αh、i_βh，γ、δ轴高频响应电流为i_γh、i_δh，则两者关系表示为式(1)：

式中，θ_e为磁极位置电角度，即同步旋转坐标d、q轴与静止坐标轴α、β轴之间的角度。

步骤(3)所述倍角坐标系分析方法过程如下：

假设系统在预估

轴上注入高频电压信号，如式(2):

式中，

分别为系统在估计d、q轴注入的旋转高频电压信号，V_inj为注入高频电压信号幅值，ω_h为注入高频电压信号频率，t为系统时间；

注入的高频电压信号与经过d、q轴电流PI模块的d、q轴电压相叠加，经过Park逆变换以及SVPWM调制，并通过逆变器控制电机；

通过电机电压电流采集模块得到三相电压和电流，并进行Clark变换，得到α、β轴电压和电流，对所述α、β轴电压和电流通过带通滤波器滤波得到高频电压信号u_αh、u_βh和高频电流信号i_αh、i_βh；

计算永磁同步电机定子电压的基本方程，如式(3)表示：

式中，u_α、u_β为α、β轴定子电压，i_α、i_β为α、β轴定子电流，R_s为定子绕组电阻，ω_e为电机电角速度，λ_f为转子励磁磁链，L_s为电感矩阵，如式(4)表示：

式中，

表示均值电感；

表示差值电感；L_d、L_q分别为d、q轴定子等效电感。

计算理想低速系统下的注入高频电压信号在α、β轴产生的电压如式(5)所示：

对上式进行积分和微分变换并展开，得到等式(6)：

进一步的，通过对高频电压积分，结合高频电流计算来提取高频注入电压在倍角坐标系下的高频电流响应i_γh、i_δh，如式(7)：

步骤(4)所述响应电流分析方法过程如下：

将i_γh、i_δh进行Park逆变换，得到同步旋转d、q轴响应电流，同时将i_αh、i_βh进行Park变化，也得到同步旋转d、q轴响应电流；理想情况下，变换后的电流相等，记为式(8)：

将上式展开，得到以下方程：

两边同时除以cosθ_e，得到以下方程：

因此角度θ_e的正切值由下式得到：

或

其中：i_num、i_den代表求取第一种转子正切值的分子与分母，i'_num、i'_den代表求取第二种转子正切值的分子与分母；

通过结合倍角参考坐标系，求取相应倍角坐标系响应电流，实现对转子位置角进行提取；

进一步的，对计算转子位置正切值的分子分母进行分析计算，得到下列表达式：

式中，

为预估角度与实际角度的误差；

分析分子分母信号组成形式及波形，发现电流信号中含有基波、高频信号波，且为乘积形式表示；在实际信号中，通过将i_num、i_den及i'_num、i'_den送入转子位置提取模块，结合Park变换后的实际d、q轴高频电压u_dh、u_qh即求取转子位置角度的正余弦信息。

步骤(5)所述转子位置提取过程如下：

对i_num、i_den及i'_num、i'_den进行分析，并进一步去除幅值系数后，重新记为i_num1、i_den1及i'_num1、i'_den1，则由下式表示：

同时，对注入高频电压信号进行Park变换，得到同步旋转d、q轴系下的高频电压：

其中，u_dh、u_qh分别为同步旋转d、q轴系下的高频响应电压，T(Δθ_e)为坐标系间旋转矩阵，

同样对其进一步去除幅值系数后，重新记为u_dh1、u_qh1，则由下式表示：

根据简单三角函数数学关系进行角度正余弦信号提取，方法为：

最后将转子角度正余弦信号经过速度/角度计算模块获得预估转子转速

角度

及角度误差Δθ_e，并发送到转速误差模块、第一Park变换模块和Park逆变换模块。

本发明的有益效果如下：

1、通过倍角坐标系对高频响应电流进行提取，在简单数学计算后，简化位置信号公式表达形式，使用转子位置提取模块提取转子位置的正余弦信号，有效避免了高频项对解调的耦合效果，简化了系统。

2、相较于以往的滤波器调制的信号提取方法，减少了滤波器的使用，同时信号提取更快，系统更加简便，且不需要引入额外的解调信号。因此，以提取转子位置信号更加优越为前提，实现电机旋转高频信号注入法在低速下带载运行，优化了转子位置估计的准确性和鲁棒性，增强无位置控制系统的稳定性及实用性，控制简单有效。

3、简化信号提取环节，根据理论推导得到包含转子位置角的混合信号形式，在固定注入频率下提取转子位置角正余弦信息，达到准确、快速的信号提取目的，同时增强系统鲁棒性及实用性。

4、去除解调系统所需的低通滤波器的设计过程，从而避免了低通滤波器引入的延时、相位偏移及幅值损耗等问题，避免了调节的复杂性，简化了调节过程，有效增加了信号提取的快速性和准确性。另一方面，准确和快速的提取信号使得信号中含有的转子位置信号更加精确，转子位置估计更加精确、快速，误差减小。

附图说明

图1为本发明一种基于倍角坐标系的旋转高频信号注入法信号提取系统结构框图。

图2为本发明倍角参考坐标系示意图。

图3为本发明倍角坐标系分析模块结构框图。

图4为本发明响应电流分析模块结构框图。

图5为本发明转子位置提取模块结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明公开了一种基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统及位置提取方法，图1为本发明的系统结构框图，包括：电源电路、整流器、逆变器、永磁同步电机、电机负载模块、电机电流采集模块、电机电压采集模块、Clark(abc轴-αβ轴)变换模块、Park(αβ轴-dq轴)变换模块、低通滤波器模块、倍角坐标系分析计算模块、响应电流信号分析模块、转子位置提取模块、速度/角度计算模块、转速误差模块、转速PI(比例积分)模块、d轴电流误差模块、d轴电流PI(比例积分)模块、q轴电流误差模块、q轴电流PI(比例积分)模块、高频信号注入模块、Park逆变换(dq轴-αβ轴)模块、脉宽调制模块、和低通滤波器模块。

所述电源电路为单相交流电源，用于为整流器提供单相交流电。

所述整流器为单相不控整流器，用于将单相输入交流电整流为直流电，并向逆变器供电。

所述逆变器为三相电压源型逆变器，用于接收脉宽调制模块的电压脉冲，并根据电压脉冲控制电机。

所述电机负载模块为外部负载，用于电机加载/卸载。

所述电机电流采集模块用于采集电机三相电流，并发送至第一Clark变换模块。

所述电机电压采集模块用于采集电机三相电压，并发送至第二Clark变换模块。

所述第一Clark变换模块和第二Clark变换模块用于将电机三相电流转换为α、β轴电流，电机三相电压转换为α、β轴电压，并发送至倍角坐标系分析计算模块和第一Park变换模块。

所述第一Park变换模块和第二Park变换模块用于将α、β轴电流转换为d轴估计电流、q轴估计电流并发送至低通滤波器模块，将

轴高频注入电压转换为d轴实际高频电压、q轴实际高频电压并发送至转子位置提取模块。

所述低通滤波器模块用于将d轴估计电流、q轴估计电流滤除高频电流成分，得到d轴基波电流、q轴基波电流，并发送至d轴电流误差模块、q轴电流误差模块。

所述倍角坐标系分析计算模块用于将α、β轴电流和电压进行分析计算，得到倍角坐标系γ、δ轴高频响应电流及α、β轴高频响应电流，并发送至响应电流信号分析模块。

所述响应电流信号分析模块用于将γ、δ轴高频响应电流与α、β轴高频响应电流进行分析与计算，得到包含转子位置信息的混合信号，并发送至转子位置提取模块。

所述转子位置提取模块用于将包含转子位置信息的混合信号处理后得到转子位置正余弦信号，并发送至速度/角度计算模块。

所述速度/角度计算模块用于将转子位置正余弦信息通过相应计算，得到预估转子转速、角度及角度误差信息，并发送至转速误差模块、Park逆变换模块、第一Park变换模块和第二Park变换模块。

所述转速误差模块用于将给定转速与所述速度/角度计算模块计算得到的预估转速对比，得到转速误差，并将其发送至转速PI模块。

所述转速PI模块用于将转速误差进行PI调节，得到q轴给定电流，并发送至q轴电流误差模块。

所述d轴电流误差模块用于将d轴给定电流与d轴基波电流对比，得到d轴电流误差，并将其发送至d轴电流PI模块。

所述q轴电流误差模块用于将q轴给定电流与q轴基波电流对比，得到q轴电流误差，并将其发送至q轴电流PI模块。

所述d轴电流PI模块用于将d轴电流误差进行PI调节，得到d轴估计电压，并发送至电压Park逆变换模块。

所述q轴电流PI模块用于将q轴电流误差进行PI调节，得到q轴估计电压，并发送至电压Park逆变换模块。

所述高频信号注入模块用于给电机预估d、q轴注入高频信号，发送到Park逆变换模块及第二Park变换模块。

所述Park逆变换模块用于将d、q轴电压转换为α轴电压、β轴电压，并发送至脉宽调制模块。

所述脉宽调制模块为空间矢量脉宽调制，用于根据α、β轴电压、母线电压计算得到电压脉冲，并发送至逆变器。

一种基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统的位置提取方法，包括以下步骤：在预估d、q轴上注入高频信号，引起系统的电流电压响应，实时采集电机三相电流I_a、I_b、I_c；对电机abc三相电流进行Clark变换，得到α、β轴电流i_α、i_β；实时采集电机三相电压U_a、U_b、U_c；对电机abc三相电压进行Clark变换，得到α、β轴电压u_α、u_β；对α、β轴电流进行Park变换，得到d、q轴估计电流

通过低通滤波器得到d、q基波电流i_{d_f}、i_{q_f}；通过倍角坐标系分析计算模块求取倍角坐标系γ、δ轴高频响应电流i_γh、i_δh及α、β轴高频响应电流i_αh、i_βh；并通过响应电流分析模块进一步求得包含转子位置信息的混合信号i_num、i_den及i'_num、i'_den；对

轴高频注入电压经Park变换，得到d、q轴实际高频电压u_dh、u_qh；结合i_num、i_den及i'_num、i'_den，通过转子位置提取模块进一步求取转子位置正余弦信号sinθ_e、cosθ_e，最后通过速度/角度计算模块得到预估转子转速

角度

及角度误差Δθ_e，计算给定电机转速n*与所述预估电机转速

的误差，并对转速误差进行PI调节，得到q轴给定电流i_q*；计算d、q轴给定电流与估计d、q轴电流误差，并对电流误差进行PI调节，得到d、q轴电压估计值

与

轴高频注入电压叠加得到d、q轴计算电压u_d*、u_q*；对d、q轴计算电压进行Park逆变换，得到α、β轴电压u_α、u_β；根据αβ轴电压、母线电压，对逆变器进行SVPWM调制(空间矢量脉宽调制)，并通过逆变器控制电机。所示倍角坐标系信号分析模块，包括倍角坐标系分析计算模块、响应电流分析模块、转子位置提取模块。

如图2所示为倍角参考坐标系示意图。

对倍角参考坐标系的定义说明如下：

为方便分析，通过将α和β轴逆时针旋转2θ_e来建立新的测量旋转坐标系，记为γ、δ坐标系，其中γ轴超前同步旋转坐标轴d轴θ_e度，δ轴超前同步旋转坐标轴q轴θ_e度。

假设α、β轴高频响应电流为i_αh、i_βh，γ、δ轴高频响应电流为i_γh、i_δh，则两者关系可以表示为式(1)：

式中，θ_e为磁极位置电角度，即同步旋转坐标d、q轴与静止坐标轴α、β轴之间的角度。

如图3所示为倍角坐标系分析模块结构框图。

图中，i_γh、i_δh为所求倍角坐标系高频响应电流，i_α、i_β为三相电流经Clark变换后的α、β轴电流，u_α、u_β为三相电压经Clark变换后的α、β轴电压，经带通滤波器后得到α、β轴高频响应电流和电压i_αh、i_βh和u_αh、u_βh。对u_αh、u_βh积分后进行适当变换，同时结合i_αh、i_βh可得到倍角坐标系高频响应电流信号i_γh、i_δh。具体原理如下：

假设系统在预估

轴上注入高频电压信号，如式(2):

式中，

分别为系统在估计d、q轴注入的旋转高频电压信号，V_inj为注入高频电压信号幅值，ω_h为注入高频电压信号频率，t为系统时间；

注入的高频电压信号与经过d、q轴电流PI模块的d、q轴电压相叠加，经过Park逆变换以及SVPWM调制，并通过逆变器控制电机；

通过电机电压电流采集模块得到三相电压和电流，并进行Clark变换，得到α、β轴电压和电流，对所述α、β轴电压和电流通过带通滤波器滤波得到高频电压信号u_αh、u_βh和高频电流信号i_αh、i_βh；

计算永磁同步电机定子电压的基本方程，如式(3)表示：

式中，u_α、u_β为α、β轴定子电压，i_α、i_β为α、β轴定子电流，R_s为定子绕组电阻，ω_e为电机电角速度，λ_f为转子励磁磁链，L_s为电感矩阵，如式(4)表示：

式中，

表示均值电感；

表示差值电感；L_d、L_q分别为d、q轴定子等效电感。

计算理想低速系统下的注入高频电压信号在α、β轴产生的电压如式(5)所示：

其中：u_αh、u_βh分别为注入高频电压信号在α、β轴产生的电压响应信号；

对上式进行积分和微分变换并展开，可得到等式(6)：

进一步的，可以通过对高频电压积分，结合高频电流计算来提取高频注入电压在倍角坐标系下的高频电流响应i_γh、i_δh，如式(7)：

如图4所示为响应电流分析模块结构框图。

图中，i_num、i_den分别为计算转子位置角度正切值的分子及分母部分，i'_num、i'_den分别为等价的计算转子位置角度正切值的分子及分母部分，且均由i_αh、i_βh及i_γh、i_δh进行简单计算得出，具体计算原理如下：

对于旋转高频电压注入引起的α、β轴高频响应电流i_αh、i_βh，会在γ、δ轴得到高频响应电流i_γh、i_δh。将i_γh、i_δh进行Park逆变换，得到同步旋转d、q轴响应电流，同时将i_αh、i_βh进行Park变化，也得到同步旋转d、q轴响应电流。理想情况下，变换后的电流相等，记为式(8)：

将上式展开，可得到以下方程：

两边同时除以cosθ_e，可得到以下方程：

因此角度θ_e的正切值可以由下式得到：

或

可知，通过结合倍角参考坐标系，求取相应倍角坐标系响应电流，可以实现对转子位置角进行提取。

进一步的，对计算转子位置正切值的分子分母进行分析计算，得到下列表达式：

式中，

为估计角度，

为实际角度与估计角度的误差；

分析分子分母信号组成形式及波形，发现电流信号中含有基波、高频信号波，且为乘积形式表示。因此在实际信号中，通过将i_num、i_den及i'_num、i'_den送入转子位置提取模块，结合Park变换后的实际d、q轴高频电压u_dh、u_qh即可求取转子位置角度的正余弦信息。

如图5所示为转子位置提取模块整体结构框图。

图中，对i_num、i_den及i'_num、i'_den进行分析，并进一步去除幅值系数后，重新记为i_num1、i_den1及i'_num1、i'_den1，则可由下式表示：

同时，对注入高频电压信号进行Park变换，可以得到同步旋转d、q轴系下的高频电压：

其中，u_dh、u_qh分别为同步旋转d、q轴系下的高频响应电压，T(Δθ_e)为坐标系间旋转矩阵，

同样对其进一步去除幅值系数后，重新记为u_dh1、u_qh1，则可由下式表示：

根据简单三角函数数学关系进行角度正余弦信号提取，方法为：

最后将转子角度正余弦信号经过速度/角度计算模块获得预估转子转速

角度

及角度误差Δθ_e，并发送到转速误差模块以及Park变换及逆变换模块。以上所述均为本发明的较佳实案例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统，其特征在于，包括：电源电路、整流器、逆变器、永磁同步电机、电机负载模块、电机电流采集模块、电机电压采集模块、第一Clark变换模块、第二Clark变换模块、第一Park变换模块、第二Park变换模块、倍角坐标系分析计算模块、响应电流信号分析模块、转子位置提取模块、速度/角度计算模块、转速误差模块、转速PI模块、d轴电流误差模块、d轴电流PI模块、q轴电流误差模块、q轴电流PI模块、高频信号注入模块、Park逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块和低通滤波器模块；其中：所述电源电路、整流器、逆变器、永磁同步电机和电机负载模块顺序连接，所述d轴电流误差模块、d轴电流PI模块、Park逆变换模块和空间矢量脉宽调制模块顺序连接，所述转速误差模块、转速PI模块、q轴电流误差模块、q轴电流PI模块和Park逆变换模块顺序连接，所述电机电流采集模块、第一Clark变换模块、第一Park变换模块、低通滤波器模块和q轴电流误差模块顺序连接，所述电机电压采集模块、第二Clark变换模块、倍角坐标系分析计算模块、响应电流信号分析模块和转子位置提取模块顺序连接，所述第二Park变换模块、转子位置提取模块、速度/角度计算模块顺序连接，所述速度/角度计算模块分别与转速误差模块、Park逆变换模块、第一Park变换模块、第二Park变换模块连接，所述高频信号分别与Park逆变换模块、第二Park变换模块连接；

所述电源电路为单相交流电源，用于为整流器提供单相交流电；

所述整流器为单相不控整流器，用于将单相输入交流电整流为直流电，并向逆变器供电；

所述逆变器为三相电压源型逆变器，用于接收空间矢量脉宽调制模块的电压脉冲，并根据电压脉冲控制永磁同步电机；

所述电机负载模块为外部负载，用于永磁同步电机加载/卸载；

所述电机电流采集模块用于采集永磁同步电机三相电流，并发送至第一Clark变换模块；

所述电机电压采集模块用于采集永磁同步电机三相电压，并发送至第二Clark变换模块；

所述第一Clark变换模块和第二Clark变换模块用于将永磁同步电机三相电流转换为α、β轴电流，电机三相电压转换为α、β轴电压，并发送至第一Park变换模块和倍角坐标系分析计算模块；

所述第一Park变换模块和第二Park变换模块用于将α、β轴电流转换为d轴估计电流、q轴估计电流并发送至低通滤波器模块，将

轴高频注入电压转换为d轴实际高频电压、q轴实际高频电压并发送至转子位置提取模块；

所述低通滤波器模块用于将d轴估计电流、q轴估计电流滤除高频电流成分，得到d轴基波电流、q轴基波电流，并发送至d轴电流误差模块、q轴电流误差模块；

所述倍角坐标系分析计算模块用于将α、β轴电流和电压进行分析计算，得到倍角坐标系γ、δ轴高频响应电流及α、β轴高频响应电流，并发送至响应电流信号分析模块；

所述响应电流信号分析模块用于将γ、δ轴高频响应电流与α、β轴高频响应电流进行分析与计算，得到包含转子位置信息的混合信号，并发送至转子位置提取模块；

所述转子位置提取模块用于将包含转子位置信息的混合信号处理后得到转子位置正余弦信号，并发送至速度/角度计算模块；

所述速度/角度计算模块用于将转子位置正余弦信息通过相应计算，得到预估转子转速、角度及角度误差信息，并发送至转速误差模块、Park逆变换模块、第一Park变换模块和第二Park变换模块；

所述转速误差模块用于将给定转速与所述速度/角度计算模块计算得到的预估转速对比，得到转速误差，并将其发送至转速PI模块；

所述转速PI模块用于将转速误差进行PI调节，得到q轴给定电流，并发送至q轴电流误差模块；

所述d轴电流误差模块用于将d轴给定电流与d轴基波电流对比，得到d轴电流误差，并将其发送至d轴电流PI模块；

所述q轴电流误差模块用于将q轴给定电流与q轴基波电流对比，得到q轴电流误差，并将其发送至q轴电流PI模块；

所述d轴电流PI模块用于将d轴电流误差进行PI调节，得到d轴估计电压，并发送至电压Park逆变换模块；

所述q轴电流PI模块用于将q轴电流误差进行PI调节，得到q轴估计电压，并发送至电压Park逆变换模块；

所述高频信号注入模块用于给电机预估d、q轴注入高频信号，发送到Park逆变换模块及第二Park变换模块；

所述Park逆变换模块用于将d、q轴电压转换为α轴电压、β轴电压，并发送至空间矢量脉宽调制模块；

所述空间矢量脉宽调制模块用于根据α、β轴电压、母线电压计算得到电压脉冲，并发送至逆变器。

2.根据权利要求1所述的基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统的位置提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)实时采集单相交流输入电压、直流母线电压幅值及相位，实时采集永磁同步电机三相电流及三相电压，并利用信号提取方法来提取转子位置；

(2)对所述的永磁同步电机abc三相电流和电压进行Clark变换，得到α、β轴电流和电压，对所述α、β轴电流进行Park变换，得到d、q轴估计电流，对所述

轴高频注入电压进行Park变换，得到d、q轴实际高频电压；

(3)对所述的α、β轴电流和电压按照倍角坐标系信号分析方法进行计算，得到倍角坐标系γ、δ轴高频响应电流及α、β轴高频响应电流；

(4)对所述的γ、δ轴高频响应电流与α、β轴高频响应电流按照响应电流信号分析方法进行计算，得到包含转子位置信息的混合信号；

(5)对所述的包含转子位置信息的混合信号按照转子位置提取原理进行转子位置提取，得到转子位置角正余弦信号，通过相应计算获得预估转速；

(6)计算给定电机转速与所述预估转速的误差，并对转速误差进行PI调节；得到q轴给定电流；

(7)计算d、q轴给定电流与d、q轴基波电流误差，并对电流误差进行PI调节，得到d、q轴电压估计值；

(8)给电机预估d、q轴注入高频信号，与d、q轴电压估计值叠加进行Park逆变换，得到α、β轴电压；

(9)根据α、β轴电压、母线电压，对逆变器进行SVPWM调制，并通过逆变器控制电机。

3.根据权利要求2所述的基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统的位置提取方法，其特征在于，步骤(1)所述信号提取的方法包含如下步骤：

三相电流通过第一Clark变换模块得到α轴实际电流、β轴实际电流，三相电压通过第二Clark变换模块得到α轴实际电压、β轴实际电压，通过倍角坐标系分析计算模块求取倍角坐标系γ、δ轴高频响应电流及α、β轴高频响应电流，并通过响应电流信号分析模块进一步求得包含转子位置信息的混合信号，再通过转子位置提取模块求出转子位置信息角的正余弦信号，进一步通过速度/角度计算模块获得预估转子转速、角度及角度误差信息。

4.根据权利要求2所述的基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统的位置提取方法，其特征在于，步骤(3)所述倍角坐标系定义如下：

通过将α和β轴逆时针旋转2θ_e来建立新的测量旋转坐标系，记为γ、δ坐标系，其中γ轴超前同步旋转坐标轴d轴θ_e度，δ轴超前同步旋转坐标轴q轴θ_e度；

假设α、β轴高频响应电流为i_αh、i_βh，γ、δ轴高频响应电流为i_γh、i_δh，则两者关系表示为式(1)：

式中，θ_e为磁极位置电角度，即同步旋转坐标d、q轴与静止坐标轴α、β轴之间的角度。

5.根据权利要求4所述的基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统的位置提取方法，其特征在于，步骤(3)所述倍角坐标系分析方法过程如下：

假设系统在预估

轴上注入高频电压信号，如式(2):

式中，

分别为系统在估计d、q轴注入的旋转高频电压信号，V_inj为注入高频电压信号幅值，ω_h为注入高频电压信号频率，t为系统时间；

注入的高频电压信号与经过d、q轴电流PI模块的d、q轴电压相叠加，经过Park逆变换以及SVPWM调制，并通过逆变器控制电机；

通过电机电压电流采集模块得到三相电压和电流，并进行Clark变换，得到α、β轴电压和电流，对所述α、β轴电压和电流通过带通滤波器滤波得到高频电压信号u_αh、u_βh和高频电流信号i_αh、i_βh；

计算永磁同步电机定子电压的基本方程，如式(3)表示：

式中，u_α、u_β为α、β轴定子电压，i_α、i_β为α、β轴定子电流，R_s为定子绕组电阻，ω_e为电机电角速度，λ_f为转子励磁磁链，L_s为电感矩阵，如式(4)表示：

式中，

表示均值电感；

表示差值电感；L_d、L_q分别为d、q轴定子等效电感；

计算理想低速系统下的注入高频电压信号在α、β轴产生的电压如式(5)所示：

对上式进行积分和微分变换并展开，得到等式(6)：

进一步的，通过对高频电压积分，结合高频电流计算来提取高频注入电压在倍角坐标系下的高频电流响应i_γh、i_δh，如式(7)：

6.根据权利要求5所述的基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统的位置提取方法，其特征在于，步骤(4)所述响应电流分析方法过程如下：

将i_γh、i_δh进行Park逆变换，得到同步旋转d、q轴响应电流，同时将i_αh、i_βh进行Park变化，也得到同步旋转d、q轴响应电流；理想情况下，变换后的电流相等，记为式(8)：

将上式展开，得到以下方程：

两边同时除以cosθ_e，得到以下方程：

因此角度θ_e的正切值由下式得到：

或

其中：i_num、i_den代表求取第一种转子正切值的分子与分母，i'_num、i'_den代表求取第二种转子正切值的分子与分母；

通过结合倍角参考坐标系，求取相应倍角坐标系响应电流，实现对转子位置角进行提取；

进一步的，对计算转子位置正切值的分子分母进行分析计算，得到下列表达式：

式中，

为预估角度与实际角度的误差；

分析分子分母信号组成形式及波形，发现电流信号中含有基波、高频信号波，且为乘积形式表示；在实际信号中，通过将i_num、i_den及i'_num、i'_den送入转子位置提取模块，结合Park变换后的实际d、q轴高频电压u_dh、u_qh即求取转子位置角度的正余弦信息。

7.根据权利要求6所述的基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统的位置提取方法，其特征在于，步骤(5)所述转子位置提取过程如下：

对i_num、i_den及i'_num、i'_den进行分析，并进一步去除幅值系数后，重新记为i_num1、i_den1及i'_num1、i'_den1，则由下式表示：

同时，对注入高频电压信号进行Park变换，得到同步旋转d、q轴系下的高频电压：

其中，u_dh、u_qh分别为同步旋转d、q轴系下的高频响应电压，T(Δθ_e)为坐标系间旋转矩阵，

同样对其进一步去除幅值系数后，重新记为u_dh1、u_qh1，则由下式表示：

根据简单三角函数数学关系进行角度正余弦信号提取，方法为：

最后将转子角度正余弦信号经过速度/角度计算模块获得预估转子转速

角度

及角度误差Δθ_e，并发送到转速误差模块、第一Park变换模块和Park逆变换模块。

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