CN112087175B - 一种永磁同步电机速度辨识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机速度辨识方法,用于电机转速和位置获取，属于电机控制领域,为了解决有位置传感器速度辨识方法传感器安装困难和无位置传感器速度辨识方法辨识结果对环境敏感等问题，本发明提出一种基于电机振动检测的速度辨识方法,本发明在电机定子侧建立了虚拟旋转dq坐标轴，并在其d轴上注入电压信号，使电机在运行时产生振动，并利用带通滤波器和低通滤波器对由振动传感器获取的电机振动信号进行处理，通过转速观测器从处理后的信号中辨识转速和转子位置信息。本发明方法所用传感器安装简便，易于维修。另外，本发明方法具有速度和位置辨识算法简单，在线辨识结果精度高，对电机参数变化敏感性低，适用范围广等优势。

Description

一种永磁同步电机速度辨识方法
技术领域
本发明涉及一种辨识方法领域，具体的是一种永磁同步电机速度辨识方法。
背景技术
在电机高精度控制中，转子速度的获取是十分重要的一个环节。目前用于电机速度辨识的方法主要可以分为两大类：有位置传感器检测法和无位置传感器检测法。有位置检测法将机械传感器(编码器、霍尔传感器)安装在电机转子轴上或者电机的内部来获取转子的位置和速度信息。这种方法对机械传感器的维修困难且安装机械传感器需要占用一定的电机内部空间。
无位置传感器检测法通过在电机的定子侧注入高频电压/电流信号，检测电机定子侧的高频电流/电压响应，然后结合电机的凸极效应从高频电流响应中获取转子的位置和速度信息。当电机电磁参数随外界工作环境(温度，电磁干扰)变化会严重影响这一类方法对转子位置和速度的估计结果。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种永磁同步电机速度辨识方法，本发明所用传感器安装简便，对电机的电磁参数变化不敏感，在线辨识结果精确，并且在工程中具有可行性和实用性。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种永磁同步电机速度辨识方法，包括如下步骤：
步骤1，在电机定子绕组侧建立虚拟旋转的dq轴坐标系，电机在线运行时，在虚拟旋转dq轴坐标系的d轴上注入电压信号ui，如下式所示：
ui＝Ui cos(ωit)
其中，Ui为注入电压信号的幅值，ωi为注入电压信号的频率；电机在线运行时，在此注入电压信号ui的作用下电机产生振动；
所述虚拟旋转的dq轴坐标系的初始位置与电机绕组侧A相绕组轴线重合，其旋转角速度为ωv，ωv的值大于电机的额定角速度ωre，且ωv取ωre的3倍以上；
步骤2，通过安装在电机表面的振动传感器，检测电机在线运行时由注入电压信号产生的电机表面的振动信号Vs，并利用带通滤波器对振动信号进行滤波处理，滤除与注入电压不同频的振动信号分量Vd，保持与注入电压信号同频的振动信号分量Vi，Vi具体表示为：
Vi＝Vm cos(ωit)sin(ωvt-ωrt)
其中，Vm为电机在注入信号下产生的振动信号的振幅，ωr为电机在线运行时的角速度；
步骤3，将与注入电压同频的振动信号Vi乘以cos(ωit)，然后利用低通滤波器将结果中含有cos(2ωit)项的高频信号分量滤除，留下含转速信息的信号分量Vspeed；
步骤4，利用转速观测器来从含有转速信息的信号分量Vspeed中获取转速值和转子位置。
进一步地，所述步骤1中电机产生的振动由注入电压信号ui产生的电磁转矩Ti产生，
Figure GDA0003250638140000021
其中，Km为与定子线圈分布相关的比例系数，N为电枢绕组匝数，Fs永磁体产生的磁动势，Rs为虚拟旋转dq坐标系的虚拟d轴电阻，其值等于电枢绕组的相电阻，
Figure GDA0003250638140000022
为ωvt-ωrt角度下虚拟旋转dq坐标系的虚拟d电感。
进一步地，所述步骤2中带通滤波器的传递函数为：
Figure GDA0003250638140000031
其中Gb为滤波器的通带增益，ωb为带通滤波器的中心频率，ξ为滤波器的阻尼系数。
进一步地，所述步骤3中将与注入电压信号同频的振动信号Vi乘以cos(ωit)得：
Figure GDA0003250638140000032
含有cos(2ωit)项的高频信号分量为：
Figure GDA0003250638140000033
含转速信息的信号分量Vspeed为：
Figure GDA0003250638140000034
进一步地，所述步骤3中低通滤波器的传递函数为：
Figure GDA0003250638140000035
其中，Glp为滤波器的通带增益，ωlp为低通滤波器的截止频率。
进一步地，所述步骤4中的转速观测器共包含2个部分：转子位置单闭环估计模块，基于电机运动模型的速度估计模块。
进一步地，所述步骤4中利用转速观测器来从含有转速信息的信号分量Vspeed中获取转速值和转子位置包括以下步骤：
步骤4.1，将转子位置单闭环估计模块的输出θ′r作正弦运算，得sin(θ′r)，然后将sin(θ′r)作为转子位置单闭环估计模块的反馈信号，与含转速信息的信号分量Vspeed作相减运算后，作为转子位置单闭环估计模块的输入，输入信号经比例-积分控制器运算后作为转子位置估计值θ′r输出；
步骤4.2，转子位置单闭环估计模块输出的转子位置估计值θ′r作为基于电机运动模型的速度估计模块的输入，转速估计模块对输入信号进行求导运算后作为转子角速度估计值ω′r输出，即：
Figure GDA0003250638140000041
本发明的有益效果：
本发明算法简单，所用的振动传感器安装、维修简便；转速和转子位置在线辨识精度高；可以适用于不同转子类型的永磁同步电机的转速和转子位置在线辨识；转速和转子位置检测精度不依赖于电机参数，在恶劣的工作环境下，仍然可以高精度辨识转速和转子位置信息。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明速度辨识原理图；
图2是本发明系统框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种永磁同步电机速度辨识方法，包括如下步骤：
步骤1，如图1所示，在电机定子绕组侧建立虚拟旋转dq轴坐标系。当电机运行时，在虚拟旋转dq轴坐标系的d轴上注入高频电压信号ui，如下式所示：
ui＝Ui cos(ωit)
其中，Ui为注入高频电压信号的幅值，ωi为高频电压信号的交变频率，虚拟旋转dq坐标系旋转速度为ωv。电机运行时，在此注入的高频电压信号ui的作用下电机产生振动；
进一步，虚拟旋转dq坐标系的初始位置与定子A相绕组轴线重合，其旋转角速度为ωv，ωv的值大于电机的额定角速度ωre，一般取3倍ωre以上，注入的余弦交变电压信号的幅值Ui为0.5V，频率ωi为2000Hz。
进一步，电机产生的振动由注入的高频电压信号ui所产生的电磁转矩Ti产生，Ti可表示为：
Figure GDA0003250638140000051
其中，Km为与定子线圈分布相关的比例系数，N为电枢绕组匝数，Fs永磁体产生的磁动势，Rs为虚拟旋转dq坐标系的虚拟d轴电阻，其值等于电枢绕组的相电阻，
Figure GDA0003250638140000052
为ωvt-ωrt角度下虚拟旋转dq坐标系的虚拟d电感。
步骤2，如图2所示，通过安装在电机表面或者电机基座上的振动传感器，检测在电机运行时由注入电压信号产生的电机表面的振动信号Vs，并利用带通滤波器对振动信号进行滤波处理，滤除与注入电压信号不同频的振动信号分量Vd，保持与注入电压信号同频的振动信号分量Vi。
进一步，注入电压信号同频的振动信号Vi可以近似表示为：
Vi＝Vm cos(ωit)sin(ωvt-ωrt)
其中，Vm为电机在注入电压信号下产生的振动信号的振幅，ωr为电机在线运行时的角速度。
进一步，带通滤波器传递函数为：
Figure GDA0003250638140000061
其中Gb为滤波器的通带增益，ωb为带通滤波器的中心频率，ξ为滤波器的阻尼系数。
步骤3，将与注入电压信号同频的振动信号Vi乘以cos(ωit)，得：
Figure GDA0003250638140000062
然后利用低通通滤波器将结果中含有cos(2ωit)项的高频信号分量滤除，留下仅含转速信息的信号分量Vspeed，即：
Figure GDA0003250638140000063
进一步，所述步骤3中所述的低通滤波器的传递函数为：
Figure GDA0003250638140000064
其中，Glp为滤波器的通带增益，ωlp为低通滤波器的截止频率。
进一步，所述步骤3中所述的低通滤波器的高频截止频率为ωlp＝1.2ωi。
步骤4，利用转速观测器来从含有转速信息的信号分量Vspeed中获取转速值和转子位置，转速观测器共包含2个部分：转子位置单闭环估计模块，基于电机运动模型的速度估计模块。
步骤4.1，将转子位置单闭环估计模块的输出VPI作正弦运算，得sin(θ′r)，然后将sin(θ′r)作为转子位置单闭环估计模块的反馈信号，仅含转速信息的信号分量Vspeed作相减运算后，作为转子位置单闭环估计模块的输入，输入信号经比例-积分控制器运算后作为转子位置估计值θ′r输出。
步骤4.2，转子位置单闭环估计模块输出的转子位置估计值θ′r作为基于电机运动模型的速度估计模块的输入，转速估计模块对输入信号进行求导运算后作为转子角速度估计值ω′r输出。即：
Figure GDA0003250638140000071
同时，运用相同的辨识方法还可以用来进行永磁同步电机转速和转子位置的在线辨识。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机速度辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在电机定子绕组侧建立虚拟旋转的dq轴坐标系，电机在线运行时，在虚拟旋转dq轴坐标系的d轴上注入电压信号ui，如下式所示：
ui＝Uicos(ωit)
其中，Ui为注入电压信号的幅值，ωi为注入电压信号的频率；电机在线运行时，在此注入电压信号ui的作用下电机产生振动；
所述虚拟旋转的dq轴坐标系的初始位置与电机绕组侧A相绕组轴线重合，其旋转角速度为ωv，ωv的值大于电机的额定角速度ωre，且ωv取ωre的3倍以上；
步骤2，通过安装在电机表面的振动传感器，检测电机在线运行时由注入电压信号产生的电机表面的振动信号Vs，并利用带通滤波器对振动信号进行滤波处理，滤除与注入电压不同频的振动信号分量Vd，保持与注入电压信号同频的振动信号分量Vi，Vi具体表示为：
Vi＝Vmcos(ωit)sin(ωvt-ωrt)
其中，Vm为电机在注入信号下产生的振动信号的振幅，ωr为电机在线运行时的角速度；
步骤3，将与注入电压同频的振动信号Vi乘以cos(ωit)，然后利用低通滤波器将结果中含有cos(2ωit)项的高频信号分量滤除，留下含转速信息的信号分量Vspeed；
步骤4，利用转速观测器来从含有转速信息的信号分量Vspeed中获取转速值和转子位置。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机速度辨识方法，其特征在于，所述步骤1中电机产生的振动由注入电压信号ui产生的电磁转矩Ti产生，
Figure FDA0003250638130000021
其中，Km为与定子线圈分布相关的比例系数，N为电枢绕组匝数，Fs永磁体产生的磁动势，Rs为虚拟旋转dq坐标系的虚拟d轴电阻，其值等于电枢绕组的相电阻，
Figure FDA0003250638130000022
为ωvt-ωrt角度下虚拟旋转dq坐标系的虚拟d电感。
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机速度辨识方法，其特征在于，所述步骤2中带通滤波器的传递函数为：
Figure FDA0003250638130000023
其中Gb为滤波器的通带增益，ωb为带通滤波器的中心频率，ξ为滤波器的阻尼系数。
4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机速度辨识方法，其特征在于，所述步骤3中将与注入电压信号同频的振动信号Vi乘以cos(ωit)得：
Figure FDA0003250638130000024
含有cos(2ωit)项的高频信号分量为：
Figure FDA0003250638130000025
含转速信息的信号分量Vspeed为：
Figure FDA0003250638130000026
5.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机速度辨识方法，其特征在于，所述步骤3中低通滤波器的传递函数为：
Figure FDA0003250638130000027
其中，Glp为滤波器的通带增益，ωlp为低通滤波器的截止频率。
6.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机速度辨识方法，其特征在于，所述步骤4中的转速观测器共包含2个部分：转子位置单闭环估计模块，基于电机运动模型的速度估计模块。
7.根据权利要求6所述的一种永磁同步电机速度辨识方法，其特征在于，所述步骤4中利用转速观测器来从含有转速信息的信号分量Vspeed中获取转速值和转子位置包括以下步骤：
步骤4.1，将转子位置单闭环估计模块的输出θ′r作正弦运算，得sin(θ′r)，然后将sin(θ′r)作为转子位置单闭环估计模块的反馈信号，与含转速信息的信号分量Vspeed作相减运算后，作为转子位置单闭环估计模块的输入，输入信号经比例-积分控制器运算后作为转子位置估计值θ′r输出；
步骤4.2，转子位置单闭环估计模块输出的转子位置估计值θ′r作为基于电机运动模型的速度估计模块的输入，转速估计模块对输入信号进行求导运算后作为转子角速度估计值ω′r输出，即：
Figure FDA0003250638130000031
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