CN112511059A - 一种永磁同步电机高精度位置估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机控制技术领域，提供一种永磁同步电机高精度位置估算方法，该方法包括：采集永磁同步电机的霍尔位置传感器信号，利用平均速度法估算转子位置θ_h和平均转速ω_h；计算永磁同步电机在两相旋转坐标系下的定子电压和电流，将其输入到模型参考自适应观测器中，通过速度自适应规律估算电机转速

和观测器估计位置

再结合霍尔位置传感器估算的转子位置θ_h对观测器转子角度

进行校正得到转子位置

将霍尔位置传感器得到的ω_h和观测器估算转速

信息融合，得到最终估算的电机转速ω_e，并计算出最终的转子位置θ。本发明解决因霍尔位置传感器的离散特性和安装误差导致的转子位置精度不高和转速估算不准的问题，提高永磁同步电机矢量控制系统的控制性能与可靠性。

Description

一种永磁同步电机高精度位置估算方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机高精度位置估算方法。

背景技术

永磁同步电动机因具有高效率、高转矩电流比、高功率密度、可靠性等优点，已在航空航天、汽车、工业制造等领域得到了广泛应用。在永磁同步电机矢量控制系统中，需要准确定位转子位置和转速以实现高性能控制，若转子位置估计误差过大，则导致电机运转脉动大、甚至不能顺利起动。

在永磁同步电机有传感器控制中，常常利用旋转变压器或光电编码器进行转子位置估计，这种传感器能达到很好的转子位置估计精度，但成本高、体积较大，在一些场合无法应用。而开关型霍尔传感器具有成本较低、体积小等优点，在方波驱动的无刷直流电机控制系统中得到了广泛应用。开关型霍尔位置传感器在一个电周期内只能提供六个准确位置信息，无法实现正弦波永磁同步电机转子位置的精确定位。同时，由于开关型霍尔位置安装工艺限制，因而分辨率不是理想的60°电角度，使估算误差增大。因此需要从离散的转子位置信息中，通过一些信号处理或误差修正技术来提高位置估计的分辨率。

目前，降低霍尔离散信号量化误差的方法主要有插值法、同步坐标系滤波器法和无位置传感器技术。其中插值法和滤波器法作为非模型法具有算法简单易于实现的优点，但估算结果噪声含量较高且滞后明显。而无位置传感器技术大多都是基于电机基波模型，在电机静止或低速的情况下，仍然会存在因感应电动势过小而导致低速运行不稳定等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种永磁同步电机高精度位置估算方法，采用了低分辨率信号与无位置传感器技术相结合的方式，旨在解决因霍尔位置传感器的离散特性和安装误差导致转子位置精度不高和转速估算不准的问题，提高永磁同步电机矢量控制系统控制性能与可靠性。

一种永磁同步电机高精度位置估算方法，所述方法包括如下步骤：

(1)信号采集：在电机转子周围安装三个开关型霍尔位置传感器，将转子旋转一周平均分为六个霍尔扇区，每个霍尔扇区为π/3，获取三路霍尔位置传感器信号，并采集电机运行的三相电流和电压；

(2)估算转子位置：根据霍尔位置传感器信号，利用平均速度法估算转子位置θ_h和平均转速ω_h；

(3)计算转子观测位置：将采集到的电机三相电流和电压通过坐标变换得到两相旋转坐标系下的定子电压和电流，将其输入到模型参考自适应观测器中，通过自适应规律估算电机转速

并计算转子观测位置

(4)转子位置校正：采用霍尔位置传感器得到的转子位置θ_h对转子观测角度

进行校正得到转子位置

其校正方法为，

其中θ_s为当前霍尔位置传感器扇区的初始角度；

(5)计算最终电机转速和位置：将霍尔位置传感器得到的ω_h和观测器估算转速

进行信息融合得到估算电机转速ω_e，并计算出转子位置θ，其计算方法为，

其中α为融合权重，

ΔT为系统采样时间，θ(k-1)为上次系统计算时的转子位置，电机启动时，对电机转子初始位置进行检测得到θ(0)。

进一步的，所述的模型参考自适应观测器为，

其中

是在两相旋转坐标系下的电机定子观测电流分量，V_d、V_q是在两相旋转坐标系下的电机定子电压分量，R_s为电机线电阻，L为电感；

其自适应规律为，

其中K_p，K_i分别为比例因子和积分因子，K_p＞0，K_i＞0，s为积分算子， i_d、i_q分别为在两相旋转坐标轴电机定子的反馈电流分量，ψ_f为永磁体磁链；

其转子观测位置计算方法为，

其中t为电机运行时间。

进一步的，所述电机转子初始位置检测方法为，初始电机转子定位于扇区中点位置，在初始扇区采用方波电流驱动方式，进入新的扇区后，进行霍尔位置传感器和模型参考自适应观测器的转速和位置估计。

进一步的，步骤(3)中所述的模型参考自适应观测器的速度辨识模型的建立方法如下，

将所述永磁同步电机在两相旋转坐标系下的定子电流方程，根据待估计参数电机转速进行处理，得到状态矩阵中的定子电流的数学模型，并确定为所述模型参考自适应法中的可调模型；

将所述永磁同步电机的电流估计值输入所述定子电流的数学模型，得到与所述永磁同步电机对应的模型参考自适应法中的参考模型；

将所述可调模型与所述参考模型的输出量之间的差值，确定为所述模型参考自适应法的自适应率。

进一步的，步骤(3)中所述的模型参考自适应观测器的自适应规律计算方法为，当所述电机速度辨识模型中包括所述待估计参数电机转速的非线性时变反馈环节满足Popov积分不等式，且电机速度辨识模型中构成的传递矩阵为严格正定矩阵时，对所述Popov积分不等式进行逆向求解，得到所述自适应规律。

与现有技术相比，本发明可解决因霍尔位置传感器的离散特性和安装误差导致转子位置精度不高和转速估算不准的问题，提高永磁同步电机矢量控制系统控制性能与可靠性。

附图说明

图1是本发明的一种永磁同步电机高精度位置估算方法流程图；

图2本发明的霍尔位置传感器安装示意图；

图3是本发明的霍尔位置传感器输出波形示意图；

图4是本发明的模型参考自适应控制的基本结构框架图；

图5是本发明的模型参考自适应控制运算框架图；

图6是本发明的电机转子初始位置定位示意图；

图7是本发明的基于霍尔位置传感器的矢量控制框架图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面结合附图进一步说明本发明。

实施例1

如图1所示，一种永磁同步电机高精度位置估算方法包括如下步骤，

(1)信号采集：霍尔位置传感器安装在永磁同步电机定子上，安装位置如图 2；将转子旋转一周平均分为六个霍尔扇区，获取三路霍尔信号，霍尔位置传感器输出波形如图3；暂不考虑安装偏差问题，则每个霍尔扇区为

并采集电机运行的三相电流和电压；

(2)估算转子位置：假设当前扇区和前扇区平均转速一致，构建平均速度法，得到霍尔估计转速ω_h和霍尔估计位置θ_h，计算公式为，

其中Δt为转子经过单个扇区的时间间隔，θ_h(k-1)为上一时刻霍尔估计位置，ΔT_s是采样周期，设θ_s为当前扇区测量的起始位置，θ_h应满足θ_s≤θ_h≤θ_s+(π/3)；

(3)计算转子观测位置：将采集到的电机三相电流和电压通过坐标变换得到两相旋转坐标系下的定子电压和电流，将其输入到模型参考自适应观测器的速度辨识模型中，通过自适应规律估算电机转速

并计算转子观测位置

其中模型参考自适应观测器的基本结构框架图如图4，模型参考自适应控制运算框架图模型如图5，其模型参考自适应观测器模型为，

其中

是在两相旋转坐标系下的电机定子观测电流分量，V_d、 V_q是在两相旋转坐标系下的电机定子电压分量，R_s为电机线电阻，L为电感；

其自适应规律为，

其中K_p，K_i分别为比例因子和积分因子，K_p＞0，K_i＞0，s为积分算子，i_d、i_q分别为在两相旋转坐标轴电机定子的反馈电流分量，ψ_f为永磁体磁链；

其转子观测位置计算方法为，

其中t为电机运行时间；

(4)转子位置校正：采用霍尔位置传感器得到的转子位置θ_h对转子观测角度

进行校正得到转子位置

其校正方法为，

其中θ_s为当前霍尔位置传感器扇区的初始角度。

(5)计算最终电机转速和位置：将霍尔位置传感器得到的ω_h和观测器估算转速

进行信息融合得到估算电机转速ω_e，并计算出转子位置θ，其计算方法为，

其中α为融合权重，

ΔT为系统采样时间，θ(k-1)为上次系统计算时的转子位置，当电机启动时，应对电机转子初始位置进行检测得到θ(0)。

进一步的，所述的电机转子初始位置检测方法为，

如图6所示，初始电机转子初始位置定位于扇区中点位置，在初始扇区采用方波电流驱动方式，直到进入新的扇区后，即可进行霍尔位置传感器和模型参考自适应观测器的转速和位置估计。

进一步的，步骤(3)中所述的模型参考自适应观测器的建立方法如下，在旋转两相坐标系下，永磁同步电机电压方程表示为，

对上式中的控制量和状态量做相应变化，

其中i_d、i_q为定子d-q轴电流，V_d、V_q为定子d-q轴电压，R_s、L_s为定子电阻和电感，ω_e为转子角速度，ψ_f为永磁体磁链。

令

i_q ^*＝i_q，

V_q ^*＝V_q，参考模型可写为，

可简写为：

其中

同理，并联可调模型为，

可简写为，

其中

定义广义误差：

根据(3),(5)可得所述模型参考自适应法的自适应率,

其中

将(8)简写为，

其中

进一步的，步骤(3)中所述的模型参考自适应观测器的自适应规律计算方法为，根据Popov超稳定性理论可知，若使该系统稳定，必须满足：传递矩阵

为严格正定矩阵；

γ₀为任一有限正数。此时，则有

即型参考自适应观测器是渐近稳定的。

对Popov积分不等式进行逆向求解就可以得到自适应率，其结果为，

将上式改写为如下表达式，

其中

化简得自适应规律为，

最后将转子位置θ输出到坐标变换模块，形成位置闭环，将估算电机转速

和给定速度比较，形成速度闭环，矢量控制框架如图7。

本发明可解决因霍尔位置传感器的离散特性和安装误差导致转子位置精度不高和转速估算不准的问题，提高永磁同步电机矢量控制系统控制性能与可靠性。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机高精度位置估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)信号采集：在电机转子周围安装三个开关型霍尔位置传感器，将转子旋转一周平均分为六个霍尔扇区，每个霍尔扇区为π/3，获取三路霍尔位置传感器信号，并采集电机运行的三相电流和电压；

(2)估算转子位置：根据霍尔位置传感器信号，利用平均速度法估算转子位置θ_h和平均转速ω_h；

(3)计算转子观测位置：将采集到的电机三相电流和电压通过坐标变换得到两相旋转坐标系下的定子电压和电流，将其输入到模型参考自适应观测器中，通过自适应规律估算电机转速

并计算转子观测位置

(4)转子位置校正：采用霍尔位置传感器得到的转子位置θ_h对转子观测角度

进行校正得到转子位置

其校正方法为，

其中θ_s为当前霍尔位置传感器扇区的初始角度；

(5)计算最终电机转速和位置：将霍尔位置传感器得到的ω_h和观测器估算转速

进行信息融合得到估算电机转速ω_e，并计算出转子位置θ，其计算方法为，

其中α为融合权重，

ΔT为系统采样时间，θ(k-1)为上次系统计算时的转子位置，电机启动时，对电机转子初始位置进行检测得到θ(0)。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机高精度位置估算方法，其特征在于，所述的模型参考自适应观测器为，

其中

是在两相旋转坐标系下的电机定子观测电流分量，V_d、V_q是在两相旋转坐标系下的电机定子电压分量，R_s为电机线电阻，L为电感；

其自适应规律为，

其中K_p，K_i分别为比例因子和积分因子，K_p＞0，K_i＞0，s为积分算子，i_d、i_q分别为在两相旋转坐标轴电机定子的反馈电流分量，ψ_f为永磁体磁链；

其转子观测位置计算方法为，

其中t为电机运行时间。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机高精度位置估算方法，其特征在于，所述电机转子初始位置检测方法为：

初始电机转子定位于扇区中点位置，在初始扇区采用方波电流驱动方式，进入新的扇区后，进行霍尔位置传感器和模型参考自适应观测器的转速和位置估计。

4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机高精度位置估算方法，其特征在于，步骤(3)中所述的模型参考自适应观测器的速度辨识模型的建立方法如下，

将所述永磁同步电机在两相旋转坐标系下的定子电流方程，根据待估计参数电机转速进行处理，得到状态矩阵中的定子电流的数学模型，并确定为所述模型参考自适应法中的可调模型；

将所述永磁同步电机的电流估计值输入所述定子电流的数学模型，得到与所述永磁同步电机对应的模型参考自适应法中的参考模型；

将所述可调模型与所述参考模型的输出量之间的差值，确定为所述模型参考自适应法的自适应率。

5.根据权利要求4所述的一种永磁同步电机高精度位置估算方法，其特征在于，步骤(3)中所述的模型参考自适应观测器的自适应规律计算方法为，

当所述电机速度辨识模型中包括所述待估计参数电机转速的非线性时变反馈环节满足Popov积分不等式，且电机速度辨识模型中构成的传递矩阵为严格正定矩阵时，对所述Popov积分不等式进行逆向求解，得到所述自适应规律。

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