CN112671295B - 一种基于电机共模电流的转子初始位置检测方法及系统 - Google Patents

一种基于电机共模电流的转子初始位置检测方法及系统 Download PDF

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本发明公开了一种基于电机共模电流的转子初始位置检测方法及系统，检测方法包括：在电机静止时向电机A、B、C三相绕组交替施加固定占空比的零矢量电压脉冲信号；在一个PWM周期零矢量作用的固定时间间隔内利用过采样技术获取电流信号；通过滑动平均滤波提取两相高频振荡电流；通过重复学习提高两相高频震荡电流准确性，提取两相高频震荡电流幅值；对两相高频震荡电流幅值进行标幺化处理，通过构建矢量实现对转子位置的映射。本发明还提供了一种实现上述方法的系统。本发明无需高频信号注入即可获取转子的位置信息，能够避免额外的电压信号注入，具有较强适用性，且无噪音、无额外损耗。

Description

一种基于电机共模电流的转子初始位置检测方法及系统
技术领域
本发明属于交流电机传动领域，具体涉及一种基于电机共模电流的转子初始位置检测方法及系统，旨在利用变频器驱动系统固有的共模电流来估计转子的位置。
背景技术
新一代电动汽车、高速动车组列车驱动系统以及航空航天作动系统已经广泛使用高效高功率密度的永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine,PMSM)。要保证这些驱动系统的优异性能，精确的转子位置和速度信息采集是必不可少的。传统的永磁同步电机驱动系统都采用位置传感器进行转子位置和速度的测量，但是位置传感器及其信号传输线缆在复杂的电磁环境和恶劣的工况下不可避免的会出现故障和损坏，危及系统安全。
目前，电机零低速带载状态下的无位置传感器控制一直是该领域的研究热点。传统基于转子凸极性的位置估计方法(也称高频注入法)零低速带载性能优异，但是一般需要有载波的场合，通过基波叠加或者改变脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)等方式额外施加高频信号来激励出被转子位置调制的高频电流或电压，进而解调制得到转子位置和速度。因此，这类方法不可避免的带来调制策略的复杂、高频噪音、能量损耗和滤波器延迟等问题，且该方法进行初始位置估计时一般需要进行转子极性辨识，增加了系统算法的复杂性。
在变频驱动系统中，电机寄生电容属于一种共模回路元件，它会引起开关时刻后与电机绕组电感关联的共模高频振荡电流，且该电流的检测位置为电机供电输入侧。电机驱动系统中还存在其它共模回路的寄生电容，如开关器件的寄生电容、逆变器和地之间的寄生电容等。由于共模回路路径与前者不同，因此需要的电流检测位置不同。在电机驱动系统中，共模瞬态高频振荡电流普遍存在，是电机侧共模回路的重要特征。虽然有很多文献都观察到该电流，但是对于其背后隐含的逆变器开关瞬间电源通过绕组对电机寄生电容充放电的机理没有充分利用。因此，目前尚未有从共模高频振荡电流角度研究永磁电机的转子位置估计。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中转子位置和速度信息采集存在的问题，提供一种基于电机共模电流的转子初始位置检测方法及系统，利用变频器驱动系统固有的共模电流检测转子初始位置，避免电压信号的额外注入，具有较强的适用性，检测结果准确可靠。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种基于电机共模电流的转子初始位置检测方法，包括以下步骤：
-在电机静止时向电机A、B、C三相绕组交替施加固定占空比的零矢量电压脉冲信号；
-在一个PWM周期零矢量作用的固定时间间隔内利用过采样技术获取电流信号；
-通过滑动平均滤波提取两相高频振荡电流；
-通过重复学习提高两相高频震荡电流准确性，提取两相高频震荡电流幅值；
-对两相高频震荡电流幅值进行标幺化处理，通过构建矢量实现对转子位置的映射。
零矢量电压脉冲信号的施加方式如下：设置开关频率，在SVPWM生成模块中，将电机A、B、C三相绕组的导通时间均设置成固定值，持续发出零矢量电压脉冲信号。
优选的，开关频率设置为5kHz。
利用过采样技术获取电流信号的步骤为：采集电机A、B、C三相高频电流，根据高频电流的特征变化进行采样窗口的选取，选取范围为一个开关周期内高低电平的变化点附近。
优选的，过采样频率设置为62.5MHz。
所述的滑动平均滤波为数字带通滤波，通过设置中心频率、通带频率宽度、阻带衰减系数以及通带波动系数，按下式通过带通滤波获取高频振荡电流：
iabch＝BPF(iabc)
式中，BPF为带通滤波器缩写，iabch为高频振荡电流。
通过重复学习提高两相高频震荡电流准确性的具体步骤包括：
对高频振荡电流按下式进行clarke变换获取两相高频振荡电流：
Figure GDA0003587815690000031
式中，iαh为α轴高频振荡电流，iβh为β轴高频振荡电流；
通过在线实时对采样值进行比较，获取高频振荡电流在一个振荡周期的幅值。
构建的矢量表达式如下：
Figure GDA0003587815690000032
式中，
Figure GDA0003587815690000033
通过反正切计算，获取转子初始位置
Figure GDA0003587815690000034
Figure GDA0003587815690000035
本发明还提供一种基于电机共模电流的转子初始位置检测系统，包括整流电路、滤波电路、三相全桥逆变器、旋转变压器、中央控制器、电流采样电路以及隔离驱动电路；三相交流供电依次经过整流电路、滤波电路以及三相全桥逆变器连接永磁同步电机A、B、C三相绕组，经过旋转变压器采集永磁同步电机的转子位置信号发送给中央控制器，电流采样电路连接在三相全桥逆变器与永磁同步电机A、B、C三相绕组之间，电流采样电路采集电流信号并发送给中央控制器，中央控制器经过隔离驱动电路与三相全桥逆变器连接；所述的中央控制器实现本发明所述基于电机共模电流的转子初始位置检测方法。
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：一方面在零矢量交替作用下，使用固定采样间隔固定深度的滑动平均滤波算法来获取电机静止状态的高频振荡电流。另一方面通过在线比较器获取一个振荡周期的两相电流幅值，并对其进行标幺化来消除系统噪声影响。本发明无需高频信号注入即可获取转子的位置信息，利用过采样技术获取实际的高频电流信号并进行两相坐标系下的幅值提取与转子位置计算，能够避免额外的电压信号注入，绕过电流谐波和死区对传统高频注入法的不利影响，具有较强适用性，且无噪音、无额外损耗，拓宽了转子位置估计的理论基础和实现方法，为提高驱动系统的集成度和可靠性奠定了基础。
附图说明
图1本发明基于电机共模电流的转子初始位置检测方法原理框图；
图2电机高频模型示意图；
图3开关周期内高频振荡电流和基波电流图；
图4(a)第一初始转子位置的αβ轴高频振荡电流图；
图4(b)第二初始转子位置的αβ轴高频振荡电流图；
图5本发明基于电机共模电流的转子初始位置检测系统实施例结构框图；
图6实测高频振荡电流幅值矢量角和转子位置角对应关系图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
目前尚未有从共模高频振荡电流角度研究永磁电机的转子位置估计。摒弃传统的额外高频信号注入，利用变频器驱动系统固有的共模电流检测转子初始位置是一种新思路，且该共模电流是电机侧共模回路中由于寄生电容引起的、被转子凸极性调制的瞬态高频振荡电流。当逆变器输出电压作用于电机时，会通过电机绕组和等效电阻对该寄生电容进行高频充放电，因此该过程产生的高频振荡电流会包含电机绕组信息，即绕组电感随转子位置变化的凸极性。
基于电机共模电流的转子初始位置检测方法在实际执行时会存在以下两个问题：1)实际电机控制系统存在电磁干扰和AD量化噪声，加上线缆寄生电容也会产生叠加的高频振荡电流，导致有效高频振荡电流与系统噪声的分离难度加大。2)在实际的电机系统中，高频振荡电流的信噪比较低，导致两相电流幅值的精确信息较难获取。
本发明基于电机共模电流的转子初始位置检测方法，一方面在零矢量交替作用下，使用固定采样间隔固定深度的滑动平均滤波算法来获取电机静止状态的高频振荡电流。另一方面通过在线比较器获取一个振荡周期的两相电流幅值，并对其进行标幺化来消除系统噪声影响。
本发明基于电机共模电流的转子初始位置检测方法，包括以下步骤：
-在电机静止时向电机A、B、C三相绕组交替施加固定占空比的零矢量电压脉冲信号；
-在一个PWM周期零矢量作用的固定时间间隔内利用过采样技术获取电流信号；
-通过滑动平均滤波提取两相高频振荡电流；
-通过重复学习提高两相高频震荡电流准确性，提取两相高频震荡电流幅值；
-对两相高频震荡电流幅值进行标幺化处理，通过构建矢量实现对转子位置的映射。
参见图1，本发明通过施加固定占空比的三相脉冲信号，可以获得与系统寄生电感电容关联的高频振荡电流，其中，两相高频振荡电流iαβh可通过带通滤波器提取，对滤波得到的高频电流幅值进行标幺化后可消除系统误差，最后通过反正切计算获得初始转子位置，从而为实现一种基于电机共模电流的永磁同步电机无位置传感器控制奠定实现基础。
本发明建立了一种电机共模回路的高频模型，具体如图2所示。为了从物理结构上逼近真实电机的寄生电容分布，每一相参数都分为若干层。仿真模型层数n依据其与实际电机测试结果的近似程度选取，一般n＝10～20可以满足要求。本实施例选取了n＝15。定子相电感Labc为实测的转子位置关联的电感值，选取寄生电容Cph＝10pF，充电电阻Rc＝1100Ω。分层模型中的参数与上述参数对应关系为，Labc’＝Labc/n，Rph’＝Rph/n，Rc’＝nRc，Cph’＝Cph/n。利用此模型可仿真获取不同转子位置的高频振荡电流，并与实验波形进行对比校正。
本发明的检测方法利用过采样技术获取高频振荡电流，过采样窗口如图3所示。图3中Ts为开关周期，tact为有效电压矢量作用时间，tzero为零电压矢量作用时间，ξ为零矢量作用下基波电流变化率，PQ两点分别为有效电压作用的起点和终点。考虑一般PWM开关规则中一个开关周期内有效电压矢量和零电压矢量交替作用，且SVPWM中有效矢量会连续作用，所以有效矢量作用区间细分为1和2两个区域。在Q点开始后的固定时间内，对电流信号进行过采样并采用固定采样间隔固定深度的滑动带通滤波算法来提取高频振荡电流。
基于图2所示的电机高频模型，可以获得高频振荡电流信号的幅值变化规律，如图4(a)与图4(b)所示。iαh和iβh的幅值Iαh和Iβh受转子位置调制，且一个电周期内Iαh和Iβh组合不重复，因此这两个量可以唯一确定转子初始位置，无需进行转子南北极性辨识。在电机无负载、静止状态下基波电流为0，不同开关周期零矢量交替作用对电机的激励完全一致，所以高频振荡电流可以直接重复提取。之后，对采集的每一对Iαh和Iβh进行数值标幺化处理消除系统误差影响。
本发明检测系统实施例的系统硬件结构如图5所示，包括：整流电路、滤波电路、三相全桥逆变器、电流和电压检测电路、中央控制器。本系统采用旋转变压器来进行真实位置信号的采集，并与估计位置作对比，构成永磁同步电机初始位置检测系统。为验证本发明方法，采用FPGA作为主控制器，利用一台3.7kW的内置式永磁同步电机搭建了验证平台。
基于电机共模电流的转子初始位置检测方法实施例包含的步骤如下：
1.基于FPGA控制器搭建初始位置检测的基础模型；
2.在电机静止状态下，发送开关频率为5k、占空比为50％的零开关矢量，它会引起开关时刻后与系统寄生电感电容关联的高频振荡电流；
3.通过三相高频振荡电流解算初始位置信息，包括以下步骤：
(3.1).设置过采样频率fs为62.5MHz，通过电流传感器以及相应的信号处理电路从交流供电的逆变器电路中测得PMSM三相电流ia、ib、ic；
(3.2).完成数字带通滤波BPF的参数设置，具体如下：
中心频率fm为100kHz，通带频率宽度100kHz，阻带衰减系数为30，通带波动系数为0.5，则高频振荡电流可通过数字滤波获取：
iabch＝BPF(iabc)
(3.3).通过在线实时比较来获取一个振荡周期高频振荡电流iabch的幅值，通过clarke变换后，精确提取两相高频电流幅值Iαβh。
(3.4).对Iαβh进行标幺化，构造矢量γ：
Figure GDA0003587815690000071
其中，
Figure GDA0003587815690000072
(3.5).通过反正切计算，获取转子初始位置
Figure GDA0003587815690000073
Figure GDA0003587815690000074
以上PMSM无位置传感器控制实施例中，图5所示的硬件系统中三相全桥逆变器输出端接入PMSM定子三相绕组，在估计出转子初始位置后，与旋变获取的转子位置信号进行比较。
参见图6，在一个电周期内每隔45°取八个离散的点，通过最小二乘线性拟合得到拟合曲线。而图中虚线代表理想直线，在该直线上实际角度等于估计角度。通过对比实线和虚线可以看出两条直线基本重合，即在一个电周期内均可取得较好的初始位置检测效果。
本发明能够避免传统方式电压信号的额外注入，绕过电流谐波和死区对传统高频注入法的不利影响，具有较强适用性，且无噪音、无额外损耗；拓宽了转子位置估计的理论基础和实现方法，为提高驱动系统的集成度和可靠性奠定基础。结合FPGA进行高频电流过采样的设计思路可为研究逆变器、线缆、电源等寄生参数的作用机理和提取提供参考。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均会落入权利要求书涵盖的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于电机共模电流的转子初始位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
-在电机静止时向电机A、B、C三相绕组交替施加固定占空比的零矢量电压脉冲信号；
-在一个PWM周期零矢量作用的固定时间间隔内利用过采样技术获取电流信号；
-通过滑动平均滤波提取两相高频振荡电流；
-通过重复学习提高两相高频震荡电流准确性，提取两相高频震荡电流幅值；
-对两相高频震荡电流幅值进行标幺化处理，通过构建矢量实现对转子位置的映射。
2.根据权利要求1所述基于电机共模电流的转子初始位置检测方法，其特征在于：
零矢量电压脉冲信号的施加方式如下：设置开关频率，在SVPWM生成模块中，将电机A、B、C三相绕组的导通时间均设置成固定值，持续发出零矢量电压脉冲信号。
3.根据权利要求2所述基于电机共模电流的转子初始位置检测方法，其特征在于：
开关频率设置为5kHz。
4.根据权利要求1所述基于电机共模电流的转子初始位置检测方法，其特征在于：
利用过采样技术获取电流信号的步骤为：采集电机A、B、C三相高频电流，根据高频电流的特征变化进行采样窗口的选取，选取范围为一个开关周期内高低电平的变化点附近。
5.根据权利要求4所述基于电机共模电流的转子初始位置检测方法，其特征在于：
过采样频率设置为62.5MHz。
6.根据权利要求1所述基于电机共模电流的转子初始位置检测方法，其特征在于：
所述的滑动平均滤波为数字带通滤波，通过设置中心频率、通带频率宽度、阻带衰减系数以及通带波动系数，按下式通过带通滤波获取高频振荡电流：
iabch＝BPF(iabc)
式中，BPF为带通滤波器缩写，iabch为高频振荡电流。
7.根据权利要求6所述基于电机共模电流的转子初始位置检测方法，其特征在于：
通过重复学习提高两相高频震荡电流准确性的具体步骤包括：
对高频振荡电流按下式进行clarke变换获取两相高频振荡电流：
Figure FDA0003587815680000021
式中，iαh为α轴高频振荡电流，iβh为β轴高频振荡电流；
通过在线实时对采样值进行比较，获取高频振荡电流在一个振荡周期的幅值。
8.根据权利要求1所述基于电机共模电流的转子初始位置检测方法，其特征在于：
构建的矢量表达式如下：
Figure FDA0003587815680000022
式中，
Figure FDA0003587815680000023
通过反正切计算，获取转子初始位置
Figure FDA0003587815680000024
Figure FDA0003587815680000025
9.一种基于电机共模电流的转子初始位置检测系统，其特征在于：包括整流电路、滤波电路、三相全桥逆变器、旋转变压器、中央控制器、电流采样电路以及隔离驱动电路；三相交流供电依次经过整流电路、滤波电路以及三相全桥逆变器连接永磁同步电机A、B、C三相绕组，经过旋转变压器采集永磁同步电机的转子位置信号发送给中央控制器，电流采样电路连接在三相全桥逆变器与永磁同步电机A、B、C三相绕组之间，电流采样电路采集电流信号并发送给中央控制器，中央控制器经过隔离驱动电路与三相全桥逆变器连接；所述的中央控制器实现权利要求1-8中任意一项所述基于电机共模电流的转子初始位置检测方法。
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