CN113114077A - 一种无传感器永磁同步电机初始位置检测方法 - Google Patents

一种无传感器永磁同步电机初始位置检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无传感器永磁同步电机初始位置检测方法，属于电机控制领域。为了解决无位置传感器内置式永磁同步电机的起动问题，提出了一种改进的基于方波信号注入的转子初始位置估计方法。代替传统的正弦电压注入，方波电压信号被注入定子绕组以获得磁极位置。基于饱和和显著性原理，采用电压脉冲注入法识别磁体极性。利用方波电压注入检测磁极位置，无需低通滤波器和时间延迟即可计算出误差信号。

Description

一种无传感器永磁同步电机初始位置检测方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种无传感器永磁同步电机初始位置检测方法。
背景技术
永磁同步电机具有体积小、重量轻、运行可靠等优点，使其在各个领域的应用很广泛，但在控制过程中需要预先知道转子的位置信息，当前获取转子位置信息的方法主要是通过安装在转子上的位置传感器如光电编码器，霍尔原件等，但安装传感器不仅仅会提高使用成本，还会使系统带来复杂度增加，可靠性降低等特点，所以有越来越多的学者开始研究无位置传感器的估计与测速的方法。其中常用的方法包括电压脉冲矢量注入法、高频脉振电压信号注入法等。
其中电压脉冲注入法的基本思想:将一系列等幅值的电压矢量脉冲施加到电机，然后得到相应的定子电流，通过定子电流获取转子初始位置。因此通过检测电流的变化能够获得转子初始位置，而且角度误差在理论上不大。但转子初始位置检测的准确性会受到电压矢量的幅值和作用时间的影响，它们产生的影响不可忽略。
高频脉振电压信号注入法相对比较简单，静动态性能比较好。但是在测量过程中需要多次使用滤波器来处理和控制信号，提取转子位置信息。多次使用滤波器，限制了电流环的带宽从而降低了驱动性能，对信号造成了一定的延时，降低了估测速度和位置估计的准确性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对背景技术缺陷的问题，提出一种无传感器永磁同步电机初始位置检测方法，在检测过程中无需使用滤波器，减少使用滤波器带来的相位延迟的问题，可以使转子初始位置检测更加精确。
本发明的技术解决方案是：一种无传感器永磁同步电机初始位置检测方法，步骤如下：
(1)在永磁同步电机旋转坐标系的d轴注入高频方波电压，得到高频响应电流信号，通过对电流信号的处理解耦出转子的初始估计位置
Figure BDA0003012897740000011
(2)向
Figure BDA0003012897740000012
与
Figure BDA0003012897740000013
处施加两次电压脉冲矢量，根据d轴相应电流大小来判断d轴的正方向，并对转子进行角度补偿。
(3)将转子的初始位置估计值
Figure BDA0003012897740000014
与角度补偿值相加，得到转子的最终估计值
Figure BDA0003012897740000015
所述步骤(1)检测转子初始位置初次估算角的具体过程如下：
步骤(1.1)，向估计转子同步旋转坐标系的d轴注入与逆变器频率相同的方波信号
Figure BDA0003012897740000021
可以检测得到d、q轴下的电流分量id、iq，将id、iq进行坐标变换得到高频电流相应iαh、iβh。
步骤(1.2)，由于电机存在凸极效应，测量得到的Iαh、Iβh包含转子的位置信息，对其进行信号的处理与调节可以得到转子的初始估算位置
Figure BDA0003012897740000022
所述步骤(2)判断转子磁极正方向具体实施过程如下：
步骤(2.1)，在得到初次估算位置角
Figure BDA0003012897740000023
后，向
Figure BDA0003012897740000024
轴注入两次大小相等方向相反的电压脉冲信号，注入的角度为
Figure BDA0003012897740000025
步骤(2.2)，比较注入两次电压脉冲信号得到的电流值大小，若|IA0|＞|IA1|，则角
Figure BDA0003012897740000026
就是实际的直轴方向；否则，角
Figure BDA0003012897740000027
的方向为直轴的反方向。
所述步骤(3)对转子初始位置角进行补偿方法，其具体过程如下：
若角
Figure BDA0003012897740000028
是实际的直轴方向，转子不需要进行角度补偿，最终角度
Figure BDA0003012897740000029
若角
Figure BDA00030128977400000210
的方向为直轴的反方向，需要对其进行角度补偿，最终角度
Figure BDA00030128977400000211
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明与传统的正弦电压注入法相比，无需使用低通滤波器的使用，可以使检测精度进一步提高；
(2)对于磁极的辨识，无需增加硬件便可以完成，实现了电机在静止状态下磁极初始位置的准确获取。
附图说明
图1为永磁同步电机转子初始位置检测控制原理图；
图2为两相静止坐标系、实际两相同步旋转坐标系与估计两相同步旋转坐标系的相对关系示意图；
图3为转子检测位置与实际位置对比图；
具体实施方式
现结合实例、附图对本发明做进一步描述。
如图1所示，本发明提供了一种无传感器永磁同步电机初始位置检测控制系统。
初始位置检测原理如下：
首先需要建立坐标系关系图，如图2所示，定义实际的角度为θ，估算的角度为
Figure BDA00030128977400000212
估算的角度误差为Δθ，d-q为实际同步旋转坐标系，
Figure BDA0003012897740000031
为估计转子同步旋转坐标系，α-β为实际两相静止坐标系。
PMSM在同步dq坐标系下的数学模型为
Figure BDA0003012897740000032
(1)式中id、iq和ud、uq分别是PMSM中d、q轴下的电流与电压分量；ψf为永磁体磁链；p为微分算子；R为定子电阻；Ld、Lq分别为d、q轴电感。
由于注入的方波电压信号频率远远大于基波运行频率，所以定子电阻压降和反电动势的影响可以忽略，PMSM在高频信号激励下可以等效为感性负载，有
Figure BDA0003012897740000033
(2)式中
Figure BDA0003012897740000034
分别为d、q轴下高频电压、电流分量；下标h表示高频量；上标r表示转子轴系。
将(2)式进行坐标变换，变换到静止αβ坐标系，得到高频电流相应为
Figure BDA0003012897740000035
向d轴注入方波电压信号
Figure BDA0003012897740000036
(4)式中
Figure BDA0003012897740000037
为观测的d轴高频电压分量；
Figure BDA0003012897740000038
为观测的q轴高频电压分量；Uinj为注入的高频电压幅值；k为离散采样时刻；上标
Figure BDA0003012897740000039
为观测转子轴系。
可以得到可以得到αβ坐标系下高频相应电流信号包络为
Figure BDA00030128977400000310
(5)式中ωh为注入方波电压信号频率；Iαh、Iβh分别为α轴、β轴下的高频响应电流包络；Lavg＝(Ld+Lq)/2为电感均值；Ldif＝(Ld-Lq)/2为电感差值。
由于电机存在凸极效应Ld≠Lq，所以Iαh、Iβh包含转子位置信息。
当位置跟踪器收敛时Δθe＝0
Figure BDA0003012897740000041
因此在提取Iαh、Iβh后可以通过数学公式来计算转子位置误差信息。
Figure BDA0003012897740000042
图1为本发明提出的永磁同步电机初始位置检测的控制系统原理图，本发明提出的转子初始位置检测过程主要分为一下三个部分：
步骤一：检测转子初始位置初次估计值：在永磁同步电机旋转坐标系的d轴注入高频方波电压
Figure BDA0003012897740000043
得到高频响应电流信号
Figure BDA0003012897740000044
通过对电流信号的处理解耦出转子的初始估计位置
Figure BDA0003012897740000045
步骤二：判断d轴正方向：向
Figure BDA0003012897740000046
与
Figure BDA0003012897740000047
处施加两次电压脉冲矢量，比较注入两次电压脉冲信号得到的电流值大小，若|IA0|＞|IA1|，则角
Figure BDA0003012897740000048
就是实际的直轴方向；否则，角
Figure BDA0003012897740000049
的方向为直轴的反方向。
步骤三：对转子的初始位置估计值
Figure BDA00030128977400000410
进行角度补偿值，得到转子的最终估计值
Figure BDA00030128977400000411
若角
Figure BDA00030128977400000412
是实际的直轴方向，转子不需要进行角度补偿，最终角度
Figure BDA00030128977400000413
若角
Figure BDA00030128977400000414
的方向为直轴的反方向，需要对其进行角度补偿，最终角度
Figure BDA00030128977400000415
图3为转子检测位置与实际位置对比图：从图中可以看出位置检测误差平均小于3°，此转子误差较小，对永磁同步电机的启动控制影响不大。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (4)

1.一种无传感器永磁同步电机初始位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)：在永磁同步电机旋转坐标系的d轴注入高频方波电压，得到高频响应电流信号，通过对电流信号的处理解耦出转子的初始估计位置
Figure FDA0003012897730000011
步骤(2)：向
Figure FDA0003012897730000012
与
Figure FDA0003012897730000013
处施加两次电压脉冲矢量，根据d轴相应电流大小来判断d轴的正方向，并对转子进行角度补偿；
步骤(3)：将转子的初始位置估计值
Figure FDA0003012897730000014
与角度补偿值相加，得到转子的最终估计值
Figure FDA0003012897730000015
2.根据权利要求1所述的一种无传感器永磁同步电机初始位置检测方法，其特征在于，所述的步骤(1)的具体过程如下：
步骤(1.1)，向估计转子同步旋转坐标系的d轴注入与逆变器频率相同的方波信号
Figure FDA0003012897730000016
Figure FDA0003012897730000017
可以检测得到d、q轴下的电流分量id、iq，将id、iq进行坐标变换得到高频电流相应iαh、iβh。
步骤(1.2)，由于电机存在凸极效应，测量得到的Iαh、Iβh包含转子的位置信息，对其进行信号的处理与调节可以得到转子的初始估算位置
Figure FDA0003012897730000018
3.根据权利要求1所述的一种无传感器永磁同步电机初始位置检测方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体过程如下：
步骤(2.1)，在得到初次估算位置角
Figure FDA0003012897730000019
后，向
Figure FDA00030128977300000110
轴注入两次大小相等方向相反的电压脉冲信号，注入的角度为
Figure FDA00030128977300000111
步骤(2.2)，比较注入两次电压脉冲信号得到的电流值大小，若|IA0|＞|IA1|，则角
Figure FDA00030128977300000112
就是实际的直轴方向；否则，角
Figure FDA00030128977300000113
的方向为直轴的反方向。
4.根据权利要求1所述的一种无传感器永磁同步电机初始位置检测方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体过程如下：若角
Figure FDA00030128977300000114
是实际的直轴方向，转子不需要进行角度补偿，最终角度
Figure FDA00030128977300000115
若角
Figure FDA00030128977300000116
的方向为直轴的反方向，需要对其进行角度补偿，最终角度
Figure FDA00030128977300000117
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114915228A (zh) * 2022-06-16 2022-08-16 福州大学 六相串联三相双永磁同步电机转子初始位置解耦观测方法

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