CN113179068B - 基于改进方波注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进方波注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法，包括：通过求取估算电流的二阶微分获取电机的转子位置信息；在基本的注入方波电压后的一个PWM周期内注入反向的电压矢量，其中基本的注入方波电压方式为每隔一个PWM周期注入一次电压；将三个PWM周期中后一周期与前一周期的电压方程做差、得到新电压方程；在估算的q轴电压中注入电压方波，从估算的d轴电流中求取电流的二阶微分、进而估算出电机的转子位置。该方法不需要用滤波器，使得控制系统的结构得到了简化，并且没有相位延迟，转子位置估算精度得到了提高；另外减小由逆变器电压误差、电机相电流测量误差带来的转子位置估算误差。

Description

基于改进方波注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种基于改进方波注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法。

背景技术

当采用稀土材料的永磁同步电机被制作出来，永磁同步电机主要优势是高功率密度、可靠性高、结构简单。永磁同步电机的这些优势刚好满足电力推进船舶控制系统对推进电机的要求，即低转速大转矩，因此永磁同步电机逐渐成为船舶电力系统推进电机的首选。

与此同时，永磁同步电机的控制策略也被学者们研究和探索，不断提出永磁同步电机的新型控制策略。目前为止，主要采用矢量控制策略来控制永磁同步电机。由于矢量控制技术中用到了坐标变换，因此要实现矢量控制就需要知道精确的转子位置信息。

在传统的控制系统中，转子位置信息通常是通过在被控电机上安装编码器来直接测量，如光电编码器、旋转变压器、测速发电机等。虽然在电机上安装的位置传感器能够为电机的控制提供转子速度和位置信息，但是，位置传感器的应用也存在一些问题：增大了电机的体积、增加了系统维护和检修的成本；电机和控制系统的接线口增加使系统的抗干扰性能变差、可靠性降低；在湿度较高、震动强度较大的恶劣环境下，传感器的性能降低，可能会导致电机无法正常工作。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于改进方波注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法，该方法是以三个PWM周期为一个控制周期，第一个PWM周期不注入电压，第二个PWM周期注入正向电压，第三个PWM周期注入与正向电压大小相等的反向电压，然后利用电机的电压方程求取该控制周期内电流响应的二阶微分。电流的二阶微分中含有电机的转子位置信息，通过锁相环即可估算出电机的转子位置信息，从而用于电机的控制，具体方案包括：

通过求取估算电流的二阶微分获取电机的转子位置信息；

在基本的注入方波电压后的一个PWM周期内注入反向的电压矢量，其中基本的注入方波电压方式为每隔一个PWM周期注入一次电压；

将三个PWM周期中后一周期与前一周期的电压方程做差、得到新电压方程；

在估算的q轴电压中注入电压方波，从估算的d轴电流中求取电流的二阶微分、进而估算出电机的转子位置。

进一步的，所述新电压方程为：

其中，L₁、L₂分别为平均电感和半差电感，其中L₁＝(L_d+L_q)/2，L₂＝(L_d-L_q)/2，L_d、L_q分别为d、q轴电感，

为电机的转子位置估算误差。

进一步的，根据电机的电压方程求解出电流的二阶微分：

其中，T_s为PWM开关周期，

为估算的d轴电流的二阶微分。

进一步的，所述电流的二阶微分中含有电机的转子位置信息，将该信号通入锁相环即可估算出电机的转子位置信息。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于改进方波注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法，由于电机响应电流的二阶微分中就含有电机的转子位置信息，可以直接通过电流二阶微分提取电机的转子位置信息，因此该方法不需要用滤波器，使得控制系统的结构得到了简化，并且没有相位延迟，转子位置估算精度得到了提高；另外减小由逆变器电压误差、电机相电流测量误差带来的转子位置估算误差。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中改进的方波电压注入方法的控制框图；

图2为本发明中改进的方波电压注入方法和电流二阶微分的求取方式示意图；

图3为本发明中考虑逆变器电压误差时电机转子位置估算误差对比图；

图4为本发明中考虑相电流测量误差时电机转子位置估算误差对比图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：

如图1所示的一种基于改进方波注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法，为建立永磁同步电机在静止坐标系下的基波模型，忽略涡流损耗和磁滞损耗，定子绕组Y型连接，且认为气隙磁场成正弦分布。

其中u_α、u_β、i_α、i_β分别为α-β轴下的电压和电流；L₁、L₂分别为平均电感和半差电感，其中L₁＝(L_d+L_q)/2，L₂＝(L_d-L_q)/2，L_d、L_q分别为d-q轴电感；R为定子电阻；ω_r为转子电角速度；ψ为永磁体磁链。

电机处于零低速时有ω_r≈0，并且注入电压远远大于定子电阻压降时，方程(1)中的前三项可以忽略掉，可以简化为方程(2)：

因此，永磁同步电机在估算的同步坐标系下的高频响应电压方程为：

方程(3)中，

θ_r为电机转子真实位置，

为电机转子估算位置；

分别是电机定子在估算的d-q轴下的电压和电流。

当电压注入到估算的q轴时，根据方程(3)可得：

当转子位置误差角很小的时候，可以认为：

其中

根据方程(5)，再经过锁相环即可估算出电机的转子位置信息。

当电压经过逆变器加到电机端子时，逆变器的死区、寄生电容以及其他的非线性开关特性会对逆变器输出电压产生扰动，所以逆变器会造成给定电压和电机实际的端电压之间的电压差。由于在永磁同步电机无位置传感器控制中用到的是给定的电压，因此逆变器电压误差的存在将会影响电机转子位置估算的精度。本文将采用改进的方波电压注入方法来减小逆变器电压误差对电机转子位置估算带来的影响。

考虑逆变器电压误差时的永磁同步电机电压方程为：

分别为估算同步旋转坐标系下的逆变器电压误差。

针对逆变器电压误差，采用一种改进的方波注入方法，即在注入正向电压的接下来一个PWM周期内注入反向电压，如图2所示。

逆变器电压误差频率相对方波信号较低，可以认为在相邻的PWM周期内，逆变器电压误差是不变的。因此根据方程(6)，相邻两个PWM周期的电压方程作差，可以得到如下方程(7)：

方程(7)与方程(3)相似，故可以得到：

所以，当实际转子位置与估算转子位置之间误差较小时，有

由方程上述可知，通过锁相环即可得到估算的转子位置信息。从图3可以看出，改进的方波注入算法有效的减小了电机的转子位置估算误差。

在永磁同步电机的控制系统中，要将定子电流实时采集到DSP中参与控制运算。但是在电流的采样调理过程中，电流传感器供电电压的不平衡、电流传感器的非线性、调理电路中电阻的热漂移等都会影响电流的测量精度。

定子电流测量误差分为两种：一种是由电流传感器的供电电压不平衡、运算放大器和DSP的AD采样通道存在漂移等因素叠加在一起形成的偏移误差，另一种是由定子电流在采样调理过程中电流传感器和运算放大器的比例增益不相等所造成的增益误差

当永磁同步电机三相定子电流中仅存在偏移误差时，则三相电流的测量值可以表示为:

式中：i_{a_mea}、i_{b_mea}、i_{c_mea}分别为A、B、C三相定子电流的测量值；i_a、i_b为A、B两相相电流的实际值；i_{a_offset}、i_{b_offset}为A、B两相电流的测量偏移误差。由于对电机转子位置进行估算时所用的是在同步坐标系下的电流响应方程，因此将电流偏移量转换至同步旋转坐标系下：

式中：

将方程(11)中的d轴电流分量代入方程(4)中：

所以，估算的d轴电流微分为

比较方程(5)和(13)可知，考虑电机相电流测量误差时，由于误差电流的存在，将会对电机的转子位置估算产生影响。为减小电流测量误差对位置估算的影响，仍然采用上述改进的方波电压注入方式，将方程(13)代入方程(8)可得：

因此，由方程(14)可以得到方程(15)如下：

由于T_s很小，因此

相对T_s可以忽略，即方程(15)中右侧电流测量偏移误差这一项可以忽略。比较方程(15)和方程(13)可知，采用改进的方波注入方法，减小了电流测量偏移误差对电机转子位置估算的影响。

对于相电流测量的增益误差，在同步旋转坐标系下将会是一个二倍频的电流响应分量，前述电流偏移误差在同步旋转坐标系下是一倍频的分量。因此同样的道理，采用改进的方波注入方法仍然可以减小电流测量的增益误差带来的影响。结果如图4所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于改进方波注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于包括：

通过求取估算电流的二阶微分获取电机的转子位置信息；

在注入方波电压后的一个PWM周期内注入反向的电压矢量，其中注入方波电压方式为:以三个PWM周期为一个控制周期，第一个PWM周期不注入电压，第二个PWM周期注入正向电压，第三个PWM周期注入与正向电压大小相等的反向电压，然后利用电机的电压方程求取该控制周期内电流响应的二阶微分，电流的二阶微分中含有电机的转子位置信息，通过锁相环即可估算出电机的转子位置信息；

在估算的q轴电压中注入方波电压，从估算的d轴电流中求取电流的二阶微分，进而估算出电机的转子位置；

将相邻两个PWM周期的电压方程作差得到如下方程：

其中，L₁、L₂分别为平均电感和半差电感，其中L₁＝(L_d+L_q)/2，L₂＝(L_d-L_q)/2，L_d、L_q分别为d、q轴电感，

为电机的转子位置估算误差；

根据电机的电压方程求解出电流的二阶微分：

其中，T_s为PWM开关周期，

为估算的d轴电流的二阶微分；

所述电流的二阶微分中含有电机的转子位置信息，将电流的二阶微分通入锁相环即可估算出电机的转子位置信息。

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