CN113904606B - 相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法，包括以下步骤：步骤一、计算α和β轴扩展反电势；步骤二、采用滤波器滤除α和β轴扩展反电势中的谐波分量，求解转子初次估计位置；步骤三、利用转子初次估计位置构造一对相位差为90°的正弦和余弦交流信号，使这对交流信号经过步骤二中的滤波器进行滤波；步骤四、将步骤三中滤波后的这对交流信号构成复数，并求取相角；步骤五、转子初次估计位置减去相角得到相位延迟角；步骤六、转子初次估计位置与相位延迟角相加，得到转子估计位置；步骤七、对转子估计位置求导，得到转子估计角速度。本发明可对不同频率的信号进行准确的相位延时检测与补偿，通用性高。

Description

相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别是一种相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法。
背景技术
永磁同步电机凭借其体积小、重量轻、效率高和控制性能优越等优点，在电动汽车中得到了广泛应用。永磁同步电机在控制过程中需要准确获知转子位置信息，常采用旋转变压器这类机械式位置传感器获得，这增加了系统的体积、重量和成本，在剧烈振动和潮湿环境下，这类传感器易失效。并且随着人们对汽车功能安全要求的逐年提高，冗余控制已被广泛应用于新能源汽车行业的电机控制系统中，以提高安全可靠性。转子位置估计技术为永磁同步电机的冗余控制提供了有效途径。它根据电机的基波模型或谐波模型，从电压、电流等电信号中估计出转子位置信息。
然而，由于电压或电流信号中通常含有死区、电机参数不对称等引起的低次谐波；以及开关控制引起的高次谐波等，因此从中估计出的转子位置也存在一定的谐波，降低了位置估计精度，影响了电机控制性能，通常需引入滤波器对电信号进行处理，然而滤波器对不同频率的信号延时通常是非线性的，如何准确地对其相位延时进行补偿是一大难点。
文献《言钊，颜建虎，费晨. 基于旋转高频信号注入法的内置式永磁同步电机低速段转子位置检测及其误差补偿[J]. 电机与控制应用，2018，45(9)》分析了滤波器和信号离散化对位置估计精度的影响，提出在低速段可用线段拟合带通滤波器中心频率处的相频特性曲线，推导所需补偿角度与电机转速的关系，但该方法需对滤波器特性进行数据拟合，计算量大，且实现较为复杂。
现有技术提高转子位置估计精度的通用方法是引入滤波器对谐波进行消除，然后对滤波器的相位延时进行补偿。然而在相位补偿过程中通常需准确获知滤波器的截止频率、实际结构等信息，再通过一定方式将随频率非线性变化的相位延时用公式拟合或查表的方式记录下来，实现较为复杂；并且，该方法需要获知准确的滤波器结构，并基于该特定结构找到拟合公式或制作查找表，当滤波器结构或参数发生变化时需要重新寻找拟合公式或制作查找表，缺乏通用性。因此，亟需研发一种更简单且可以准确地对转子位置进行估算的方法来满足发展需求。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法。本发明可对不同频率的信号进行准确的相位延时检测与补偿，并且检测过程实现简单，适合任意形式的滤波结构，通用性高。
本发明的技术方案：相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法，包括以下步骤：
步骤一、取一组永磁同步电机α和β轴电压、α和β轴电流以及电机参数来计算α和β轴扩展反电势；
步骤二、用滤波器对α和β轴扩展反电势进行滤波，利用滤波后的α和β轴扩展反电势构成复数，并求解该复数的相角，作为转子初次估计位置；
步骤三、利用转子初次估计位置构造一对相位差为90°的正弦和余弦交流信号；
步骤四、使步骤三中的一对交流信号经过与步骤二中相同的滤波器进行滤波，并将滤波后的这对交流信号构成复数，求取相角；
步骤五、将步骤二中得到的转子初次估计位置减去步骤四中的相角得到相位延迟角；
步骤六、将转子初次估计位置与相位延迟角相加，得到转子估计位置；
步骤七、对转子估计位置求导，得到转子估计角速度。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：通过构造滤波器相位延时的自适应检测环节，在无需获知滤波器的构成、形式、截止频率、阶数等任何信息的情况下，即可对不同频率的信号进行准确的相位延时检测与补偿，并且检测过程实现简单，适合任意形式的滤波结构，通用性高。采用该相位自适应补偿环节后，永磁同步电机转子位置的估计精度得到提高，电机的控制性能也得到提升。
前述的相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法中，步骤二和步骤四中均用低通滤波器进行滤波，滤除谐波分量。
前述的相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法中，基于该方法得到的转子估计角速度，可采用转速、电流双闭环矢量控制技术，得到一组永磁同步电机新的α和β轴电压，实现步骤一至步骤七的循环，对永磁同步电机进行控制。
前述的相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法中，转速、电流双闭环矢量控制技术的具体步骤如下：
步骤A、采集电机的任意两相电流，对其进行CLARKE变换，得到α和β轴电流；
步骤B、根据转子估计位置对α、β轴电流进行PARK变换，得到估计d、q轴反馈电流；
步骤C、将转子参考角速度与转子估计角速度作差输入到比例积分调节器，输出为估计q轴参考电流，并将估计d轴参考电流设为0；
步骤D、分别将估计d、q轴参考电流与估计d、q轴反馈电流作差输入到比例积分调节器，输出估计d、q轴电压；
步骤E、根据转子估计位置对估计d、q轴电压进行PARK逆变换，得到一组永磁同步电机新的α、β轴电压；
步骤F、采用空间矢量脉宽调制技术，根据新的α、β轴电压对永磁同步电机进行控制。
由上述步骤可见，采用该相位自适应补偿环节后，永磁同步电机转子位置的估计精度得到提高，因此电机的控制性能也得到提升。
前述的相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法中，α和β轴扩展反电势的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，其中eα、eβ为α和β轴扩展反电势，iα、iβ为α和β轴的电流，R为α和β轴电阻，Ld为d轴电感，uα、uβ为α和β轴的电压，t为时间。
附图说明
图1是本发明方法的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法，原理框图如图1所示，包括以下步骤：
步骤一、取一组永磁同步电机α、β轴电压
Figure DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，α、β轴电流
Figure DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure DEST_PATH_IMAGE006
以及电机参数来计算α和β轴扩展反电势
Figure DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，其中，R为α和β轴电阻，Ld为d轴电感；
步骤二、采用低通滤波器LPF滤除α、β轴扩展反电势中的谐波分量，利用滤波后的α、β轴扩展反电势
Figure DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure DEST_PATH_IMAGE012
构成复数
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，并求解该复数的相角，作为转子初次估计位置
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；
步骤一至步骤二可参考图1中的位置估计环节；
步骤三、利用转子初次估计位置
Figure 834225DEST_PATH_IMAGE014
构造一对正弦和余弦交流信号
Figure DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，即构造一对相位差为90度的交流信号，使这对交流信号经过步骤二中相同的低通滤波器LPF进行滤波，得到一组滤波后的交流信号
Figure DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
步骤四、将步骤三中滤波后的这对交流信号
Figure 407158DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 921315DEST_PATH_IMAGE018
构成复数
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，并求取相角
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；
步骤五、将步骤二中得到的转子初次估计位置
Figure 254208DEST_PATH_IMAGE014
减去步骤四中的相角
Figure 803001DEST_PATH_IMAGE020
，求得角度差，即为该滤波器在转子估计位置变化频率下的相位延迟角
Figure DEST_PATH_IMAGE021
；
步骤三至步骤五可参考图1中的相位自适应补偿环节；
步骤六、将转子初次估计位置
Figure 77993DEST_PATH_IMAGE014
与
Figure 79447DEST_PATH_IMAGE021
相位延迟角相加，得到转子估计位置
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；
步骤七、对转子估计位置
Figure 747189DEST_PATH_IMAGE022
求导，得到转子估计角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE023
。
基于上述方法得到的转子估计角速度，采用转速、电流双闭环矢量控制技术，得到一组永磁同步电机新的α和β轴电压，从而实现步骤一至步骤七的循环，对永磁同步电机进行控制，转速、电流双闭环矢量控制技术的具体步骤如下：
步骤A、采集电机的任意两相电流，例如A、B相电流
Figure DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，对其进行CLARKE变换，得到α、β轴电流
Figure DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，同步骤一中的α、β轴电流；
步骤B、根据转子估计位置
Figure 540702DEST_PATH_IMAGE022
对α、β轴电流
Figure 268486DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 491657DEST_PATH_IMAGE027
进行PARK变换，得到估计d、q轴反馈电流
Figure DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure DEST_PATH_IMAGE029
；
步骤C、将转子参考角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE030
与转子估计角速度
Figure 150040DEST_PATH_IMAGE023
作差输入到比例积分（PI）调节器，输出为估计q轴参考电流
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，并将估计d轴参考电流
Figure DEST_PATH_IMAGE032
设为0；
步骤D、分别将估计d、q轴参考电流
Figure 860376DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 24641DEST_PATH_IMAGE031
与估计d、q轴反馈电流
Figure 688DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 744653DEST_PATH_IMAGE029
作差输入到比例积分（PI）调节器，输出估计d、q轴电压
Figure DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure DEST_PATH_IMAGE034
；
步骤E、根据转子估计位置对估计d、q轴电压
Figure 591386DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 644662DEST_PATH_IMAGE034
进行PARK逆变换（PARK-1），得到一组永磁同步电机新的α、β轴电压；
步骤F、采用空间矢量脉宽调制技术（SVPWM），根据新的α、β轴电压对永磁同步电机进行控制。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、取一组永磁同步电机α和β轴电压、α和β轴电流以及电机参数来计算α和β轴扩展反电势；
步骤二、用滤波器对α和β轴扩展反电势进行滤波，利用滤波后的α和β轴扩展反电势构成复数，并求解该复数的相角，作为转子初次估计位置；
步骤三、利用转子初次估计位置构造一对相位差为90°的正弦和余弦交流信号；
步骤四、使步骤三中的一对交流信号经过与步骤二中相同的滤波器进行滤波，并将滤波后的这对交流信号构成复数，求取相角；
步骤五、将步骤二中得到的转子初次估计位置减去步骤四中的相角得到相位延迟角；
步骤六、将转子初次估计位置与相位延迟角相加，得到转子估计位置；
步骤七、对转子估计位置求导，得到转子估计角速度。
2.根据权利要求1所述的相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法，其特征在于：步骤二和步骤四中均用低通滤波器进行滤波，滤除谐波分量。
3.根据权利要求1或2所述的相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法，其特征在于：基于该方法得到的转子估计角速度，可采用转速、电流双闭环矢量控制技术，得到一组永磁同步电机新的α和β轴电压，实现步骤一至步骤七的循环，对永磁同步电机进行控制。
4.根据权利要求3所述的相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法，其特征在于：转速、电流双闭环矢量控制技术的具体步骤如下：
步骤A、采集电机的任意两相电流，对其进行CLARKE变换，得到α和β轴电流；
步骤B、根据转子估计位置对α、β轴电流进行PARK变换，得到估计d、q轴反馈电流；
步骤C、将转子参考角速度与转子估计角速度作差输入到比例积分调节器，输出为估计q轴参考电流，并将估计d轴参考电流设为0；
步骤D、分别将估计d、q轴参考电流与估计d、q轴反馈电流作差输入到比例积分调节器，输出估计d、q轴电压；
步骤E、根据转子估计位置对估计d、q轴电压进行PARK逆变换，得到一组永磁同步电机新的α、β轴电压；
步骤F、采用空间矢量脉宽调制技术，根据新的α、β轴电压对永磁同步电机进行控制。
5.根据权利要求1或2所述的相位自适应补偿式永磁同步电机转子位置和速度估计方法，其特征在于：α和β轴扩展反电势的计算公式为：
Figure 135372DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中eα、eβ为α和β轴扩展反电势，iα、iβ为α和β轴的电流，R为α和β轴电阻，Ld为d轴电感，uα、uβ为α和β轴的电压，t为时间。
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