CN114785208B - 永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，属于电机转子位置误差观测技术领域。本发明针对现有电机无传感器位置观测方法依靠电机电压方程实现，受电机状态变化影响获取的转子位置不准确的问题。包括：在电机确定负载工况下，以选定扫描步长在电机恒转矩曲线上进行工作点扫描，并确定MTPA工况点；由MTPA工况点对应的最小电流矢量幅值i_s，获得同步旋转轴系dq和存在位置误差的控制轴系d'q'之间的转子位置误差θ_err；所述转子位置误差θ_err用于对电机转子位置进行补偿。本发明具有较高的鲁棒性和可靠性。

Description

永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，属于电机转子位置误差观测技术领域。

背景技术

永磁同步电机因效率高、带载能力强等特点在工业界具有广泛的应用，包括电动汽车与伺服系统等领域。随着目前工业的发展，永磁同步电机的应用需求日益提升。按照永磁同步电机转子永磁体结构的不同，可以分为表贴式和内置式两种。在针对永磁同步电机控制策略中，矢量控制策略具有精度较高、响应曲线较好和调速范围宽等优势，具有更高的通用性。矢量控制系统中转速环需要通过电机位置获取准确的转速信息，电流环需要获取准确的转子位置用以确保良好的控制动态性能与稳定性。

为实现高精度的永磁同步电机矢量控制，通常需要安装位置传感器来获取电机的转子位置信息。然而，位置传感器的安装会使得电控系统可靠性降低，同时会较大程度上增加系统成本。所以，针对电机无传感器转子位置的观测方法具有较大的应用意义。

目前，无传感器位置观测策略主要分为信号注入法和模型法两种。这两种方法主要依靠电机电压方程实现。然而这两种方法受到电压方程中参数数值误差的影响，使得在变化工况下难以对转子位置进行准确的获取。同时由于电机交直轴之间存在的交叉耦合，使得电机磁场产生偏移，进而不可避免地在无传感器控制过程中引入位置误差。引入的位置误差会极大影响永磁同步电机无传感器控制效果和精度。所以提出一种通用的、鲁棒性高的无传感器位置误差观测方法以实现对转子位置的补偿具有重要意义。

发明内容

针对现有电机无传感器位置观测方法依靠电机电压方程实现，受电机状态变化影响获取的转子位置不准确的问题，本发明提供一种永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法。

本发明的一种永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，包括，

步骤一：在电机确定负载工况下，以选定扫描步长在电机恒转矩曲线上进行工作点扫描，并确定MTPA工况点；

步骤二：由MTPA工况点对应的最小电流矢量幅值i_s，获得同步旋转轴系dq和存在位置误差的控制轴系d'q'之间的转子位置误差θ_err；所述转子位置误差θ_err用于对电机转子位置进行补偿。

根据本发明的永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，步骤一中，所述选定扫描步长根据转子位置观测精度确定。

根据本发明的永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，步骤一中，选定扫描步长的确定过程包括：

设定第一次扫描步长为Δθ_{e_1}；将d轴和α轴之间的角度差θ_e作为转子期望位置；

在无传感器观测位置θ_e+θ_err的两侧方向以步长Δθ_{e_1}分别进行扫描，获得两个工作点p_{1_1}和p_{1_2}；对两个工作点p_{1_1}和p_{1_2}对应的电流矢量幅值进行对比，取电流矢量幅值小的工作点所在方向作为下一步电流矢量扫描方向，继续进行扫描，……，直到满足：

Δθ_{e_n}≤Δθ_fin，

并将第n次扫描确定的工作点作为MTPA工况点；

式中Δθ_{e_n}为第n次扫描的扫描步长，Δθ_fin为转子位置观测精度；

扫描步长的变化满足二分法原理：

Δθ_{e_n}＝Δθ_{e_n-1}/2n＝2,3,4,...。

根据本发明的永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，第一次扫描步长Δθ_{e_1}大于无传感器控制位置误差角度。

根据本发明的永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，第一次扫描步长Δθ_{e_1}设定为20°。

根据本发明的永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，所述工作点扫描通过调整d轴电流指令值实现，q轴电流指令值通过电流环自适应确定。

根据本发明的永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，最小电流矢量幅值i_s的计算方法包括：

式中i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，ψ_f为永磁体磁链，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感。

根据本发明的永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，d轴电流i_d、q轴电流i_q、d轴电压u_d、q轴电压u_q与d'轴电流i′_d、q'轴电流i′_q、d'轴电压u′_d、q'轴电压u′_q之间的修正关系为：

式中C_d'q'→dq为存在位置误差的控制轴系d'q'与同步旋转轴系dq的变换矩阵。

根据本发明的永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，转子位置误差θ_err的计算方法包括：

θ_err＝ABS(arctan(i_d/i_s)-arctan(i'_d/i_s))。

本发明的有益效果：本发明方法通过对MTPA工况点电流矢量的在线搜寻，实现电机转子位置误差的实时获取。本发明方法可在电机全速域下实现，且仅需要沿着恒转矩曲线实现工作点的移动搜索，并最终实现最大转矩电流比工作点的确定。整个过程中不改变电机工况，使得该方法具有较高的鲁棒性和可靠性，可广泛应用于永磁同步电机通用性控制系统中。

本发明方法基于电机在不同轴坐标系，即准确位置的同步旋转轴系dq和存在位置误差的控制轴系d'q'的最大转矩电流比工作点一致的特性实现，对该工作点的搜寻过程仅通过电机稳态运行过程中的电流矢量模的绝对值大小决定，不依赖于电机的结构、dq轴电压方程中参数误差和负载工况的限制，因此具有较高的通用性和可实用性。

附图说明

图1是本发明方法中考虑转子位置误差的坐标系示意图；图中包括αβ轴系，同步旋转轴系dq和存在位置误差的控制轴系d'q'；N和S分别表示永磁体的极性；ω_e为同步旋转轴系dq的旋转角频率；

图2是基于MTPA最小电流矢量扫描的在线转子位置误差观测示意图；

图3是采用本发明方法进行转子位置误差观测以及对电机转子位置进行补偿的流程框图；图中i_d ^*和i_q ^*分别为dq轴电流指令，i_d和i_q分别为dq轴电流，i_a和i_b分别为ab相电流；ω_e ^*为同步旋转轴系dq的旋转角频率指令；

图4是本发明方法中变步长电流矢量扫描策略示意图；

图5是基于MTPA最小电流矢量扫描的在线转子位置误差观测及补偿流程图；

图6是电机在20％额定负载时的转子位置误差观测及补偿结果示意图；图中两侧的数字0，单位为°，代表预设和观测的θ_err零位标定，左侧的1，单位为A，为i_s数值标定，右侧的80，单位为°，为i_s矢量与α轴之间夹角数量标定；

图7是电机在60％额定负载时的转子位置误差观测及补偿结果示意图；图中左侧的3，单位为A，为i_s数值标定；

图8是电机在100％额定负载时的转子位置误差观测及补偿结果示意图；图中左侧的5，单位为A，为i_s数值标定。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1至图5所示，本发明提供了一种永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，包括，

步骤一：在电机确定负载工况下，以选定扫描步长在电机恒转矩曲线上进行工作点扫描，并确定MTPA工况点；

步骤二：由MTPA工况点对应的最小电流矢量幅值i_s，获得同步旋转轴系dq和存在位置误差的控制轴系d'q'之间的转子位置误差θ_err；所述转子位置误差θ_err用于对电机转子位置进行补偿。

本实施方式基于电机是否存在位置误差，在同步旋转轴系dq下均具有相同MTPA工况点的特性，在确定负载条件下，利用在恒转矩曲线上的工作点扫描，实现对MTPA工况点的搜寻。并利用其在不同坐标系下对应的dq轴电流分配情况实现转子位置误差的观测。

基于观测获取的转子位置误差，可实现存在转子位置误差时dq轴系位置的修正，当电机转矩工况变化时，需重新对电机转子位置误差进行观测和修正。

本实施方式对现有无传感器控制中广泛存在的位置误差进行观测，它基于电机多坐标系下电流统一收敛特性提出，通过对最大转矩电流比(Maximum Torque per Ampere，MTPA)工况点电流矢量的在线搜寻，实现电机转子位置误差的实时获取。它不需要向电机注入高频信号，且在转子位置观测过程中电机状态不发生改变，使得整体观测过程中电机具有较好的稳定性。

步骤一中，所述选定扫描步长根据转子位置观测精度确定。结合电机实际运行场合需求，确定电机运行过程对转子位置精度的需求，并基于该精度确定转子位置误差观测的策略。

进一步，结合图4所示，步骤一中，选定扫描步长的确定过程包括：

为了实现MTPA工作点搜寻过程收敛，采用二分法对扫描步长进行确定。

设定第一次扫描步长为Δθ_{e_1}；将d轴和α轴之间的角度差θ_e作为转子期望位置；

在无传感器观测位置θ_e+θ_err的两侧方向以步长Δθ_{e_1}分别进行扫描，获得两个工作点p_{1_1}和p_{1_2}；对两个工作点p_{1_1}和p_{1_2}对应的电流矢量幅值进行对比，取电流矢量幅值小的工作点所在方向作为下一步电流矢量扫描方向，继续进行扫描，重复n-1次，对应步长Δθ_{e_n}与工作点p_{n_1}和p_{n_2}……，直到满足：

Δθ_{e_n}≤Δθ_fin，

并将第n次扫描确定的工作点作为MTPA工况点；

式中Δθ_{e_n}为第n次扫描的扫描步长，Δθ_fin为转子位置观测精度；

扫描步长的变化满足二分法原理：

Δθ_{e_n}＝Δθ_{e_n-1}/2n＝2,3,4,...。

通过上述过程，可最终实现工作点向MTPA工作点的趋近。

转子位置观测精度Δθ_fin通过电机实际应用工况对转子位置精度需求进行确定，通过将Δθ_fin与第n次扫描步长Δθ_{e_n}进行对照可判断位置误差观测精度是否满足应用精度需求。

作为示例，为确保算法通用性，第一次扫描步长Δθ_{e_1}应大于通常的无传感器控制位置误差角度。

作为示例，第一次扫描步长Δθ_{e_1}设定为20°。

再进一步，由图2可知，当电机运行工况固定时，MTPA工况对应工作点的i_s值最小。同时，对于任意dq轴系，恒转矩曲线和MTPA工作点是唯一的。进而，对于相同转矩的工况，不同误差角对应d'q'轴系中的最小电流矢量i_s保持一致。本发明方法基于MTPA工作点的唯一性，通过对电流矢量的自适应搜寻策略，实现转子位置误差自学习策略。

电机运行过程中，通过选定的扫描步长进行电机工作点扫描，通过电流矢量模的绝对值大小，基于二分法思想，确定扫描方向并最终确定MTPA工作点位置。其中电机工作点扫描通过调整d轴电流指令值实现，使电机工作点沿恒转矩曲线移动，q轴电流指令值通过电流环自适应确定。由于所有工作点均位于电机恒转矩曲线上，故位置误差观测过程中电机工作状态保持恒定。

结合图3所示，在工作点扫描过程中，实时对比i_s数值的变化，当i_s达到最小值时终止扫描，此时工作点为MTPA工作点。

再进一步，MTPA工作点扫描过程：

在本发明方法法中，由于电机确定负载工况下的MTPA工作点是唯一的。故在确定负载工况下，与转子位置误差数值无关，可以沿恒转矩曲线将工作点移动到MTPA工作点，如图2所示。当工作点处于MTPA时，最小电流矢量幅值i_s的计算方法包括：

式中i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，ψ_f为永磁体磁链，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感。

经过MTPA工作点的扫描过程可以确定电流矢量模最小值位置，通过提取电流矢量扫描角度值和dq轴电流分配比例，可实现存在位置误差轴系和准确dq轴系间的位置误差角计算。在进行位置误差观测过程中，无需获取上述参数的具体数值，仅需获得dq轴系和d'q'轴系下的电流比例关系即可实现位置误差获取。

再进一步，本实施方式的步骤二中，建立了位置误差数学模型：

本发明方法中用同步旋转轴系dq指代准确的同步旋转轴系，存在位置误差的控制轴系d'q'指代存在位置误差的控制轴系，如图1所示。考虑到无传感器控制系统的位置误差，转子位置误差θ_err在电机稳态运行时保持恒定。由于无传感器控制中电流和电压信息均在观测d'q'轴系中获得，其交直轴电压数值u'_d、u'_q和交直轴电流数值i'_d、i'_q不同于准确轴系的dq轴电压和电流值。在本发明中，d轴电流i_d、q轴电流i_q、d轴电压u_d、q轴电压u_q与d'轴电流i′_d、q'轴电流i′_q、d'轴电压u′_d、q'轴电压u′_q之间的修正关系为：

式中C_d'q'→dq为存在位置误差的控制轴系d'q'与同步旋转轴系dq的变换矩阵。

在实施角度位置误差观测过程中，i'_d和i'_q通过控制器中的电流传感器获得，u'_d和u'_q数值通过电流环输出获得。由于本发明方法中电流矢量扫描过程并没有高频量的变化，同时通过控制扫描速度，可认为在整个转子位置观测过程中，电机状态始终处于稳态。

再进一步，位置误差求解过程：

最小电流矢量幅值i_s的计算方法给出了dq轴在MTPA工作点时的电流分配关系，在MTPA工作点，当获得d'q'轴系和dq轴系电流值时，可求得两坐标系之间位置误差θ_err；转子位置误差θ_err的计算方法包括：

θ_err＝ABS(arctan(i_d/i_s)-arctan(i'_d/i_s))。

式中ABS表示绝对值运算。

下面结合图5所示，对无传感器控制电机在线稳态工况下的转子位置误差观测和补偿流程进行说明：

1)经过无传感器控制策略实现电机在线控制，使得电机状态达到稳态；2)基于图3中展示的变步长矢量扫描策略环节，通过调整d轴电流指令值实现电机工作点的调整，其中q轴电流指令值通过电流调节器实现自适应调节，且使单次电流矢量调整后电机回归稳态；3)在实现每次电流矢量调整后对比Δθ_{e_n}和Δθ_fin数值，验证其是否满足转子位置观测精度要求；4)若满足精度要求，则根据图3所示的位置误差求解及补偿环节，基于转子位置误差θ_err计算公式实现位置误差求解，并在控制过程中进行补偿；若不满足精度要求，则重复步骤2)；5)当电机工况变化时，重复上述步骤。

结合图6至图8所示，为本发明方法进行位置误差观测及补偿结果的结果，分别为电机在20％，60％和100％负载时的实验波形，位置观测精度设置为1°。可以看出，本发明方法可将转子位置误差控制在1°(扫描补偿)以内，说明了所提出方法可有效实现转子观测误差的补偿，证明了其有效性和可行性。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，其特征在于包括，

步骤一：在电机确定负载工况下，以选定扫描步长在电机恒转矩曲线上进行工作点扫描，并确定MTPA工况点；

步骤二：由MTPA工况点对应的最小电流矢量幅值i_s，获得同步旋转轴系dq和存在位置误差的控制轴系d'q'之间的转子位置误差θ_err；所述转子位置误差θ_err用于对电机转子位置进行补偿；

步骤一中，所述选定扫描步长根据转子位置观测精度确定；

步骤一中，选定扫描步长的确定过程包括：

设定第一次扫描步长为Δθ_{e_1}；将d轴和α轴之间的角度差θ_e作为转子期望位置；

在无传感器观测位置θ_e+θ_err的两侧方向以步长Δθ_{e_1}分别进行扫描，获得两个工作点p_{1_1}和p_{1_2}；对两个工作点p_{1_1}和p_{1_2}对应的电流矢量幅值进行对比，取电流矢量幅值小的工作点所在方向作为下一步电流矢量扫描方向，继续进行扫描，直到满足：

Δθ_{e_n}≤Δθ_fin，

并将第n次扫描确定的工作点作为MTPA工况点；

式中Δθ_{e_n}为第n次扫描的扫描步长，Δθ_fin为转子位置观测精度；

扫描步长的变化满足二分法原理：

Δθ_{e_n}＝Δθ_{e_n-1}/2，n＝2,3,4,...。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，其特征在于，第一次扫描步长Δθ_{e_1}大于无传感器控制位置误差角度。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，其特征在于，第一次扫描步长Δθ_{e_1}设定为20°。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，其特征在于，所述工作点扫描通过调整d轴电流指令值实现，q轴电流指令值通过电流环自适应确定。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，其特征在于，最小电流矢量幅值i_s的计算方法包括：

式中i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，ψ_f为永磁体磁链，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，其特征在于，d轴电流i_d、q轴电流i_q、d轴电压u_d、q轴电压u_q与d'轴电流i′_d、q'轴电流i′_q、d'轴电压u′_d、q'轴电压u′_q之间的修正关系为：

式中C_d'q'→dq为存在位置误差的控制轴系d'q'与同步旋转轴系dq的变换矩阵。

7.根据权利要求6所述的永磁同步电机无位置传感器控制转子位置误差观测方法，其特征在于，转子位置误差θ_err的计算方法包括：

θ_err＝ABS(arctan(i_d/i_s)-arctan(i'_d/i_s))。

Images