CN114977948B - 永磁同步电机的转子位置估算方法与装置 - Google Patents

永磁同步电机的转子位置估算方法与装置 Download PDF

Info

Publication number
CN114977948B
CN114977948B CN202210615753.8A CN202210615753A CN114977948B CN 114977948 B CN114977948 B CN 114977948B CN 202210615753 A CN202210615753 A CN 202210615753A CN 114977948 B CN114977948 B CN 114977948B
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
rotor position
axis
alpha
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210615753.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114977948A (zh
Inventor
张小科
马崇钊
刘皓东
刘卫国
焦宁飞
韩旭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwestern Polytechnical University
Original Assignee
Northwestern Polytechnical University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwestern Polytechnical University filed Critical Northwestern Polytechnical University
Priority to CN202210615753.8A priority Critical patent/CN114977948B/zh
Publication of CN114977948A publication Critical patent/CN114977948A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114977948B publication Critical patent/CN114977948B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/18—Estimation of position or speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/22—Current control, e.g. using a current control loop
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/022—Synchronous motors
    • H02P25/024—Synchronous motors controlled by supply frequency
    • H02P25/026—Synchronous motors controlled by supply frequency thereby detecting the rotor position
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/183—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using an injected high frequency signal
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/185—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using inductance sensing, e.g. pulse excitation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05—Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Abstract

本发明实施例公开了一种永磁同步电机的转子位置估算方法与装置。该方法通过在α/β静止坐标系下注入方波信号，采用纯延迟滤波方法，在αβ两相静止坐标系下提取响应信号并进行零速初始转子位置估算；同时，在零速静止状态获取相应的直流分量，并将其用于低速段的转子位置估算。通过本发明，解决了相关技术中采用带通、低通滤波器对响应信号进行处理，容易导致系统动态响应特性较差、数据运算量大及转子位置估算误差较大的问题，达到了有效减小数据运算量，同时避免了对低通和带通等滤波器的使用，提高了系统动态响应速度和转子位置估算精度的技术效果。

Description

永磁同步电机的转子位置估算方法与装置
技术领域
本发明涉及同步电机转子位置估算技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机的转子位置估算方法与装置。
背景技术
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)因高功率密度、高效率等优点被广泛应用于航空航天及其他工业领域。目前多采用基于转子磁场定向的矢量控制方式实现对永磁同步电机的高性能控制，这就需要获取准确的转子位置信息。传统基于位置传感器的转子位置获取方式不仅增加了系统成本、尺寸和重量，而且对使用环境有着比较严格的要求，而这降低了其适用范围和系统的可靠性。
转子位置估算技术通过检测电机三相绕组中携带转子位置信息的电压/电流等有效信号，并采用一定的控制算法来实现对转子位置较为精准的估算，可以避免上述限制，代表了三相PMSM系统的发展趋势。根据转子位置估算技术的运行机理，主要分为零低速和中高速段下的两类转子位置估算方法，零低速段时主要根据电机凸极性并以辅助信号实现对转子位置信息的提取，中高速段主要通过基波反电动势或电机的磁链来实现对转子位置的估算。其中，中高速段的转子位置估算技术较为成熟。
零低速时，主要利用电机凸极性，并注入高频辅助电压信号，通过提取包含转子位置信息的响应信号，对转子位置进行估算。在零速静止时的转子位置估算还包括对转子磁极方向的辨识。传统零低速转子位置估算步骤主要包括：1、旋转或高频信号注入；2、带通滤波器对响应信号进行提取；3、信号解调；4、低通滤波器获取信号包络；5、锁相环或反正切法对转子位置进行估算。
由上述步骤可以看出，传统方法中对响应信号进行处理时，采用了如带通、低通滤波器对响应信号进行处理，这不可避免的导致以下问题：1、降低了系统相应控制环路的带宽，导致系统动态响应特性较差；2、给转子位置估算带来了较大的相位延迟和误差；3、数据运算量较大，对处理器要求较高。零速静止状态对磁极方向进行判断时，依赖估算的角度进行坐标变换。
针对相关技术中采用带通、低通滤波器对响应信号进行处理，容易导致系统动态响应特性较差、数据运算量大及转子位置估算误差较大的问题，尚未提出有效地解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种永磁同步电机的转子位置估算方法与装置，以至少解决相关技术中采用带通、低通滤波器对响应信号进行处理，容易导致系统动态响应特性较差、数据运算量大及转子位置估算误差较大的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种永磁同步电机的转子位置估算方法，包括：步骤1：在αβ静止坐标系下，向α轴注入周期为Th、正负占空比对称且幅值为Uh的高频方波信号，即Vh＝(-1)kUh k＝0,1,2...，并通过传感器在每个方波高电平和低电平结束时采集定子三相电流，记为iah、ibh、ich，将其经Clark变换到静止坐标系，得到iα_αh、iα_βh，对信号iα_αh、iα_βh分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iα_αh1、iα_βh1，可得：其中，L0＝(Lq+Ld)/2，L1＝(Lq-Ld)/2，Ld为d轴电感值，Lq为q轴电感值，θr0为零速静止状态时的转子初始位置；在β轴注入周期为Th、正负占空比对称且幅值为Uh的高频方波信号，即Vh＝(-1)kUh k＝0,1,2...，并通过传感器在方波高电平和低电平结束时采集定子三相电流，其经Clark变换到静止坐标系，得到iβ_αh、iβ_βh，对信号iβ_αh、iβ_βh分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iβ_αh1、iβ_βh1，可得：
对解调后的信号iα_αh1、iα_βh1和iβ_αh1、iβ_βh1作数学处理，得到与不含转子位置信息的直流量直流分量idc、与初始位置相关且幅值加倍的两个直流量/>经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息/>步骤2：在α轴注入与步骤1中相同的高频方波信号，采用级联型纯延迟滤波器在αβ静止坐标系下对高频响应信号进行提取，高频响应信号记为iαh、iβh；将所述高频方波响应信号iαh、iβh乘以(-1)k进行解调，得到解调后的信号为：/>之后将α轴注入时高频电流的iαh1与2倍直流信号idc作差，可得如下信号：
根据步骤1中得到的所述转子初始位置，并由外差法得到的转子位置误差经过锁相环处理，可得到实时估算转子位置/>
可选地，在经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息之后，所述方法还包括：当/>时，在+α轴注入幅值为Uh1的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并进行Clark变换，得到此时在α轴的响应电流iα+；在-α注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在α轴的响应电流iα-；若|iα+|＞|iα-|，则转子初始位置/>反之/>
可选地，在经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息之后，所述方法还包括：当/>时，在+β轴注入幅值为Uh1的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并进行Clark变换，得到此时在β轴的响应电流iβ+；在-β注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在β轴的响应电流iβ-；若|iβ+|＞|iβ-|，则转子初始位置/>反之/>
可选地，在经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息之后，所述方法还包括：当/>时，在+α轴注入幅值为Uh1的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并进行Clark变换，得到此时在α轴的响应电流iα+；在-α注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在α轴的响应电流iα-；若|iα+|＞|iα-|，则转子初始位置/>反之/>
可选地，在经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息之后，所述方法还包括：当/>时，在+β轴注入幅值为Uh1的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并进行Clark变换，得到此时在β轴的响应电流iβ+；在-β注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在β轴的响应电流iβ-；若|iβ+|＞|iβ-|，则转子初始位置/>反之/>
可选地，对解调后的信号iα_αh1、iα_βh1和iβ_αh1、iβ_βh1作数学处理，得到与不含转子位置信息的直流量直流分量idc、与初始位置相关且幅值加倍的两个直流量包括：将iα_αh1与iβ_βh1求和得到与不含转子位置信息的直流量idc；将iα_βh1与iβ_αh1求和、将iα_αh1与iβ_βh1作差得到与初始位置相关且幅值加倍的两个直流量，分别记为/>
可选地，所述方法还包括：在β轴注入与步骤1中相同的高频方波信号，其信号处理过程与位置估算方法与所述步骤2相同。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种永磁同步电机的转子位置估算装置，包括：第一处理模块，用于在αβ静止坐标系下，向α轴注入周期为Th、正负占空比对称且幅值为Uh的高频方波信号，即Vh＝(-1)kUh k＝0,1,2...，并通过传感器在每个方波高电平和低电平结束时采集定子三相电流，记为iah、ibh、ich，将其经Clark变换到静止坐标系，得到iα_αh、iα_βh，对信号iα_αh、iα_βh分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iα_αh1、iα_βh1，可得：其中，L0＝(Lq+Ld)/2，L1＝(Lq-Ld)/2，Ld为d轴电感值，Lq为q轴电感值，θr0为零速静止状态时的转子初始位置；在β轴注入周期为Th、正负占空比对称且幅值为Uh的高频方波信号，即Vh＝(-1)kUh k＝0,1,2...，并通过传感器在方波高电平和低电平结束时采集定子三相电流，其经Clark变换到静止坐标系，得到iβ_αh、iβ_βh，对信号iβ_αh、iβ_βh分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iβ_αh1、iβ_βh1，可得：
对解调后的信号iα_αh1、iα_βh1和iβ_αh1、iβ_βh1作数学处理，得到与不含转子位置信息的直流量直流分量idc、与初始位置相关且幅值加倍的两个直流量/>经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息/>第二处理模块，用于在α轴注入与步骤1中相同的高频方波信号，采用级联型纯延迟滤波器在αβ静止坐标系下对高频响应信号进行提取，高频响应信号记为iαh、iβh；将所述高频方波响应信号iαh、iβh乘以(-1)k进行解调，得到解调后的信号为：
之后将α轴注入时高频电流的iαh1与2倍直流信号idc作差，可得如下信号：/>根据步骤1中得到的所述转子初始位置，并由外差法得到的转子位置误差经过锁相环处理，可得到实时估算转子位置/>
根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为执行上述中任意一项所述的永磁同步电机的转子位置估算方法。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述中任意一项所述的永磁同步电机的转子位置估算方法。
本发明实施例中，通过在α/β静止坐标系下注入方波信号，采用纯延迟滤波方法，在αβ两相静止坐标系下提取响应信号并进行零速初始转子位置估算；同时，在零速静止状态获取相应的直流分量，并将其用于低速段的转子位置估算。也就是说，本发明实施例不依赖电机参数，零速静止对转子位置进行估算时不需要估算角度进行坐标变换，进而解决了相关技术中采用带通、低通滤波器对响应信号进行处理，容易导致系统动态响应特性较差、数据运算量大及转子位置估算误差较大的问题，达到了有效减小数据运算量，同时避免了对低通和带通等滤波器的使用，提高了系统动态响应速度和转子位置估算精度的技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种永磁同步电机的转子位置估算起动控制框图；
图2为本发明实施例提供的一种永磁同步电机的转子位置估算的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种注入高频电压方波和电流响应信号图；
图4为本发明实施例提供的一种零速静止脉冲电压方波的电流响应和初始转子位置估算仿真结果图；
图5为本发明实施例提供的一种低速时估算转子位置、实际转子位置及估算误差仿真图；
图6为本发明实施例提供的一种给定转速与反馈估算转速对比仿真图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于限定特定顺序。
本发明实施例提供一种永磁同步电机的转子位置估算方法，其中，永磁同步电机的转子位置估算起动控制如图1所示，永磁同步电机的转子位置估算流程如图2所示。在实施过程中，本申请实施例提供的永磁同步电机的转子位置估算方法主要包括以下步骤：
步骤1：在αβ静止坐标系下，向α轴注入周期为Th、正负占空比对称且幅值为Uh的高频方波信号，即Vh＝(-1)kUh k＝0,1,2...，并通过传感器在每个方波高电平和低电平结束时采集定子三相电流，记为iah、ibh、ich，将其经Clark变换到静止坐标系，得到iα_αh、iα_βh，对信号iα_αh、iα_βh分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iα_αh1、iα_βh1，可得：其中，L0＝(Lq+Ld)/2，L1＝(Lq-Ld)/2，Ld为d轴电感值，Lq为q轴电感值，θr0为零速静止状态时的转子初始位置；
在β轴注入周期为Th、正负占空比对称且幅值为Uh的高频方波信号，即Vh＝(-1)kUhk＝0,1,2...，并通过传感器在方波高电平和低电平结束时采集定子三相电流，其经Clark变换到静止坐标系，得到iβ_αh、iβ_βh，对信号iβ_αh、iβ_βh分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iβ_αh1、iβ_βh1，可得：
对解调后的信号iα_αh1、iα_βh1和iβ_αh1、iβ_βh1作数学处理，得到与不含转子位置信息的直流量直流分量idc、与初始位置相关且幅值加倍的两个直流量/>经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息/>
上述Uh的取值可以根据应用场景的需要而设置。
步骤2：在α轴注入与步骤1中相同的高频方波信号，采用级联型纯延迟滤波器在αβ静止坐标系下对高频响应信号进行提取，高频响应信号记为iαh、iβh；将高频方波响应信号iαh、iβh乘以(-1)k进行解调，得到解调后的信号为：之后将α轴注入时高频电流的iαh1与2倍直流信号idc作差，可得如下信号：
根据步骤1中得到的转子初始位置，并由外差法得到的转子位置误差经过锁相环处理，可得到实时估算转子位置/>
需要说明的是，上述方法的应用场景包括但不限于凸极式永磁同步电机转子位置估算，特别是在零低速段转子位置估算，其中，该永磁同步电机在零低速段的运行速度范围为0-200rpm。
本发明实施例中，通过在α/β静止坐标系下注入方波信号，采用纯延迟滤波方法，在αβ两相静止坐标系下提取响应信号并进行零速初始转子位置估算；同时，在零速静止状态获取相应的直流分量，并将其用于低速段的转子位置估算。也就是说，本发明实施例不依赖电机参数，零速静止对转子位置进行估算时不需要估算角度进行坐标变换，进而解决了相关技术中采用带通、低通滤波器对响应信号进行处理，容易导致系统动态响应特性较差、数据运算量大及转子位置估算误差较大的问题，达到了有效减小数据运算量，同时避免了对低通和带通等滤波器的使用，提高了系统动态响应速度和转子位置估算精度的技术效果。
在一种可选的实施方式中，在经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息之后，上述方法还包括：当/>时，在+α轴注入幅值为Uh1的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并进行Clark变换，得到此时在α轴的响应电流iα+；在-α注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在α轴的响应电流iα-；若|iα+|＞|iα-|，则转子初始位置/>反之/>
在一种可选的实施方式中，在经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息之后，上述方法还包括：当/>时，在+β轴注入幅值为Uh1的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并进行Clark变换，得到此时在β轴的响应电流iβ+；在-β注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在β轴的响应电流iβ-；若|iβ+|＞|iβ-|，则转子初始位置/>反之/>
在一种可选的实施方式中，在经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息之后，上述方法还包括：当/>时，在+α轴注入幅值为Uh1的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并进行Clark变换，得到此时在α轴的响应电流iα+；在-α注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在α轴的响应电流iα-；若|iα+|＞|iα-|，则转子初始位置/>反之/>
在一种可选的实施方式中，在经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息之后，上述方法还包括：当/>时，在+β轴注入幅值为Uh1的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并进行Clark变换，得到此时在β轴的响应电流iβ+；在-β注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在β轴的响应电流iβ-；若|iβ+|＞|iβ-|，则转子初始位置/>反之/>
上述Uh1的取值可以根据应用场景的需要而设置。
在一种可选的实施方式中，对解调后的信号iα_αh1、iα_βh1和iβ_αh1、iβ_βh1作数学处理，得到与不含转子位置信息的直流量直流分量idc、与初始位置相关且幅值加倍的两个直流量包括：将iα_αh1与iβ_βh1求和得到与不含转子位置信息的直流量idc；将iα_βh1与iβ_αh1求和、将iα_αh1与iβ_βh1作差得到与初始位置相关且幅值加倍的两个直流量，分别记为
在一种可选的实施方式中，方法还包括：在β轴注入与步骤1中相同的高频方波信号，其信号处理过程与位置估算方法与步骤2相同。
下面以凸极式永磁同步电机为例，对本发明的可选实施方式进行详细说明。
由于凸极式永磁同步电机转子位置估算过程中具有高动态响应、相位延迟小和计算量小的需求，本发明可选实施例提供了一种零低速段在α/β静止坐标系下注入高频方波信号，并根据αβ静止坐标系下高频电流响应信号对凸极式永磁同步电机转子位置进行估算的方法。该方法能够减少对低通滤波器等的使用，使系统能够更快、更精确的在零低速下对转子位置进行实时估算。该实施例包含的具体步骤如下：
1：在αβ静止坐标系下，分别向α轴和β轴注入方波辅助信号，并依据响应电流信号对零速静止状态下的转子位置进行估算。具体为：
1.1在α轴注入周期为Th、正负占空比对称且幅值为Uh＝5V的高频方波信号，该高频方波信号如图3所示，表达式如下：
并通过传感器采集定子三相电流，记为iah、ibh、ich。根据Clark坐标变换公式：
计算三相高频响应电流在αβ两相静止坐标系下的电流，记为iα_αh、iα_βh。则有：
其中，L0＝(Lq+Ld)/2，L1＝(Lq-Ld)/2，θr0为零速静止状态时转子初始位置。
进一步地，零速静止脉冲电压方波的电流响应和初始转子位置的估算仿真结果如图4所示。
1.2对信号iα_αh、iα_βh分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iα_αh1、iα_βh1，其表达式如下：
1.3在β轴注入周期为Th、正负占空比对称且幅值为Uh＝5V的高频方波信号，其表达式如下：
通过传感器采集定子三相电流，并用Clark坐标变换公式进行坐标变换，计算高频响应电流在αβ静止坐标系下的响应电流，记为iβ_αh、iβ_βh，其表达式如下：
1.4对信号iβ_αh、iβ_βh分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iβ_αh1、iβ_βh1，其表达式如下：
1.5对解调后的信号iα_αh1、iα_βh1和iβ_αh1、iβ_βh1作数学处理。将iα_αh1与iβ_βh1求和得到与转子位置信息无关的直流量idc；将iα_βh1与iβ_αh1求和、将iα_αh1与iβ_βh1作差得到与初始位置相关且幅值加倍的两个直流量，分别记为即
1.6由idc、通过外差法并经锁相环，可以估算得到不含磁极极性的转子位置信息/>
1.7当时，在+α轴注入幅值为Uh1＝10V的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并用Clark坐标变换公式进行坐标变换，得到此时在α轴的响应电流iα+；在-α注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在α轴的响应电流iα-；若|iα+|＞|iα-|，则转子初始位置/>反之/>当/>时，在+β轴注入幅值为Uh1＝10V的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并用Clark坐标变换公式进行坐标变换，得到此时在β轴的响应电流iβ+；在-β注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在β轴的响应电流iβ-；若|iβ+|＞|iβ-|，则转子初始位置/>反之/>当/>时，在+α轴注入幅值为Uh1＝10V的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并用Clark坐标变换公式进行坐标变换，得到此时在α轴的响应电流iα+；在-α注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在α轴的响应电流iα-；若|iα+|＞|iα-|，则转子初始位置/>反之/>当/>时，在+β轴注入幅值为Uh1＝10V的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并用Clark坐标变换公式进行坐标变换，得到此时在β轴的响应电流iβ+；在-β注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在β轴的响应电流iβ-；若|iβ+|＞|iβ-|，则转子初始位置反之/>
2：在αβ静止坐标系下，向α轴注入高频方波辅助信号，并依据高频响应电流信号对低速时的转子位置进行估算，其中，低速时估算转子位置、实际转子位置及估算误差如图5所示，给定转速(参考转速)与反馈估算转速(实际转速)如图6所示。具体为：
2.1在α轴注入与步骤1.1中相同的高频方波信号，采用级联型纯延迟滤波器在αβ静止坐标系下对高频响应信号进行提取，高频响应信号可表示为：
2.2将上述高频方波响应信号乘以(-1)k进行解调，得到解调后的信号为：
2.3将iαh1与步骤1.5中的2倍直流信号作差，可得如下信号：
2.4根据步骤1中得到的转子初始位置，并结合上述表达式，经外差法和锁相环处理，可得到低速时的实时转子位置θr。
本发明步骤2中，向α轴注入高频方波辅助信号，也可向β轴注入高频方波辅助信号，信号处理过程与位置估算方法相同。
本发明的上述实施方式能够取得以下有益效果：该方法在αβ静止坐标系下实现了对零低速段的转子位置估算，避免了零速状态下磁极判断对估算位置的依赖，同时在低速段时不依赖带通及低通滤波器，减小了运算量及估算延迟。另外，该方法实现简单，有助于提高凸极式永磁同步电机零低速运行时估算位置的动态响应特性、估算精度和控制器运算效率。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种永磁同步电机的转子位置估算装置，该永磁同步电机的转子位置估算装置包括：第一处理模块和第一处理模块。下面对该永磁同步电机的转子位置估算装置进行详细说明。
第一处理模块，用于在αβ静止坐标系下，向α轴注入周期为Th、正负占空比对称且幅值为Uh的高频方波信号，即Vh＝(-1)kUh k＝0,1,2...，并通过传感器在每个方波高电平和低电平结束时采集定子三相电流，记为iah、ibh、ich，将其经Clark变换到静止坐标系，得到iα_αh、iα_βh，对信号iα_αh、iα_βh分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iα_αh1、iα_βh1，可得：其中，L0＝(Lq+Ld)/2，L1＝(Lq-Ld)/2，Ld为d轴电感值，Lq为q轴电感值，θr0为零速静止状态时的转子初始位置；在β轴注入周期为Th、正负占空比对称且幅值为Uh的高频方波信号，即Vh＝(-1)kUh k＝0,1,2...，并通过传感器在方波高电平和低电平结束时采集定子三相电流，其经Clark变换到静止坐标系，得到iβ_αh、iβ_βh，对信号iβ_αh、iβ_βh分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iβ_αh1、iβ_βh1，可得：
对解调后的信号iα_αh1、iα_βh1和iβ_αh1、iβ_βh1作数学处理，得到与不含转子位置信息的直流量直流分量idc、与初始位置相关且幅值加倍的两个直流量/>经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息/>
第二处理模块，连接至上述第一处理模块，用于在α轴注入与步骤1中相同的高频方波信号，采用级联型纯延迟滤波器在αβ静止坐标系下对高频响应信号进行提取，高频响应信号记为iαh、iβh；将高频方波响应信号iαh、iβh乘以(-1)k进行解调，得到解调后的信号为：之后将α轴注入时高频电流的iαh1与2倍直流信号idc作差，可得如下信号：/>根据步骤1中得到的转子初始位置，并由外差法得到的转子位置误差经过锁相环处理，可得到实时估算转子位置/>
需要说明的是，上述各个模块是可以通过软件或硬件来实现的，例如，对于后者，可以通过以下方式实现：上述各个模块可以位于同一处理器中；和/或，上述各个模块以任意组合的方式位于不同的处理器中。
本发明实施例中，该永磁同步电机的转子位置估算装置通过在α/β静止坐标系下注入方波信号，采用纯延迟滤波方法，在αβ两相静止坐标系下提取响应信号并进行零速初始转子位置估算；同时，在零速静止状态获取相应的直流分量，并将其用于低速段的转子位置估算。也就是说，本发明实施例不依赖电机参数，零速静止对转子位置进行估算时不需要估算角度进行坐标变换，进而解决了相关技术中采用带通、低通滤波器对响应信号进行处理，容易导致系统动态响应特性较差、数据运算量大及转子位置估算误差较大的问题，达到了有效减小数据运算量，同时避免了对低通和带通等滤波器的使用，提高了系统动态响应速度和转子位置估算精度的技术效果。
此处需要说明的是，上述第一处理模块和第一处理模块对应于方法实施例中的步骤1和步骤2，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述方法实施例所公开的内容。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，处理器被配置为执行上述中任意一项的永磁同步电机的转子位置估算方法。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在程序运行时控制计算机可读存储介质所在设备执行上述中任意一项的永磁同步电机的转子位置估算方法。
需要说明的是，上述计算机可读存储介质可以位于计算机网络中计算机终端群中的任意一个计算机终端中，和/或位于移动终端群中的任意一个移动终端中，上述计算机可读存储介质包括存储的程序。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有上述中任意一项的永磁同步电机的转子位置估算方法步骤的程序。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机的转子位置估算方法，其特征在于，包括：
步骤1：在αβ静止坐标系下，向α轴注入周期为Th、正负占空比对称且幅值为Uh的高频方波信号，即Vh＝(-1)kUh k＝0,1,2...，并通过传感器在每个方波高电平和低电平结束时采集定子三相电流，记为iah、ibh、ich，将其经Clark变换到静止坐标系，得到iα_αh、iα_βh，对信号iα_αh、iα_βh分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iα_αh1、iα_βh1，可得：
其中，L0＝(Lq+Ld)/2，L1＝(Lq-Ld)/2，Ld为d轴电感值，Lq为q轴电感值，θr0为零速静止状态时的转子初始位置；
在β轴注入周期为Th、正负占空比对称且幅值为Uh的高频方波信号，即Vh＝(-1)kUh k＝0,1,2...，并通过传感器在方波高电平和低电平结束时采集定子三相电流，其经Clark变换到静止坐标系，得到iβ_αh、iβ_βh，对信号iβ_αh、iβ_βh分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iβ_αh1、iβ_βh1，可得：
对解调后的信号iα_αh1、iα_βh1和iβ_αh1、iβ_βh1作数学处理，得到与不含转子位置信息的直流量直流分量idc、与初始位置相关且幅值加倍的两个直流量经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息/>
步骤2：在α轴注入与步骤1中相同的高频方波信号，采用级联型纯延迟滤波器在αβ静止坐标系下对高频响应信号进行提取，高频响应信号记为iαh、iβh；
将所述高频方波响应信号iαh、iβh乘以(-1)k进行解调，得到解调后的信号为：
之后将α轴注入时高频电流的iαh1与2倍直流信号idc作差，可得如下信号：
根据步骤1中得到的所述转子初始位置，并由外差法得到的转子位置误差经过锁相环处理，可得到实时估算转子位置
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息之后，所述方法还包括：
当时，在+α轴注入幅值为Uh1的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并进行Clark变换，得到此时在α轴的响应电流iα+；在-α注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在α轴的响应电流iα-；若|iα+|＞|iα-|，则转子初始位置反之/>
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息之后，所述方法还包括：
当时，在+β轴注入幅值为Uh1的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并进行Clark变换，得到此时在β轴的响应电流iβ+；在-β注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在β轴的响应电流iβ-；若|iβ+|＞|iβ-|，则转子初始位置反之/>
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息之后，所述方法还包括：
当时，在+α轴注入幅值为Uh1的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并进行Clark变换，得到此时在α轴的响应电流iα+；在-α注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在α轴的响应电流iα-；若|iα+|＞|iα-|，则转子初始位置反之/>
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息之后，所述方法还包括：
当时，在+β轴注入幅值为Uh1的脉冲方波，在脉冲方波注入结束时刻，对三相电流采样，并进行Clark变换，得到此时在β轴的响应电流iβ+；在-β注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，采用同样的方法得到在β轴的响应电流iβ-；若|iβ+|＞|iβ-|，则转子初始位置反之/>
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对解调后的信号iα_αh1、iα_βh1和iβ_αh1、iβ_βh1作数学处理，得到与不含转子位置信息的直流量直流分量idc、与初始位置相关且幅值加倍的两个直流量包括：
将iα_αh1与iβ_βh1求和得到与不含转子位置信息的直流量idc；将iα_βh1与iβ_αh1求和、将iα_αh1与iβ_βh1作差得到与初始位置相关且幅值加倍的两个直流量，分别记为
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在β轴注入与步骤1中相同的高频方波信号，其信号处理过程与位置估算方法与所述步骤2相同。
8.一种永磁同步电机的转子位置估算装置，其特征在于，包括：
第一处理模块，用于在αβ静止坐标系下，向α轴注入周期为Th、正负占空比对称且幅值为Uh的高频方波信号，即Vh＝(-1)kUh k＝0,1,2...，并通过传感器在每个方波高电平和低电平结束时采集定子三相电流，记为iah、ibh、ich，将其经Clark变换到静止坐标系，得到iα_αh、iα_βh，对信号iα_αh、iα_βh分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iα_αh1、iα_βh1，可得：其中，L0＝(Lq+Ld)/2，L1＝(Lq-Ld)/2，Ld为d轴电感值，Lq为q轴电感值，θr0为零速静止状态时的转子初始位置；在β轴注入周期为Th、正负占空比对称且幅值为Uh的高频方波信号，即Vh＝(-1)kUh k＝0,1,2...，并通过传感器在方波高电平和低电平结束时采集定子三相电流，其经Clark变换到静止坐标系，得到iβ_αh、iβ_βh，对信号iβ_αh、iβ_βh分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iβ_αh1、iβ_βh1，可得：对解调后的信号iα_αh1、iα_βh1和iβ_αh1、iβ_βh1作数学处理，得到与不含转子位置信息的直流量直流分量idc、与初始位置相关且幅值加倍的两个直流量/>经外差法和锁相环处理，得到不含磁极极性的转子位置信息/>
第二处理模块，用于在α轴注入与步骤1中相同的高频方波信号，采用级联型纯延迟滤波器在αβ静止坐标系下对高频响应信号进行提取，高频响应信号记为iαh、iβh；将所述高频方波响应信号iαh、iβh乘以(-1)k进行解调，得到解调后的信号为：之后将α轴注入时高频电流的iαh1与2倍直流信号idc作差，可得如下信号：根据第一处理模块中得到的所述转子初始位置，并由外差法得到的转子位置误差经过锁相环处理，可得到实时估算转子位置/>
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为执行权利要求1至7中任意一项所述的永磁同步电机的转子位置估算方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行权利要求1至7中任意一项所述的永磁同步电机的转子位置估算方法。
CN202210615753.8A 2022-05-31 2022-05-31 永磁同步电机的转子位置估算方法与装置 Active CN114977948B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210615753.8A CN114977948B (zh) 2022-05-31 2022-05-31 永磁同步电机的转子位置估算方法与装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210615753.8A CN114977948B (zh) 2022-05-31 2022-05-31 永磁同步电机的转子位置估算方法与装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114977948A CN114977948A (zh) 2022-08-30
CN114977948B true CN114977948B (zh) 2024-03-08

Family

ID=82958914

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210615753.8A Active CN114977948B (zh) 2022-05-31 2022-05-31 永磁同步电机的转子位置估算方法与装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114977948B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110429886A (zh) * 2019-07-19 2019-11-08 江苏大学 一种永磁同步电机低速域转子位置辨识方法
WO2020155864A1 (zh) * 2019-01-30 2020-08-06 广东美的白色家电技术创新中心有限公司 电机的转子位置估算方法、装置和电机控制系统
CN112737450A (zh) * 2020-12-24 2021-04-30 上海大学 一种用于spmsm转子位置估计的高频注入补偿方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020155864A1 (zh) * 2019-01-30 2020-08-06 广东美的白色家电技术创新中心有限公司 电机的转子位置估算方法、装置和电机控制系统
CN110429886A (zh) * 2019-07-19 2019-11-08 江苏大学 一种永磁同步电机低速域转子位置辨识方法
CN112737450A (zh) * 2020-12-24 2021-04-30 上海大学 一种用于spmsm转子位置估计的高频注入补偿方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于高频注入法的永磁同步电机系统无位置传感器起动;王志强;王朝阳;姚波;谢赛飞;;新型工业化;20200131(第01期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114977948A (zh) 2022-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110429886B (zh) 一种永磁同步电机低速域转子位置辨识方法
CN108111065A (zh) 一种基于脉振高频电压注入的六相永磁同步电机无传感器控制系统及方法
CN109802618B (zh) 基于无滤波器的永磁同步电机转子初始位置辨识方法
CN110311608B (zh) 一种最优注入角的高频方波电压注入永磁同步电机无位置传感器控制方法
CN106655952B (zh) 一种检测永磁同步电机转子初始位置的电流包络线法
CN107508521B (zh) 一种永磁同步电机的无速度传感器控制方法和系统
CN110165959B (zh) 一种永磁同步电机自抗扰无位置传感器控制方法及控制装置
CN110071674B (zh) 一种无位置传感器永磁同步电机最大转矩电流比控制方法
CN111239466B (zh) 一种同步电机谐波电流检测方法及系统
CN109639202B (zh) 一种永磁同步电机转子磁极极性判断方法
WO2017107105A1 (zh) 用于在线估计表面式永磁电机的初始位置的方法和装置
CN113037170B (zh) 电机控制方法、装置及终端设备
CN109450326B (zh) 转子初始位置检测方法、设备及计算机可读存储介质
CN111654220A (zh) 一种内插式永磁同步电机转子位置信息提取方法
CN110880897A (zh) 电机的控制方法及装置、驱动装置
CN114977948B (zh) 永磁同步电机的转子位置估算方法与装置
CN112054734A (zh) 永磁同步电机的低速无速度传感器mtpa控制方法及系统
CN115102450B (zh) 一种具有快速动态特性的永磁同步电机转子位置估算方法
CN113241975B (zh) 消除转矩脉动的双绕组pmsm转子初始位置检测方法
CN115021640B (zh) 一种高动态响应的永磁同步电机零低速转子位置估算方法
CN106911283B (zh) 用于在线估计表面式永磁电机的初始位置的方法和装置
Hu et al. Optimization of Permanent Magnet Synchronous Motor Speed and Rotor Position Detection Based on High Frequency Pulsation Voltage Injection Method
Zhengguang et al. Research on Method of position identification of PMSM based on High Frequency Square Wave Voltage Injection
CN116526917A (zh) 基于励磁信号方波调制的多级式电机初始位置估算方法
CN116191957A (zh) 基于励磁信号正弦调制的多级式电机初始位置估算方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant