CN115102450B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及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，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。所提方法不依赖电机参数，可以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；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。
Description
技术领域
本发明属于同步电机转子位置估算技术领域，涉及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，具体涉及一种零低速段在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。
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。
本发明通过在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。所提方法不依赖电机参数，可以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；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。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出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，结合凸极式永磁同步电机转子位置估算过程中高动态响应、相位延迟小和计算量小的需求，本发明提供一种具有快速动态响应特性的凸极式永磁同步电机零低速段转子位置估算方法，减少了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。
技术方案
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，其特征在于步骤如下：
步骤1：在αβ静止坐标系下，电机静止时，首先向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...，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，得：
其中：L1＝(Lq+Ld)/2，L1＝(Lq-Ld)/2，θr0为零速静止状态时转子初始位置；
之后，停止向α轴注入高频方波信号，并在相同的静止条件下，向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Vh＝(-1)kUh k＝0,1,2...，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，得：
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
采用上式得到直流分量idc，之后只向α轴注入高频信号，并根据得到的直流分量计算得到只含有转子位置信号的包络，并经外差法和锁相环，得到不含有磁极极性的转子位置信息
步骤2：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+；之后只向-α注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，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-；对比两次响应电流，若|iα+|＞|iα-|，则转子初始位置/>反之/>
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+；之后只向-β注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，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-，对比两次响应电流，若|iβ+|＞|iβ-|，则转子初始位置/>反之/>
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+；之后只向-α注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，对三相电流采样，并进行Clark变换，得到此时在-αα轴的响应电流iα-；对比两次响应电流，若|iα+|＞|iα-|，则转子初始位置/>反之/>
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+；之后只向-β注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，对三相电流采样，并进行Clark变换，得到此时在-ββ轴的响应电流iβ-；对比两次响应电流，若|iβ+|＞|iβ-|，则转子初始位置/>反之/>
步骤3：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；
将上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，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，得到低速时的实时估算转子位置
所述步骤3中，在α轴注入与步骤1中相同的高频方波信号，还包括在β轴注入与步骤1中相同的高频方波信号，信号处理过程与在α轴注入高频方波信号时类似，均得到相应结果。
有益效果
本发明提出的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，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。所提方法不依赖电机参数，可以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；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。
本发明的有益效果是：所提方法在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。所提方法实现简单，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。
附图说明
图1为凸极式永磁同步电机零低速段转子位置估算起动控制框图；
图2为凸极式永磁同步电机零低速段转子位置估算流程图；
图3为注入高频电压方波和电流响应信号图；
图4为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为给定转速与反馈估算转速对比仿真图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例中凸极式永磁同步电机零低速段转子位置估算起动控制框图如图1所示，其中永磁同步电机在零低速段的运行速度范围为0-200rpm。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，如图2所示，表达式如式(1)所示；
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L1＝(Lq+Ld)/2，L1＝(Lq-Ld)/2，θr0为零速静止状态时转子初始位置。
1.2对式(3)中信号分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iα_αh1、iα_βh1，可得
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，如式(5)所示；
通过传感器采集定子三相电流，并用(2)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，则有
1.4对式(6)中信号分别乘以(-1)k进行信号调制，解调后的电流信号记为iβ_αh1、iβ_βh1，可得
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由式(8)，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，并用式(2)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，并用式(2)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，并用式(2)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，并用式(2)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。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(10)中的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，并结合式(11)，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。
Claims (2)
1.一种具有快速动态特性的永磁同步电机转子位置估算方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在αβ静止坐标系下，电机静止时，首先向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...，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，得：
其中：L1＝(Lq+Ld)/2，L1＝(Lq-Ld)/2，θr0为零速静止状态时转子初始位置；
之后，停止向α轴注入高频方波信号，并在相同的静止条件下，向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Vh＝(-1)kUh k＝0,1,2...，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，得：
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
采用上式得到直流分量idc，之后只向α轴注入高频信号，并根据得到的直流分量计算得到只含有转子位置信号的包络，并经外差法和锁相环，得到不含有磁极极性的转子位置信息
步骤2：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+；之后只向-α注入相同幅值和脉宽的脉冲方波，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-；对比两次响应电流，若|iα+|＞|iα-|，则转子初始位置/>反之/>
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将上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，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，得到低速时的实时估算转子位置
2.根据权利要求1所述具有快速动态特性的永磁同步电机转子位置估算方法，其特征在于：所述步骤3中，在α轴注入与步骤1中相同的高频方波信号，还包括在β轴注入与步骤1中相同的高频方波信号，信号处理过程与在α轴注入高频方波信号时类似，均得到相应结果。
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| 基于无滤波器高频方波注入的IPMSM无传感器控制策略;傅睿潇;黄守道;王海龙;王家堡;;大电机技术;20181115(06);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115102450A (zh) | 2022-09-23 |
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