CN115378337A - 一种永磁同步电机转子位置的磁通检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转子位置的磁通检测方法中，采用INFORM方法进行转子位置检测时，改变参考电压的注入角度，使注入的参考电压超出重构不可观测区，从而可以通过母线上的单电流传感器采样来重构三相电流，进而得到三次注入参考电压引起的电流变化量，最后可基于电流变化量计算得到转子的位置，解决INFORM方法与单电流采样重构相电流方法结合使用时，因注入的参考电压处于重构不可观测区，无法直接使用单电流采样重构相电流方法的技术问题。

Description

一种永磁同步电机转子位置的磁通检测方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体地说，是涉及一种永磁同步电机转子位置的磁通检测方法。

背景技术

在高性能永磁同步电机控制系统中，转子位置信息的准确获取是检测系统性能的重要指标。当前采用的位置传感器不仅会增加成本、增大体积，还会降低系统的可靠性，同时也限制了其他一些不方便安装传感器的情况下的应用。另外，电流采样是调速控制方案中的一个关键环节，而电流采样的部件也是系统成本中较重的负担，使用母线上的单个电流传感器采样来重构三相电流，能够减少电流传感器的使用，可以在无位置传感器控制的基础上进一步降低系统成本。

INFORM方法(基于在线电抗测量的间接磁通检测法)又称为离散信号注入法，是针对永磁同步电机低速运行提出的最早的无位置传感器控制方法。常规的INFORM方法在观测转子位置时，利用三个控制周期分别在A、B、C三相绕组的轴线注入等幅的电压矢量，然后检测三个轴线处的电流变化量，通过公式推导计算得出转子位置。

然而常规INFORM方法注入的参考电压矢量处于重构不可观测区(无法进行相电流重构的区域，如图1阴影部分所示，该区域内无法获得电机相电流信息而导致电机失控)，这样便导致了INFORM方法不能与单电流传感器采样重构相电流方法结合使用。这种情况下，可以通过移相来解决这个问题，即通过PWM相移来增加有效电压矢量作用时间、增加电流传感器采样窗口满足采样最小时间的条件，但是PWM相移会破坏七段式SVPWM的对称性，并可能产生新的矢量，导致PWM和电压谐波分量，同时，由于执行INFORM方法期间携带转子位置信息的电流变化比较小，相移所引起的谐波势必会导致采样电流不准确，最后造成INFORM方法估算转子位置产生错误或误差较大。

可以看出，上述情况导致INFORM方法无法直接使用母线上的电流传感器采样重构出三相电流得到电流变化量进而计算得到转子位置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁同步电机转子位置的磁通检测方法，对常规INFORM方法进行改进，使参考电压超出重构不可观测区，得以满足单电流采样重构相电流的条件，解决INFORM方法与单电流采样重构相电流方法结合使用时，因注入的参考电压处于重构不可观测区，无法直接使用单电流采样重构相电流方法的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

提出一种永磁同步电机转子位置的磁通检测方法，包括：

(1)利用三个PWM控制周期注入等幅参考电压

其中，θ₀为第一个参考电压的注入角度，第二、三个参考电压依次延后120°注入；U_h表示注入电压的幅值，满足U_h介于最大注入电压幅值U_max与最小注入电压幅值U_min之间；θ₀的要求为：

T_s表示一个PWM控制周期的时间；U^*为非零基本电压矢量的幅值；U_DC表示母线电压的幅值；U_h为注入电压的幅值；最小注入电压幅值U_min为满足电流传感器采样最小采样时间时的电压幅值；最大注入电压U_max幅值由系统所需的电能和产生的噪声等因素决定；

(2)计算三次参考电压注入引起的电流变化量；

(3)基于

计算转子位置；

其中，θ_r为转子的位置；L₀、L₁分别为转子轴系下直、交轴电感平均值及其差值的一半，分别为：

L_d为转子轴系下直轴电感，L_q为转子轴系下交轴电感；i_αβk为采样周期内α轴和β轴的电流变化量；α轴和β轴为定子轴系下的坐标系横轴和纵轴。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提出的永磁同步电机转子位置的磁通检测方法中，采用INFORM方法进行转子位置检测时，改变参考电压的注入角度，使注入的参考电压超出重构不可观测区，从而可以通过母线上的单电流传感器采样来重构三相电流，进而得到三次注入参考电压引起的电流变化量，最后可基于电流变化量计算得到转子的位置，解决INFORM方法与单电流采样重构相电流方法结合使用时，因注入的参考电压处于重构不可观测区，无法直接使用单电流采样重构相电流方法的技术问题；且该方法不限于单电流采样重构相电流，对于多电流传感器采样同样适用。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1为空间电压矢量扇区以及母线单电流传感器采样重构不可观测区示意图；

图2为母线单电流传感器采样重构相电流方法的电路原理示意图；

图3为以注入角度30°为例的本发明改进INFORM方法注入等幅参考电压情况的示意图；

图4为本发明改进INFORM方法注入参考电压幅值与角度大小的示意图；

图5为仿真实验中锁相环部分的模型图；

图6为本发明改进INFORM方法进行母线单电流传感器采样重构相电流以及INFORM计算转子位置的系统结构框图；

图7为本发明改进INFORM方法中参考电压注入、参考电压执行、电流采样、转子位置观测的程序执行流程示意图；

图8、图9和图10为第一个参考电压的注入角度θ₀取30°，三次执行参考电压时，母线电流传感器采样的相电流重构方法原理示意图；

图11为以注入角度θ₀取30°为例，本发明改进INFORM方法所得观测角度波形与实际角度波形的对比示意图；

图12为以注入角度θ₀取30°为例，本发明改进INFORM方法所得观测角度波形与实际角度波形误差情况示意图；

图13为以注入角度θ₀取30°为例，本发明改进INFORM方法所得观测角度接入闭环情况下转速波形与实际闭环转速波形图的对比效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明的目的在于在高性能永磁同步电机控制系统中，采用INFORM方法进行无位置传感器控制，同时克服常规INFORM方法注入的参考电压矢量处于重构不可观测区的问题，仅采用母线上的单电流传感器采样电流来重构三相电流，得到三次注入参考电压引起的电流变化量，从而通过计算得到转子的位置。

为实现上述目的，本发明提出的永磁同步电机转子位置的磁通检测方法对INFORM方法进行改进，不再从零角度注入参考电压矢量，而是偏转一定的角度后注入(以A相轴线为参考，以30°为例的注入情况如图3所示)，符合限定条件的情况下的任意角度与幅值都将满足使用单电流传感器采样重构相电流的条件(如图4所示参考电压幅值与角度示意)，且这一优化不限于单电流采样重构相电流，对于多电流传感器采样同样适用。

本发明提出的永磁同步电机转子位置的磁通检测方法，包括：

1、利用三个PWM控制周期注入等幅参考电压，第一个参考电压的注入角度为θ₀，第二、三个参考电压依次延后120°注入。注入参考电压的公式为：

θ₀表示第一个参考电压的注入角度(以A相轴线为参考)；k＝0，1或2，分别对应第一、二、三次注入的电压；U_h表示注入电压的幅值。

经分析，参考电压的注入幅值与角度均需符合下述限定条件，才能够使参考电压处于单电流传感器采样重构相电流的可观测区：

1)设定最小注入电压幅值为U_min、最大注入电压幅值为U_max，则注入电压的幅值U_h应当介于最大注入电压幅值U_max与最小注入电压幅值U_min之间。

结合图4所示，最小注入电压幅值U_min为满足电流传感器采样最小采样时间T_min时的电压幅值情况，也即满足超出重构不可观测的临界情况，此时参考电压恰处于可观测扇区的顶点处。

最大注入电压U_max幅值由系统所需的电能和产生的噪声等因素决定的，一般不超过母线电压的0.1倍。

二者满足的条件如下所示：

其中，T_s表示一个PWM控制周期的时间；U^*为非零基本电压矢量的幅值；U_DC表示母线电压的幅值。

上述，最小采样时间T_min为逆变器死区(也即PWM信号死区)时间T_d、功率开关开通时间T_on、电流建立时间T_Set、采样保持时间T_AD之和，表示为：T_min＞T_d+T_on+T_Set+T_AD；这里，T_d、T_on、T_Set、T_AD根据控制电路的具体情况基于经验或统计设定。

INFORM方法实现过程中需要得到注入参考电压引起的电流变化量，然而常规INFORM方法注入的参考电压矢量处于重构不可观测区(无法进行相电流重构的区域，如图1阴影部分所示)，不满足使用单电流采样重构相电流的条件，分析如下：

逆变器在不同开关状态作用时母线电流瞬时值包含各相电流的信息，提取后可以重构出三相电流；如图2所示，将电流传感器安装在母线上端或下端，定义三相逆变器上桥臂的开关管状态分别为S₁、S₃、S₅，导通时定义为状态“1”，关闭时定义为状态“0”，形成8个空间电压矢量，其中两个零矢量为O₀₀₀(000)、O₁₁₁(111)，六个非零空间电压矢量U₀(100)、U₆₀(110)、U₁₂₀(010)、U₁₈₀(011)、U₂₄₀(001)、U₃₀₀(101)将空间电压矢量平面分为六个扇区(如图1所示非零空间电压矢量与扇区分布情况)。

三相逆变器的开关状态决定直流母线电流与电机相电流的对应关系，其中，两个零矢量作用时电机的三相绕组形成环路，直流母线电流不能反应任何相电流，非零空间电压矢量作用时，直流母线电流与相电流之间存在一一对应关系，如下表一所示：

表一

1、空间电压矢量U₀(100)作用时逆变器S₁、S₄、S₆导通，此时母线电流传感器采样得到的为A相的电流；2、空间电压矢量U₆₀(110)作用时逆变器S₁、S₃、S₆导通，此时母线电流传感器采样得到的为-C相的电流；3、空间电压矢量U₁₂₀(010)作用时逆变器S₂、S₃、S₆导通，此时母线电流传感器采样得到的为B相的电流；4、空间电压矢量U₁₈₀(011)作用时逆变器S₂、S₃、S₅导通，此时母线电流传感器采样得到的为-A相的电流；5、空间电压矢量U₂₄₀(001)作用时逆变器S₂、S₄、S₅导通，此时母线电流传感器采样得到的为C相的电流；6、空间电压矢量U₃₀₀(101)作用时逆变器S₁、S₄、S₅导通，此时母线电流传感器采样得到的为-B相的电流。

在每个PWM周期内，相邻两个非零空间电压矢量和零矢量交替作用，在非零空间电压矢量作用时采样母线电流可以获得两相电流值，通过i_a+i_b+i_c＝0可以得到第三相电流。

为了确保母线上的电流传感器对电流采样完成相电流重构，要求基本电压矢量作用时间不能小于最小采样时间T_min，T_min为逆变器死区(也即PWM信号死区)时间T_d、功率开关开通时间T_on、电流建立时间T_Set、采样保持时间T_AD之和，T_min可表示为：T_min＞T_d+T_on+T_Set+T_AD；当参考电压矢量落在特殊区域时，合成参考电压矢量的基本电压矢量会有一个或者两个不满足最小采样时间T_min的要求，就会导致无法进行相电流重构。

2)以A相轴线为参考，第一个参考电压的注入角度θ₀的要求为：

满足上述注入幅值与角度条件的参考电压均可处于母线电流传感器采样重构三相电流的可观测区，能够通过单电流传感器采样重构三相电流。该公式由图4所示本发明给出的改进INFORM方法注入参考电压幅值与角度大小推理得出，在合成参考电压的过程中，使得基本电压矢量作用时长超过最小采样时间的注入角度范围即为该公式所示。

2、计算三次参考电压注入引起的电流变化量。

通常的，由参考电压执行的前一个控制周期的电流采样结果和执行所述参考电压的当前控制周期的电流采样结果作差得到电流变化量

在实际的数字控制系统中，给定参考电压的注入与给定参考电压的执行之间存在控制周期的延迟，所以当前周期注入的电压不会立即执行而是将会在下个周期执行，如图7所示执行流程，在执行矢量控制之前需要得出转子观测位置，而转子位置需要由三次注入参考电压引起的电流变化量来得出。为了能在执行矢量控制周期前得到转子观测的位置，考虑控制周期存在延迟，需要在第三个注入周期与矢量控制周期之间加入一个附加矢量控制周期

在该周期来执行第三次注入的参考电压，得到第三次电流变化量进而得到转子观测位置，并在下一控制周期用于执行矢量控制。该附加矢量控制周期一般为0。

上述，INFORM方法观测转子位置时并不执行矢量控制(FOC，也称磁场导向控制)，而是在得到转子位置后，再利用一个控制周期进行矢量控制。

如图7所示，每次执行参考电压所得电流变化量由该参考电压执行的前一个控制周期的电流采样结果和执行该参考电压的当前控制周期的电流采样结果作差得到。分别在三次注入参考电压执行的前一个控制周期和执行周期进行采样，可得到电流采样的四个结果，通过相邻两次电流采样结果作差便可得到对应注入参考电压的电流变化量，按照下述的转子位置的辨识方法，根据所得电流变化量，即可得出观测的转子位置。

3、基于

进行转子位置的辨识。

本发明的转子位置的磁通检测方法中，第一个参考电压的注入角度为θ₀时(以A相轴线为参考)，三次参考电压注入引起的电流变化量为：

θ_r为转子的位置；k＝0，1或2，分别对应第一、二、三次注入的参考电压；U_h表示注入电压的幅值；其中L₀、L₁分别为转子轴系下直、交轴电感平均值及其差值的一半，分别为：

理论推导中假设注入参考电压过程中永磁电子的转子位置和饱和程度不发生变化，则将三次注入得到的电流负矢量微分合成，消除上式中与转子位置无关的大电感项，可表示为：

对上式整理即为：

其中，

Δi_αk、Δi_βk分别为采样周期Δt内α轴和β轴电流变化量(A)，Δt为采样周期；α轴和β轴为定子轴系下的坐标系横轴和纵轴。

为了获取更好的动态性能，本发明的磁通检测方法中的角度计算部分(如图6所示的INFORM计算环节)加入PLL(锁相环，如图5所示)来提取转子的位置信息。PLL是一种自适应闭环系统，具有优良的实时跟踪和估算实际转子位置信息的能力，即使在谐波比较大的条件下，仍然具有较好的跟踪性能。

上述本发明改进INFORM方法，与单电流传感器采样结合控制，结合图6所示的控制系统架构，从参考电压的注入、参考电压的执行、电流变化量的测量、角度观测四个部分，在无位置传感器、母线单电流传感器的结构下实现转子位置的精确检测。参考图8至图13所示的实施例，以第一个参考电压的注入角度θ₀取30°为例，图8、图9和图10为三次执行参考电压注入时，母线电流传感器采样的相电流重构方法原理示意，图11表明了本发明改进INFORM方法所的观测角度波形与实际角度波形的对比，图12表明了本发明改进INFORM方法所的观测角度波形与实际角度波形误差情况，图13表明了本发明改进INFORM方法所得观测角度接入闭环情况下转速波形与实际闭环转速波形图的对比效果。

本发明相比于传统只能依靠位置传感器得到转子位置的检测方法，不需要额外安装位置传感器，具有低成本、高可靠性、高集成度等优点。

本发明中采用了在母线处安装单电流传感器采样重构三相电流的技术，能够减少电流传感器的使用，在无位置传感器控制的基础上进一步降低了系统成本。

相比于常规INFORM方法，本发明通过对参考电压的注入角度进行优化，避免了常规INFORM方法注入参考电压处于不可观测区而无法使用单电流传感器采样重构三相电流的问题。

相比于常规INFORM方法，无需为了增大电流传感器的采样窗口而进行PWM移相的操作；因为避免了使用PWM移相的方法，就不会产生额外的谐波，不会破坏七段式SVPWM(空间矢量脉宽调制)的对称性，不会造成采样不精确、误差变大的结果。

本发明给出的优化后的INFORM方法对三电流传感器采样得到三相电流也同样适用，本发明只是给出了适用单电流传感器采样重构电流的一般形式。

应该指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机转子位置的磁通检测方法，其特征在于，包括：

(1)利用三个PWM控制周期注入等幅参考电压

其中，θ₀为第一个参考电压的注入角度，第二、三个参考电压依次延后120°注入；U_h表示注入电压的幅值，满足U_h介于最大注入电压幅值U_max与最小注入电压幅值U_min之间；θ₀的要求为：

T_s表示一个PWM控制周期的时间；U^*为非零基本电压矢量的幅值；U_DC表示母线电压的幅值；U_h为注入电压的幅值；最小注入电压幅值U_min为满足电流传感器采样最小采样时间时的电压幅值；最大注入电压U_max幅值由系统所需的电能和产生的噪声等因素决定；

(2)计算三次参考电压注入引起的电流变化量；

(3)基于

计算转子位置；

其中，θ_r为转子的位置；L₀、L₁分别为转子轴系下直、交轴电感平均值及其差值的一半，分别为：

L_d为转子轴系下直轴电感，L_q为转子轴系下交轴电感；i_αβk为采样周期内α轴和β轴的电流变化量；α轴和β轴为定子轴系下的坐标系横轴和纵轴。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子位置的磁通检测方法，其特征在于，步骤(3)还包括：

将三次注入得到的电流负矢量微分合成；

消除与转子位置无关的大电感项，得到：

其中，

Δi_αk、Δi_βk分别为采样周期Δt内α轴和β轴电流变化量(A)，Δt为采样周期。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子位置的磁通检测方法，其特征在于，步骤(1)还包括：

在第三个注入周期与矢量控制周期之间加入附加矢量控制周期；

在所述附加矢量控制周期执行第三次注入的参考电压，并计算得到第三次电流变化量。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子位置的磁通检测方法，其特征在于，步骤(3)包括：

定义三相逆变器上桥臂的开关管状态：导通时定位为状态“1”，关闭时定义为状态“0”，形成8个空间电压矢量O₀₀₀(000)、O₁₁₁(111)、U₀(100)、U₆₀(110)、U₁₂₀(010)、U₁₈₀(011)、U₂₄₀(001)、U₃₀₀(101)；

在每个PWM周期内，根据相邻两个非零空间电压矢量和零矢量交替作用，在非零空间电压矢量作用时采样母线电流获得两相电流值；

通过三相电流和为零得到第三相电流。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子位置的磁通检测方法，其特征在于，步骤(3)还包括：

加入PLL提取转子的位置信息。

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子位置的磁通检测方法，其特征在于，步骤(2)包括：

由参考电压执行的前一个控制周期的电流采样结果和执行所述参考电压的当前控制周期的电流采样结果作差得到电流变化量。

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