CN115632586A - 一种旋转高频注入法的估算位置误差补偿方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋转高频注入法的估算位置误差补偿方法及系统，属于电机控制技术领域。通过旋转高频注入法得到的电机转子位置上，补偿逆变器非理想因素造成的相移大小和旋转高频注入法算法固有相移，得到实际输入电机闭环控制系统的转子位置。本发明通过提取注入高频电压产生的电流高频正序分量在高频同步旋转坐标系下的形式，能够方便的计算由于逆变器非理想因素造成的高频电流相移大小，补偿旋转高频注入法得到的转子位置的误差，使该误差趋近于零。

Description

一种旋转高频注入法的估算位置误差补偿方法及系统
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，更具体地，涉及一种旋转高频注入法的估算位置误差补偿方法及系统。
背景技术
旋转高频注入法是实现具有凸极性的永磁同步电机无位置传感器控制的一种方法，主要应用于电机转速低，反电势相对较小的情况。旋转高频注入法通过向电机两相静止坐标系下注入高频旋转电压，通过反馈的高频电流提取电机转子位置，实现电机无位置传感器控制。该方法相比于利用反电势观测器等无位置传感器实现方法，在反电势信噪比低的低转速段优势明显，常被用于实现低转速下永磁同步电机无位置传感器控制。
旋转高频注入法注入的高频旋转电压由控制算法给定占空比，由逆变器等硬件电路实际完成电压注入，由于死区效应等逆变器非理想因素，算法给定电压与实际注入电压存在一定差异，使注入电压存在相移和畸变，影响产生的电流相位，使采样电流、提取电机转子位置存在误差，影响无位置传感器获取的转子位置精度，降低电机控制效率。因此需要设计一种旋转高频注入法位置误差补偿方法，补偿逆变器非理想因素导致的位置误差。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种旋转高频注入法的估算位置误差补偿方法及系统，旨在解决当前旋转高频注入法因逆变器非理想因素导致的估算的永磁同步电机转子位置精度误差，降低电机运行效率的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种旋转高频注入法位置误差补偿方法，具体包含如下步骤：
步骤S1：在永磁同步电机两相静止坐标系下注入旋转高频电压Vha、Vhb；
步骤S2：采样得到电机三相定子电流IA、IB、IC；
步骤S3：设计中心频率与注入高频电压同频的带通滤波器，滤除三相定子电流IA、IB、IC中的基频电流等低频分量，得到三相定子电流中的高频分量IAH、IBH、ICH；
步骤S4：将三相定子电流中高频分量IAH、IBH、ICH变换到与注入高频电压同频的高频同步旋转坐标系下，得到IHD、IHQ；
步骤S5：使用一阶低通滤波器滤除IHD、IHQ中的高频分量，得到代表电流高频正序分量的高频同步旋转坐标系下直流分量IHDDC、IHQDC；
步骤S6：利用高频同步旋转坐标系下的直流分量IHDDC、IHQDC，计算因逆变器非理想因素造成的相移大小θinv；
步骤S7：在旋转高频注入法得到的电机转子位置上，补偿逆变器非理想因素造成的相移大小θinv和旋转高频注入法算法固有相移θflt，得到实际输入电机闭环控制系统的转子位置θe。
进一步地，步骤S3中将三相定子电流IA、IB、IC通过中心频率与注入高频电压同频的带通滤波器，滤除电流中的低频分量。
进一步地，步骤S4坐标变换后，稳态下正序高频电流变换为直流量，负序高频电流变换为频率更高的负序信号。
进一步地，步骤S5中使用一阶低通滤波器滤除IHD、IHQ中的高频分量。
进一步地，步骤S7中在电机投入使用前的标定环节，在电机利用旋转高频注入法无位置传感器控制的任意工况下，仅一次地利用位置传感器标定系统固有相移，其表达式为：
θflt＝θsensor-θHF+θinv＝θerr+θinv
式中，θsensor为位置传感器检测的电机电角度，θerr为位置传感器检测与高频注入法计算的位置误差。
实际输入电机闭环控制系统的转子位置θe：
θe＝θHF-θinv+θflt
其中，θHF为补偿前高频注入法估算的转子位置。
本发明另一方面提供了一种旋转高频注入法的估算位置误差补偿系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述的旋转高频注入法的估算位置误差补偿方法。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、通过提取注入高频电压产生的电流高频正序分量在高频同步旋转坐标系下的形式，能够方便的计算由于逆变器非理想因素造成的高频电流相移大小，补偿旋转高频注入法得到的转子位置的误差，使该误差趋近于零；
2、对不同逆变器死区时间、不同注入高频电压幅值情况下，本发明提出的补偿方法能够自适应的计算得到逆变器非理想因素导致的转子位置误差，鲁棒性强。
附图说明
图1为计算旋转高频注入法因逆变器非理想因素产生的相移大小及位置误差补偿的流程示意图。
图2为旋转高频注入法位置补偿计算在永磁同步电机控制系统中的应用逻辑框图。
图3为改变逆变器死区和注入高频电压幅值情况下补偿前、后位置误差变化对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种旋转高频注入法位置误差补偿方法，其流程示意图如图1所示，包括如下步骤。
步骤S1：在永磁同步电机两相静止坐标系下注入旋转高频电压Vha、Vhb。
具体地，注入的旋转高频电压Vha、Vhb表达式为：
Figure BDA0003859814580000041
其中，Uh为注入旋转高频电压的幅值，ωh为注入旋转高频电压的频率，t为信号注入的时间。
本实施例中，所使用逆变器开关频率为10kHz，设计注入旋转高频电压频率为500Hz。
步骤S2：依靠控制系统电流采样采得电机三相定子电流IA、IB、IC。
具体地，采得电机三相定子电流在两相静止坐标系下表达式为：
Figure BDA0003859814580000042
式中，ia、ib代表两相静止坐标系下电流，iaH、ibH代表注入高频电流分量，iaB、ibB代表电机低频电流分量，Ld、Lq为电机d、q轴电感，ωE为电机电角频率。
三相定子电流中主要存在三种频率的电流分量，分别为电机电频率为主的低频分量、受电机转速影响变化的负序高频电流分量和与注入频率同频的正序高频电流分量。其中，旋转高频注入法利用与电机转速相关的负序高频电流分量提取电机转子位置，本发明在后续步骤利用正序高频电流分量提取逆变器非理想因素造成的电流相移。
步骤S3：将三相定子电流IA、IB、IC通过中心频率与注入高频电压同频的带通滤波器，滤除电流中的低频分量，得到三相定子电流中的高频分量IAH、IBH、ICH；
具体地，设计中心频率与注入高频电压同频的带通滤波器，在本实施例中，选取带通滤波器带宽为225Hz，所设计带通滤波器传递函数表达式为：
Figure BDA0003859814580000051
式中，Tbp为所设计带通滤波器传递函数。
步骤S4：将三相定子电流中高频分量IAH、IBH、ICH变换到与注入高频电压同频的高频同步旋转坐标系下，得到IHD、IHQ；
具体地，三相定子电流高频分量包含正、负序两种分量，其频率相近，需要通过坐标变换的方式，将两种信号分离。坐标变换的矩阵表达式为：
Figure BDA0003859814580000052
变换后得到高频同步旋转坐标系下IHD、IHQ电流表达式为：
Figure BDA0003859814580000053
式中，IHA、ILA分别为变换后两种频率电流分量的幅值。
即坐标变换后，稳态下正序高频电流变换为直流量，负序高频电流变换为频率更高的负序信号。
步骤S5：使用一阶低通滤波器滤除IHD、IHQ中的高频分量，得到代表高频电流正序分量的高频同步旋转坐标系下直流分量IHDDC、IHQDC；
具体地，本实施例中，设计一阶低通滤波器截止频率为100Hz，其传递函数表达式为：
Figure BDA0003859814580000061
式中，Tlp为所设计带通滤波器传递函数。
步骤S6：利用高频同步旋转坐标系下的直流分量IHDDC、IHQDC，计算因逆变器非理想因素造成的相移大小θinv；
具体地，计算相移θinv可以选择反正切法和锁相环法等，本实施例中，选择锁相环法减小输出角度的抖动，保证补偿的稳定性。所设计锁相环计算公式为：
ε＝-IHDDCsinθ′inv+IHQDCcosθ′inv
θinv＝∫(kpε+ki∫εdt)dt
式中，e为输入锁相环的角度误差值，θi′nv为上一计算周期锁相环输出角度，kp、ki为锁相环内比例和积分计算系数。
步骤S7：在旋转高频注入法得到的电机转子位置上，补偿逆变器非理想因素造成的相移大小θinv和旋转高频注入法算法固有相移θflt，得到实际输入电机闭环控制系统的转子位置角度θe。
具体地，旋转高频注入法算法固有相移θflt可以通过标定得到。在电机投入使用前的标定环节，在电机利用旋转高频注入法无位置传感器控制的任意工况下，仅一次地利用位置传感器标定系统固有相移，其表达式为：
θflt＝θsensor-θHF+θinv＝θerr+θinv
式中，θsensor为位置传感器检测的电机电角度，θHF为补偿前高频注入法估算的转子位置，θerr为位置传感器检测与高频注入法计算的位置误差。
对使用同一参数软、硬件的控制系统，该相移为常数，仅需在电机常规得标定环节标定一次，即可以直接将标定的固有相移应用于其他电机无位置传感器控制。
将上述步骤计算得到的角度补偿值补偿到高频注入法估算的电机转子位置，得到位置补偿计算式为：
θe＝θHF-θinv+θflt
此时计算得到的即补偿后位置误差相对较小的估算电机转子位置，并用于永磁同步电机转速、电流双闭环控制系统和坐标变换过程。
基于本发明提供的旋转高频注入法位置误差补偿方法，设计永磁同步电机控制系统框图如图2所示。主要包括坐标变换模块1，转速调节器模块2，d、q轴电流调节器模块3，反坐标变换模块4，旋转高频电压注入模块5，SVPWM调制模块6，电压源型三相逆变器模块7，永磁同步电机模块8，带通滤波器模块9，正序高频同步旋转坐标系变换模块10，低通滤波器模块11，锁相环模块12，旋转高频注入法位置估算模块13。
具体地，所述坐标变换模块1输入为电机三相定子电流，输出为d、q轴反馈电流。所述转速调节器模块2输入为给定的电机转速指令和所述锁相环模块12上一计算周期输出的转速的差，输出为q轴电流指令。所述d、q轴电流调节器模块3输入为d、q轴电流指令和d、q轴反馈电流的差，输出为d、q轴电压指令。所述反坐标变换模块4输入为d、q轴电压指令，输出为α、β轴电压指令。所述旋转高频电压注入模块5为α、β轴电压指令基础上叠加注入的旋转高频电压Vha、Vhb，输出α、β轴注入后电压。所述SVPWM调制模块6输入为α、β轴注入后电压，输出为六路PWM占空比指令。所述电压源型三相逆变器模块7将控制系统软件输出的六路PWM占空比指令转换为实际硬件动作，输出三相电压。所述永磁同步电机模块8包含电机本体及电流采样电路，输入为三相电压，输出为三相电流采样值IA、IB、IC。所述带通滤波器模块9输入为三相IA、IB、IC，输出为三相定子电流中的高频分量IAH、IBH、ICH。所述正序高频同步旋转坐标系变换模块10输入为三相定子电流中高频分量IAH、IBH、ICH，输出为电流高频分量IHD、IHQ。所述低通滤波器模块11输入为电流高频分量IHD、IHQ，输出为变换后的正序高频电流分量信息IHDDC、IHQDC。所述锁相环模块12输入为变换后的负序高频电流分量信息IHDDC、IHQDC，输出为计算的逆变器非理想因素导致的相移θinv。所述旋转高频注入法位置估算模块13输入为三相电流采样值IA、IB、IC，输出为估算的电机转速ωE和电机转子角度θe。
为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选取特定的永磁同步电机为例，基于图2所示控制系统，对比补偿前、后的旋转高频注入法无位置传感器控制位置误差，以验证本发明提出方法的有效性。
本实施例选取额定功率1kW、额定电压200V、额定转速3000RPM，d、q轴电感分别为2.9mH和4.03mH，相电阻为50mΩ，极对数为5对极的永磁同步电机为例。在电机转速为300RPM情况下，对比补偿前、后高频注入法转子位置估算误差大小如图3所示，补偿前随逆变器死区和注入高频电压幅值变化，估算位置误差在-30°～0°范围内较大幅度变化，补偿后估算位置误差在0°附近波动，估算位置更加准确。
综上所述，本发明能够对不同死区时间和注入幅值下的位置估算误差补偿到零附近，补偿效果明显，鲁棒性强。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种旋转高频注入法的估算位置误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在永磁同步电机两相静止坐标系下注入旋转高频电压Vha、Vhb；
步骤S2：采样得到电机三相定子电流IA、IB、IC；
步骤S3：滤除三相定子电流IA、IB、IC中的低频分量，得到三相定子电流中的高频分量IAH、IBH、ICH；
步骤S4：将三相定子电流中高频分量IAH、IBH、ICH变换到与注入高频电压同频的高频同步旋转坐标系下，得到IHD、IHQ；
步骤S5：滤除IHD、IHQ中的高频分量，得到代表电流高频正序分量的高频同步旋转坐标系下直流分量IHDDC、IHQDC；
步骤S6：利用高频同步旋转坐标系下的直流分量IHDDC、IHQDC，计算因逆变器非理想因素造成的相移大小θinv；
步骤S7：在旋转高频注入法得到的电机转子位置上，补偿逆变器非理想因素造成的相移大小θinv和旋转高频注入法算法固有相移θflt，得到实际输入电机闭环控制系统的转子位置θe。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中将三相定子电流IA、IB、IC通过中心频率与注入高频电压同频的带通滤波器，滤除电流中的低频分量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4坐标变换后，稳态下正序高频电流变换为直流量，负序高频电流变换为频率更高的负序信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中使用一阶低通滤波器滤除IHD、IHQ中的高频分量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7中在电机投入使用前的标定环节，在电机利用旋转高频注入法无位置传感器控制的任意工况下，仅一次地利用位置传感器标定系统固有相移，其表达式为：
θflt＝θerr+θinv
式中，，θerr为位置传感器检测与高频注入法计算的位置误差。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，实际输入电机闭环控制系统的转子位置θe：
θe＝θHF-θinv+θflt
其中，θHF为补偿前高频注入法估算的转子位置。
7.一种旋转高频注入法的估算位置误差补偿系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至6任一项所述的旋转高频注入法的估算位置误差补偿方法。
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