基于高频信号注入的永磁同步电机转子位置检测方法转让专利
申请号 : CN201510815690.0
文献号 : CN105450127B
文献日 : 2018-02-16
发明人 : 刘兵 , 周波 , 王龙 , 倪天恒
申请人 : 南京航空航天大学
摘要 :
本发明公开了一种基于高频信号注入的永磁同步电机转子位置检测方法，该方法以永磁同步电机矢量控制为基础，在d轴方向注入一个幅值恒定的余弦高频电压信号；采用带通滤波器提取d轴和q轴电流响应的高频分量，将两者相乘再进行低通滤波，得到包含转子位置估计误差的信号；最后构建锁相环将该误差信号调节到零，实现转子位置估计。该方法提供了一种新的转子位置检测方法，能实现准确的转子位置检测。
权利要求 :
1.基于高频信号注入的永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于，包含以下具体步骤：步骤1)，定义d-q为实际同步旋转坐标系、 为估计转子同步旋转坐标系、α-β为实际两相静止坐标系，并且定义估计位置误差 其中，θ为实际转子初始位置， 为位置估计值，的初始值为0；
步骤2)，在估计转子同步旋转 坐标系的d轴注入高频余弦电压
其中，Uhm为在d轴注入高频电压的幅值，ωh为注入高频电压的角频率，t表示当前时刻；
步骤3)，对估计转子同步旋转 坐标系上的电压信号进行Park逆变换，得到两相静止α-β坐标系下的电压信号uα和uβ，再采用空间矢量脉宽调制SVPWM得到三相逆变器的六路开关信号，驱动表贴式永磁同步电机SPMSM；
步骤4)，检测电机三相绕组A/B/C中的任意两相电流，先进行Clarke变换得到两相静止α-β坐标系下的电流信号iα和iβ，再经过Park变换得到估计转子同步旋转坐标系下的d轴电流响应信号 和q轴电流响应信号步骤5)，将估计转子同步旋转坐标系的d轴和q轴电流响应信号 和 都经过带通滤波器选出频率为ωh的交流分量，即电流响应的高频分量 和 将两者相乘进行调制，得到直流分量和频率为2ωh的交流分量，最后经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量，得到估计位置偏差信号f(Δθ)；
步骤6)，构建位置偏差闭环，将估计位置偏差信号f(Δθ)作为PI调节器的输入，估计转子角速度 为PI调节器的输出，对估计转子角速度 积分得到估计的转子位置步骤7)，将给定转子角速度ωref和估计转子角速度 的差值输入速度调节器，其输出为q轴电流给定值iq_ref，将d轴电流给定值id_ref设为0；
步骤8)，分别将d轴和q轴给定电流id_ref和iq_ref与估计d轴和q轴电流响应信号 和 的差值输入电流调节器，其输出分别为d轴和q轴电压 和步骤9)，重复步骤2)到步骤8)，直到估计位置偏差信号收敛到0，得到转子位置的估计值。
说明书 :
基于高频信号注入的永磁同步电机转子位置检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种基于高频信号注入的永磁同步电机转子位置检测方法。
背景技术
[0002] 永磁同步电机凭借其体积重量小、功率因素高、控制性能好等优点得到了广泛的工业应用。在其控制过程中需要获取准确的转子位置信息，常采用机械式传感器获得，如光电编码器、旋转变压器等。但这增加了系统的体积、重量和成本，并且在一些剧烈震动、潮湿的场合这类传感器易失效，为了解决上述问题，不少学者对永磁同步电机无位置传感器控制技术展开了研究。
[0003] J.H.Jang,S.K.Sul,J.I.Ha,“Sensorless Drive of Surface-Mounted Permanent-Magnet Motor by High-Frequency Signal Injection Based on Magnetic Saliency,”IEEE Transactions on Industry Applications,vol.39,no.4,pp.1031-1039,2003.在d轴注入脉振高频电压信号，对q轴电流进行带通滤波得到高频响应分量，再用一个同频率的正弦调制信号与其相乘，最后经过低通滤波得到位置估计误差信号，构建闭环将该误差信号调节到零实现转子位置估计。刘颖，周波，冯瑛，等.基于脉振高频电流注入SPMSM低速无位置传感器控制[J].中国电工技术学报，2012,7(27):139-145.对上述方法进行了深入研究，发现该方法系统的稳定性受到高频阻抗变化的影响，并提出一种解决方案，在d轴注入脉振高频电流信号，从q轴电压响应中提取位置估计误差信号，构建闭环实现转子位置估计。但该方法对电流调节器的性能要求很高，采用常规PI控制器难以获得预期性能。J.M.Wang,X.M.Zhao,Z.Guo“, Analysis and Improvement of Pulsating Current Injection Based Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motor,”in
17th International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS),Oct.22-25,2014.详细分析了脉振高频电流注入法受电流调节器性能的影响，指出常规的PI电流调节器用在电流注入法中会产生一定的位置估计误差。
17th International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS),Oct.22-25,2014.详细分析了脉振高频电流注入法受电流调节器性能的影响，指出常规的PI电流调节器用在电流注入法中会产生一定的位置估计误差。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于高频信号注入的永磁同步电机转子位置检测方法，实现了准确的转子位置估计。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006] 基于高频信号注入的永磁同步电机转子位置检测方法，包含以下具体步骤：
[0007] 步骤1)，定义d-q为实际同步旋转坐标系、 为估计转子同步旋转坐标系、α-β为实际两相静止坐标系，并且定义估计位置误差 其中，θ为实际转子初始位置，为位置估计值， 的初始值为0；
[0008] 步骤2)，在估计转子同步旋转 坐标系的d轴注入高频余弦电压其中，Uhm为在d轴注入高频电压的幅值，ωh为注入高频电压的角频率，t表示当前时刻；
[0009] 步骤3)，对估计转子同步旋转 坐标系上的电压信号进行Park逆变换，得到两相静止α-β坐标系下的电压信号uα和uβ，再采用空间矢量脉宽调制SVPWM得到三相逆变器的六路开关信号，驱动表贴式永磁同步电机SPMSM；
[0010] 步骤4)，检测电机三相绕组A/B/C中的任意两相电流，先进行Clarke变换得到两相静止α-β坐标系下的电流信号iα和iβ，再经过Park变换得到估计转子同步旋转坐标系下的d轴电流响应信号 和q轴电流响应信号
[0011] 步骤5)，将估计转子同步旋转坐标系的d轴和q轴电流响应信号 和 都经过带通滤波器选出频率为ωh的交流分量，即电流响应的高频分量 和 将两者相乘进行调制，得到直流分量和频率为2ωh的交流分量，最后经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量，得到估计位置偏差信号f(Δθ)；
[0012] 步骤6)，构建位置偏差闭环，将估计位置偏差信号f(Δθ)作为PI调节器的输入，估计转子角速度 为PI调节器的输出，对估计转子角速度 积分得到估计的转子位置[0013] 步骤7)，将给定转子角速度ωref和估计转子角速度 的差值输入速度调节器，其输出为q轴电流给定值iq_ref，将d轴电流给定值id_ref设为0；
[0014] 步骤8)，分别将d轴和q轴给定电流id_ref和iq_ref与估计d轴和q轴电流响应信号 和的差值输入电流调节器，其输出分别为d轴和q轴电压 和
[0015] 步骤9)，重复步骤2)到步骤8)，直到估计位置偏差信号收敛到0，得到转子位置的估计值。
[0016] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0017] 本发明是在估计的d轴注入脉振高频电压信号，提出一种新的位置误差信号调制方式，将d轴和q轴电流响应的高频分量相乘再采用低通滤波得到误差信号，该调制方式与现有的仅对q轴电流响应进行调制的方式相比，不需根据系统的阻抗确定调制信号的相位，一定程度上减小了高频信号注入法对系统参数的依赖性。
附图说明
[0018] 图1为永磁同步电机转子位置估计过程的原理框图；
[0019] 图2为两相静止坐标系、实际两相同步旋转坐标系与估计两相同步旋转坐标系的相对关系示意图；
[0020] 图3为转子位置估计的信号提取与调制过程的原理框图；
[0021] 图4为位置估计误差信号与位置估计误差关系曲线的仿真结果；
[0022] 图5为给定转速60r/min稳定运行时实际转子位置的仿真波形；
[0023] 图6为给定转速60r/min稳定运行时估计转子位置的仿真波形。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0025] 如图1所示，本发明提供一种基于高频信号注入的永磁同步电机转子位置检测方法，具体包括以下步骤：
[0026] 步骤1)，建立坐标系关系图，如图2所示，d-q为实际同步旋转坐标系， 为估计转子同步旋转坐标系，α-β为实际两相静止坐标系，并且定义估计位置误差 其中，θ为实际转子初始位置， 为位置估计值，的初始值为0；
[0027] 步骤2)，在估计转子同步旋转 坐标系的d轴注入高频余弦电压其中，Uhm为在d轴注入高频电压的幅值，ωh为注入高频电压的角频率，t表示当前时刻；
[0028] 步骤3)，对估计转子同步旋转 坐标系上的电压信号进行Park逆变换，得到两相静止α-β坐标系下的电压信号uα和uβ，再采用空间矢量脉宽调制SVPWM得到三相逆变器的六路开关信号，驱动表贴式永磁同步电机SPMSM；
[0029] 步骤4)，检测电机三相绕组A/B/C中的任意两相电流，先进行Clarke变换得到两相静止α-β坐标系下的电流信号iα和iβ，再经过Park变换得到估计转子同步旋转坐标系下的d轴电流响应信号 和q轴电流响应信号
[0030] 步骤5)，如图3所示，图中BPF表示带通滤波器，LPF表示低通滤波器。将估计转子同步旋转坐标系的d轴和q轴电流响应信号 和 都经过带通滤波器选出频率为ωh的交流分量，即电流响应的高频分量 和 将两者相乘进行调制，得到直流分量和频率为2ωh的交流分量，最后经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量，得到估计位置偏差信号f(Δθ)；
[0031] 步骤6)，构建位置偏差闭环，将估计位置偏差信号f(Δθ)作为PI调节器的输入，估计转子角速度 为PI调节器的输出，对估计转子角速度 积分得到估计的转子位置[0032] 步骤7)，将给定转子角速度ωref和估计转子角速度 的差值输入速度调节器，其输出为q轴电流给定值iq_ref，将d轴电流给定值id_ref设为0；
[0033] 步骤8)，分别将d轴和q轴给定电流id_ref和iq_ref与估计d轴和q轴电流响应信号 和的差值输入电流调节器，其输出分别为d轴和q轴电压 和
[0034] 步骤9)，重复步骤2)到步骤8)，直到估计位置偏差信号收敛到0，即得到转子位置的估计值。
[0035] 对转子位置检测方法的分析如下，刘颖，周波，李帅，等.转子磁钢表贴式永磁同步电机转子初始位置检测[J].中国电机工程学报，2011,31(18):48-54.中的公式(6)给出了在d轴注入脉振高频电压信号后的d轴和q轴电流响应的高频分量：
[0036]
[0037]
[0038] 将两者直接相乘，得到：
[0039]
[0040] 再采用低通滤波器滤除高频分量，得到位置估计误差信息：
[0041]
[0042] 式中，k1和k2是与电机阻抗和注入电压幅值相关的系数，根据所引用文献的相关定义可知k1和k2均大于0，且k2比k1小得多，即k1sin(2Δθ)占据了 的大部分。由上式可见，采用本专利提出的调制方式得到的位置估计误差信息f(Δθ)包含以Δθ为变量的二次和四次正弦分量。建立仿真模型对该规律加以验证，如图4所示。同样根据所引用文献中的收敛性分析可知，图3所示的位置估计闭环系统在曲线f(Δθ)的同向过零点收敛，因此系统会收敛到Δθ＝0和Δθ＝π这两个点，再采用文献中所述的磁极判断方法对这两种情况进行判断，最终保证系统收敛点为Δθ＝0，实现准确的转子位置估计。在仿真模型中对本专利的转子位置估计方法进行了验证，给定转速60r/min，得到稳态时的实际转子位置和估计转子位置波形，如图5为实际转子位置波形，图6为估计转子位置波形。可见采用该方法能实现准确的转子位置估计。
[0043] 本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0044] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。