CN104660119B - 无位置传感器永磁同步电机全速度域转子位置检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无位置传感器永磁同步电机全速度域转子位置检测方法，主要包括：高频信号注入法、扩展反电动势法和切换方法。当电机静止或低速运行时，使用高频信号注入法估计转子的位置，设计了切换方法，当反电动势足够大时切换为扩展反电动势法来估计转子的位置，本发明通过设计的切换方法有效地整合了以上这两种方法，使之成为一种能够在全速度范围使用的、检测精度高的、易于实现的无位置传感器永磁同步电机转子位置检测方法。

Description

无位置传感器永磁同步电机全速度域转子位置检测方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机无位置传感器控制技术，特别是在全速度范围的无位置传感器永磁同步电机转子位置检测方法。
背景技术
为了对永磁同步电机进行位置控制，在其运行过程中，需要不断地检测电机转子的位置。一般来说，使用机械式传感器来检测转子的位置，但机械传感器的使用影响了永磁同步电机的性能，因此在不使用传感器情况下的转子位置检测技术成为了永磁同步电机控制研究领域的核心问题。现有的方法主要分为三种：基于永磁同步电机模型计算的转子位置检测技术、基于反电动势的转子位置检测技术和基于高频信号注入的转子位置检测技术。由于反电势幅值与速度成正比，在低速时反电动势不易检测得到，因此反电动势法不适合低速时使用。而在电机高速运行，高频信号注入法会引起***的振动和转矩脉动，影响位置估计的精度和电机运行的稳定性，所以高频信号注入法不适合高速时使用。因此，一种能够在电机全部运行状态(静止、启动、加速、高速运行)的过程中准确检测转子位置的方法是必要的。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种全速度域的永磁同步电机转子位置检测方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种无位置传感器永磁同步电机全速度域转子位置检测方法，包括以下步骤：
在电机加速运行过程中，电机低速运行时采用高频信号注入法得到电机的估计转速ω'hfsi，电机中、高速运行时采用扩展反电动势法得到电机的估计转速ω’eemf；
当电机的估计转速ω'hfsi和ω'eemf不满足加速时的切换条件时，采用高频信号注入法得到的电机的估计转速ω'hfsi和估计角度θ'hfsi作为电机的转速值ω'和位置值θ'输出；当满足加速时的切换条件时，采用扩展反电动势法得到的电机的估计转速ω'eemf和估计角度θ'eemf作为电机的转速值ω'和位置值θ'输出；
在电机开始进行减速运行时，采用扩展反电动势法得到的电机的估计转速ω'eemf和估计角度θ'eemf作为电机的转速值ω'和位置值θ'输出；
当电机的估计转速ω'eemf满足减速时的切换条件时，采用高频信号注入法得到的电机的估计转速ω'hfsi和估计角度θ'hfsi作为电机的转速值ω'和位置值θ'输出。
所述加速时的切换条件为：
其中，K为系数，取值为0.01-0.1。
所述系数K在电机额定转速大于或等于10000rpm时取0.01，在电机额定转速小于或等于1500rpm时取0.1，当电机额定转速为（1500rpm，10000rpm）区间时取0.01-0.1之间的经验值。
所述减速时的切换条件为：
ω′eemf≤ω′tran
其中，ω'tran为当电机的估计转速ω'hfsi和ω'eemf满足加速时的切换条件时刻，采用扩展反电动势法得到的电机的估计转速ω'eemf。
本发明具有以下优点及有益效果：
1.解决了一种算法只能使用在电机静止、低速或高速运行阶段的问题，本方法能够在电机运行的全速度范围内使用，且方法可靠检测精度高，易于实现。
2.解决了对不同额定转速的永磁同步电机适用性的问题，方法不受电机参数变化的影响。
3.解决了高频注入法和扩展反电动势法的融合问题，设计的切换方法使两种方法之间能够平滑切换，***运行稳定。
附图说明
图1为本发明的总体结构图；
图2为本发明基于高频信号注入的转子位置估计方法结构图；
图3为本发明基于扩展反电动势的转子位置估计方法结构图；
图4为本发明的切换方法结构图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明方法主要包括：基于高频信号注入的转子位置估计法、基于扩展反电动势的转子位置估计法以及切换方法。本发明在低速时使用高频信号注入法估计转子的位置，设计了切换方法，当反电动势足够大时切换为扩展反电动势法来估计转子的位置，本发明通过设计的切换方法有效的整合了以上这两种方法，使之成为了一种能够在全速度范围使用的无位置传感器永磁同步电机转子位置检测方法。
一方面本发明提供了一种在电机低速运行时使用的基于高频信号注入的转子位置估计法，为了达到上述的目的，本发明采用如下方案：通过对电机的d轴注入高频脉冲电压，产生高频电流分量。因为高频电流分量中包含电机转子位置信息，将含有高频电流分量的电机电流i'q*和i'd*输入到带通滤波器中得到高频电流分量i'qh和i'dh，将这些信号输入给计算模块得到角度误差θe，再将θe输入PID模块得到电机转速估计值ω'hfsi,电机转速估计值再通过积分器得到电机转子位置估计值θ'hfsi。
另一方面本发明提供了一种在电机中、高速运行时使用的基于扩展反电动势的转子位置估计法，为了达到上述的目的，本发明采用如下方案：电机的电流电压信号中包含高频分量和高频干扰，因此将电机电流i'q*和i'd*、电压V'q*和V'd*,输入到低通滤波器中得到基波电流电压i'q和i'd、电压V'q和V'd,将这些信号输入给计算模块得到角度误差θe，再将θe输入PID模块得到电机转速估计值ω'eemf,电机转速估计值再通过积分器得到电机转子位置估计值θ'eemf。
再一方面本发明提供了一种切换方法，用于以上两种转子位置估计方法的切换。为了达到上述的目的，本发明采用如下方案：电机在加速运行的过程中，当高频信号注入方法得到的估计转速ω'hfsi与扩展反电动势方法得到的估计转速ω'eemf满足切换条件时，ω'eemf和θ'eemf作为电机的转速估计值ω'和位置估计值θ'输出。电机在减速运行的过程中，当扩展反电动势方法得到的转速ω'eemf满足切换条件时，ω'hfsi和θ'hfsi作为电机的转速估计值ω'和位置估计值θ'输出。
本发明通过整合高频信号注入法和扩展反电动势法并设计切换方法来对电机进行全速度范围内的转子位置检测。本发明的总体结构图如图1所示，具体的实施步骤为：
1、当电机静止时，使用如图2所示的高频信号注入法启动电机，含有高频电流分量的电机电流i'q*和i'd*进入带通滤波器中得到高频电流分量i'qh和i'dh，这些信号再经过计算模块和PID模块得到电机转速估计值ω'hfsi,最后通过积分器得到电机转子位置估计值θ'hfsi。
2、随着速度的增加，扩展反电动势法开始工作，如图3所示，电机电流i'q*和i'd*、电压V'q*和V'd*,进入到低通滤波器中得到基波电流电压i'q和i'd、电压V'q和V'd,这些信号再经过计算模块和PID模块得到电机转速估计值ω'eemf,最后通过积分器得到电机转子位置估计值θ'eemf。这时两种方法分别估计转子的位置，但是只有高频信号注入法得到的转子位置估计θ'hfsi被用来作为电机转子的位置估计值θ'。
3、当ω'hfsi和ω'eemf的关系满足图4中电机加速时的切换条件，根据切换方法，扩展反电动势法得到的转速估计值ω'eemf和位置估计值θ'eemf取代ω'hfsi和θ'hfsi作为电机估计的转速估计值ω'和位置估计值θ'，同时令该时刻的估计转速ω'eemf为电机速度下降时的切换转速ω'tran。在切换后，高频信号注入开始缓慢的减少直到为0，高频信号注入法关闭。
4、当电机开始减速运行，且扩展反电动势法的估计转速ω'eemf远远大于切换转速ω'tran时，扩展反电动势法作为电机的位置估计方法。随着扩展反电动势法的转速估计值ω'eemf接近切换转速值ω'tran，高频信号注入缓缓地开始。当ω'tran和ω'eemf的关系满足图4中电机减速时的切换条件，扩展反电动势法被关闭，高频信号注入法作为电机的位置估计方法。
以上为本发明在电机静止、低速运行、加速、高速运行、减速整个速度域内的实施方案，该方案说明了本方法可以对永磁同步电机在全速度范围进行转子位置检测。

Claims (3)

1.一种无位置传感器永磁同步电机全速度域转子位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
在电机加速运行过程中，电机低速运行时采用高频信号注入法得到电机的估计转速ω'hfsi，电机中、高速运行时采用扩展反电动势法得到电机的估计转速ω'eemf；
当电机的估计转速ω'hfsi和ω'eemf不满足加速时的切换条件时，采用高频信号注入法得到的电机的估计转速ω'hfsi和估计角度θ'hfsi作为电机的转速值ω'和位置值θ'输出；当满足加速时的切换条件时，采用扩展反电动势法得到的电机的估计转速ω'eemf和估计角度θ'eemf作为电机的转速值ω'和位置值θ'输出；
在电机开始进行减速运行时，采用扩展反电动势法得到的电机的估计转速ω'eemf和估计角度θ'eemf作为电机的转速值ω'和位置值θ'输出；
当电机的估计转速ω'eemf满足减速时的切换条件时，采用高频信号注入法得到的电机的估计转速ω'hfsi和估计角度θ'hfsi作为电机的转速值ω'和位置值θ'输出；
所述加速时的切换条件为：
| ω ′ e e m f - ω ′ h f s i | ω ′ h f s i ≤ K
其中，K为系数，取值为0.01-0.1。
2.根据权利要求1所述的无位置传感器永磁同步电机全速度域转子位置检测方法，其特征在于，所述系数K在电机额定转速大于或等于10000rpm时取0.01，在电机额定转速小于或等于1500rpm时取0.1，当电机额定转速为(1500rpm，10000rpm)区间时取0.01-0.1之间的经验值。
3.根据权利要求1所述的无位置传感器永磁同步电机全速度域转子位置检测方法，其特征在于，所述减速时的切换条件为：
ω′eemf≤ω′tran
其中，ω'tran为当电机的估计转速ω'hfsi和ω'eemf满足加速时的切换条件时刻，采用扩展反电动势法得到的电机的估计转速ω'eemf。
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