CN106788071B - 一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法 - Google Patents

一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，该方法在利用脉振高频电压注入法实现永磁同步电机转子位置估计的基础上，对所提取的位置估计误差函数进行处理，消除其中由于电机参数不对称所引入的2次谐波成分，得到处理后的位置估计误差函数，然后建立锁相环将其调整到0，得到估计转子速度和估计转子位置。该方法能有效抑制由电机参数不对称引起的位置估计2次谐波误差，提高无位置传感器控制***性能。

Description

一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，特别是一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法。
背景技术
永磁同步电机凭借其体积小、重量轻、功率因素高以及控制性能优越等特点得到了广泛的工业应用。转子位置是永磁同步电机实现矢量控制时不可或缺的信息，光电编码器、旋转变压器等机械式位置传感器增加了控制***的体积、重量和成本，因此永磁同步电机无位置传感器控制技术得到了广泛关注。其中，脉振高频电压注入法实现简单、鲁棒性好，且适用于零、低速场合，因此吸引力大批学者对其展开研究。
转子位置估计精度是考量一个无位置控制***性能的重要指标。当电机三相电阻或电感不对称时，采用脉振高频电压注入法得到的估计转子位置存在2次谐波误差。该谐波误差的存在降低了转子位置估计精度，同时也限制了无位置传感器控制性能的提升，因此有必要对其进行消除。P.L.Xu and Z.Q.Zhu,“Carrier signal injection-basedsensorless control for permanent-magnet synchronous machine drivesconsidering machine parameter asymmetry,”IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.63,no.5,pp.2813-2824,May.2016.提出一种基于双重信号注入的转子位置估计误差2次谐波抑制方法，在直轴注入两个不同频率的信号，并且保证两个注入信号的幅值与频率比一致。对其中一个信号进行调制，得到与电机参数不对称相关的偏差量，用它来补偿另一个信号调制过程中的位置估计误差信息，该方法有效抑制了估计位置中的2次谐波分量，但由于需要注入两个不同频率的信号，这明显增加了***的运算负担和复杂性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，能有效抑制估计转子位置中的2次谐波误差，提高转子位置估计精度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，包括以下步骤：
步骤A、采用脉振高频电压注入法获取位置估计误差信息；
步骤B、对所提取的位置估计误差信息进行调制，先得到补偿信息，将位置估计误差信息与补偿信息作差，得到处理后的位置估计误差信息；
步骤C、建立锁相环，将处理后的位置估计误差信息调整到0，得到估计转子速度和估计转子位置；
步骤D、根据估计d轴和q轴的电流给定值与电流响应，得到估计d轴和q轴电压；
步骤E、重复步骤A至步骤D，直到电机停止运行。
作为本发明所述的一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法进一步优化方案，所述步骤A具体如下：
步骤A.1、在估计转子同步旋转坐标系的d轴注入高频余弦电压Uh cos(ωht)，其中，Uh为在d轴注入高频电压的幅值，ωh为在d轴注入高频电压的频率，t表示当前时刻；
步骤A.2、对估计d轴电压和估计q轴电压进行派克逆变换，得到两相静止α-β坐标系下的电压uα和uβ，再采用空间矢量脉宽调制得到三相逆变器的六路开关信号，驱动永磁同步电机；
步骤A.3、检测电机三相绕组A/B/C中的任意两相电流，先进行克拉克变换得到两相静止α-β坐标系下的电流iα和iβ，再经过派克变换得到估计d轴电流响应和估计q轴电流响应
步骤A.4、将估计q轴电流响应经过带通滤波器选出频率为ωh的交流分量，即高频分量再与正弦信号2sin(ωht)相乘进行调制，得到直流分量和频率为2ωh的交流分量，最后将该直流分量和交流分量经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量，得到位置估计误差信息f(Δθ)。
作为本发明所述的一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法进一步优化方案，所述步骤B具体如下：
步骤B.1、将位置估计误差信息f(Δθ)与相乘，其中，为估计的转子位置；
步骤B.2、采用一个截止频率低于的低通滤波器对f(Δθ)进行滤波，其中，为估计转子速度；
步骤B.3、将滤波后的信号与相乘，得到补偿信息fP；
步骤B.4、将位置估计误差信息f(Δθ)与补偿信息fP作差，得到处理后的位置估计误差信息fc(Δθ)。
作为本发明所述的一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法进一步优化方案，所述步骤C中得到估计转子速度和估计转子位置，具体如下：
步骤C.1、将处理后的位置估计误差信息fc(Δθ)作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为估计转子速度
步骤C.2、对估计转子速度积分得到估计转子位置
作为本发明所述的一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法进一步优化方案，所述步骤D具体如下：
步骤D.1、将给定转子速度ω*与估计转子速度的差值输入到转速环PI调节器，该PI调节器的输出为估计q轴电流给定值
步骤D.2、将估计d轴电流给定值设为0，将估计d轴电流给定值与经过低通滤波器的估计d轴电流响应作差的结果、估计q轴电流给定值与经过低通滤波器的估计q轴电流响应作差的结果经过电流环PI调节器，得到估计d轴电压和估计q轴电压
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：
(1)由电机参数不对称所引起的偏差信息获取过程无需额外注入信号，仅需对已注入高频信号的电流响应进行一定调制即可；
(2)该补偿方法仅需多增加一个低通滤波器，实现简单方便，运算负担较小；
(3)采用该补偿方法后，位置估计误差中的2次谐波含量明显降低，位置估计精度显著提高。
附图说明
图1为具有2次谐波误差抑制功能的永磁同步电机无位置传感器控制***的原理框图。
图2为估计位置2次谐波误差消除模块的原理框图。
图3为给定转速120r/min时，有补偿和无补偿情况下的实际转子位置θ、估计转子位置位置估计误差Δθ和处理后的位置估计误差信息fc(Δθ)的实验波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如附图1所示，本发明提供一种提高永磁同步电机位置估计精度方法，具体包括以下步骤：
步骤1)在估计转子同步旋转坐标系的d轴注入高频余弦电压Uh cos(ωht)，其中，Uh为在d轴注入高频电压的幅值，ωh为在d轴注入高频电压的频率，t表示当前时刻；
步骤2)对估计d轴和q轴电压和进行派克逆变换，得到两相静止α-β坐标系下的电压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，驱动永磁同步电机PMSM，其中，和的初始值为0；
步骤3)检测电机三相绕组A/B/C中的任意两相电流，先进行克拉克变换得到两相静止α-β坐标系下的电流iα和iβ，再经过派克变换得到估计d轴电流响应和估计q轴电流响应
步骤4)将估计q轴电流响应经过带通滤波器(BPF)选出频率为ωh的交流分量，即高频分量再与正弦信号2sin(ωht)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(LPF)滤除交流分量，提取直流分量，得到位置估计误差信息f(Δθ)。
步骤5)如附图2所示，将位置估计误差信息f(Δθ)与相乘，其中，的初始值为0；
步骤6)采用一个截止频率远低于的低通滤波器LPF2对f(Δθ)进行滤波，其中，的初始值为0；
步骤7)将滤波后的信号与相乘，得到补偿信息fP；
步骤8)将位置估计误差信息f(Δθ)与补偿信息fP作差，得到处理后的位置估计误差信息fc(Δθ)。
步骤9)将处理后的位置估计误差信息fc(Δθ)作为PI调节器的输入，估计转子速度为PI调节器的输出，对估计转子速度积分得到估计的转子位置
步骤10)将给定转子速度ω*与估计转子速度的差值输入到转速环PI调节器，该PI调节器的输出为估计q轴电流给定值
步骤11)将估计d轴电流给定值设为0，分别将估计d轴和q轴电流给定值和与经过低通滤波器(LPF)的估计d轴和q轴电流响应和作差，经过电流环PI调节器，得到估计d轴和q轴电压和
步骤12)重复步骤1)至步骤11)，直到电机停止运行。
为了验证本发明所提方法的可行性，在一台额定功率1.5kW的PMSM上进行了实验。附图3为给定转速为120r/min时，采用本发明所提补偿方法和不采用该补偿方法时的实际转子位置、估计转子位置、位置估计误差和处理后的位置估计误差信息的实验波形。对比可知，无补偿时，位置估计误差信息和位置估计误差中包含明显的2次谐波分量，位置估计精度较差；有补偿时，位置估计误差信息和位置估计误差中的2次谐波分量明显降低，位置估计精度得到显著提升。

Claims (4)

1.一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、采用脉振高频电压注入法获取位置估计误差信息；
步骤B、对所提取的位置估计误差信息进行调制，先得到补偿信息，将位置估计误差信息与补偿信息作差，得到处理后的位置估计误差信息fc(Δθ)；
得到补偿信息的方法如下：
步骤B.1、将位置估计误差信息f(Δθ)与相乘，其中，为估计的转子位置，Δθ为位置估计误差；
步骤B.2、采用一个截止频率低于的低通滤波器对进行滤波，其中，为估计转子速度；
步骤B.3、将滤波后的信号与相乘，得到补偿信息fP；
步骤C、建立锁相环，将处理后的位置估计误差信息调整到0，得到估计转子速度和估计转子位置；
步骤D、根据估计d轴电流给定值与估计d轴电流响应，得到估计d轴电压；根据估计q轴电流给定值与估计q轴电流响应，得到估计q轴电压；
步骤E、重复步骤A至步骤D，直到电机停止运行。
2.根据权利要求1所述的一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，其特征在于，所述步骤A具体如下：
步骤A.1、在估计转子同步旋转坐标系的d轴注入高频余弦电压Uhcos(ωht)，其中，Uh为在d轴注入高频电压的幅值，ωh为在d轴注入高频电压的频率，t表示当前时刻；
步骤A.2、对估计d轴电压和估计q轴电压进行派克逆变换，得到两相静止α-β坐标系下的电压uα和uβ，再采用空间矢量脉宽调制得到三相逆变器的六路开关信号，驱动永磁同步电机；
步骤A.3、检测电机三相绕组A/B/C中的任意两相电流，先进行克拉克变换得到两相静止α-β坐标系下的电流iα和iβ，再经过派克变换得到估计d轴电流响应和估计q轴电流响应
步骤A.4、将估计q轴电流响应经过带通滤波器选出频率为ωh的交流分量，即高频分量 再与正弦信号2sin(ωht)相乘进行调制，得到直流分量和频率为2ωh的交流分量，最后将该直流分量和交流分量经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量，得到位置估计误差信息f(Δθ)。
3.根据权利要求1所述的一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，其特征在于，所述步骤C中得到估计转子速度和估计转子位置，具体如下：
步骤C.1、将处理后的位置估计误差信息fc(Δθ)作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为估计转子速度
步骤C.2、对估计转子速度积分得到估计转子位置
4.根据权利要求1所述的一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，其特征在于，所述步骤D具体如下：
步骤D.1、将给定转子速度ω*与估计转子速度的差值输入到转速环PI调节器，该PI调节器的输出为估计q轴电流给定值
步骤D.2、将估计d轴电流给定值设为0，将估计d轴电流给定值与经过低通滤波器的估计d轴电流响应作差的结果、估计q轴电流给定值与经过低通滤波器的估计q轴电流响应作差的结果经过电流环PI调节器，得到估计d轴电压和估计q轴电压
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