CN109639205B - 基于高频方波注入无位置传感器控制的位置误差消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种基于高频方波注入无位置传感器控制的位置误差消除方法，控制对象为五相永磁同步电机，电机控制策略采用转速、电流双闭环的矢量控制，在直轴注入高频方波电压，包含有低频和高频的五相电流通过修正后的信号分离环节分别提取出基频电流和包含位置信息的交轴高频电流，基频电流用于矢量控制中的电流反馈，提取出来的高频信号通过软件锁相环得到估算的角度和速度，该方法能够有效消除估测位置偏差并能够实现位置的超前估测，补偿由数字控制器和逆变器所带来的输出电压的相位延时，更加精准可靠。

Description

基于高频方波注入无位置传感器控制的位置误差消除方法

所属领域

本发明属于电机控制处理领域，具体涉及一种基于高频方波注入无位置传感器控制的位置误差消除方法。

背景技术

永磁同步电机具有效率高、功率密度高、便于维护以及对环境适应性强等优点，在航天、数控、电动汽车等领域都得到广泛的应用，然而永磁同步电机的稳定和高效运行对位置信息非常依赖，在装配电机的同时要附带有检测电机位置的传感器，用于正弦磁场的永磁同步电机的位置检测器件一般为增量式编码器、绝对式编码器以及旋转变压器等，其中绝对式编码器和旋转变压器稳定性最好，但价格偏高；增量式编码器虽然价格便宜，但稳定性很差，位置信号在恶劣环境容易被干扰，进而导致矢量控制的崩溃。因此一方面出于价格考虑，另一方面出于稳定性保证，无位置传感器技术应运而生。

在零速以及低速时，高频方波电压注入法能有效地估计出位置以及速度，拥有信噪比强、带宽高等特点，在无位置控制中被广泛应用，然而高频方波注入虽然能稳定有效地提取位置信息，但其估测的位置总是存在着一定的误差，并且该误差会随着速度的增加逐渐增大，这在一定程度上削弱了电机控制性能。

发明内容

本发明正是针对现有技术中的问题，提供了一种基于高频方波注入无位置传感器控制的位置误差消除方法，控制对象为五相永磁同步电机，电机控制策略采用转速、电流双闭环的矢量控制，在直轴注入高频方波电压，包含有低频和高频的五相电流通过修正后的信号分离环节分别提取出基频电流和包含位置信息的交轴高频电流，基频电流用于矢量控制中的电流反馈，提取出来的高频信号通过软件锁相环得到估算的角度和速度，该方法能够有效消除估测位置偏差并能够实现位置的超前估测，补偿由数字控制器和逆变器所带来的输出电压的相位延时，更加精准可靠。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于高频方波注入无位置传感器控制的位置误差消除方法，包括以下步骤：

S1，在直轴注入高频方波电压以激励出包含有位置信息的高频交轴电流；

S2，通过相电流传感器获得五相电机电流；

S3，分别通过基频、高频电流提取算法将将步骤S2中获取的五相电机电流中的基频和高频电流分离；

S4，步骤S3中分离的基频电流反馈至电流闭环；

S5，步骤S3中分离的高频交轴电流用于锁相环估测角度和速度，用于矢量控制。

作为本发明的一种改进，所述步骤S1中高频方波为：

其中，f_c为空间矢量调制的载波频率；f_s为电流采样频率；

在d轴电流环的PI输出处叠加的正负交变的高频电压指令；f_h为其频率；f_b为矢量控制中的电流环的执行频率。

作为本发明的另一种改进，所述步骤S3中，高频电流提取算法基于代数法在旋转坐标系下进行，所述算法进一步包括：

S31，将步骤S2中采集到的五相电流通过Clark变换变换到两相静止坐标系下的一次平面上，得到i_α和i_β；

S32，通过以

为角度的Park变换，得到旋转坐标系下的交轴电流，

其中，T_s为电流采样周期；

为两个周期前估测出的角度；

为估测的电频率；

S33，通过下式的代数法提取出包含有位置信息的高频交轴电流信号幅值i_qhk，

其中，i_qk、i_qk-1和i_qk-2分别为k时刻、k-1时刻和k-2时刻由步骤S31计算出的交轴电流。

作为本发明的更进一步改进，经过步骤S3后提取到的高频交轴电流信号为：

其中，L_dh为直轴高频电感，L_qh为直轴高频电感，L_dif＝L_q-L_d；θ_e为真实的电机电角度；

为估测的电角度；T_s为电流的采样周期；

为估测的电机旋转电频率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于高频方波注入无位置传感器控制的位置误差消除方法的应用，包括以下步骤：

S1，采集电压电流值；

S2，利用权利要求1所述方法提取高频电流i_qh，通过软件锁相环获取估测角度

S3，,对五相电流进行坐标变换，得到基频电流i_dqb进行矢量控制得到

S4，高频注入电压给定值反号，

S5，计算用于空间矢量调制的电压

进行空间矢量调制，计算各相PWM的比较值

S6，基频电压给定值保存，

与现有技术相比，本发明所提供的高频信号提取方法解决了高频方波电压注入无位置算法中传统的高频信号提取方法所带来的位置估测误差问题，不仅消除了位置偏差，而且能够实现角度的超前估测，将该方法估测的角度用于矢量控制，能够补偿由数字控制和逆变器带来的输出电压的相位延迟，对电机的鲁棒性、动态以及稳态性能有显著提升；同时本方法首次阐述了导致位置估测误差的一个原因，并且所用方法计算量小，易于实现，便于工程化和实用化。

附图说明

图1为本发明方法的***结构框图；

图2为本发明步骤S3中高频交轴电流提取方法示意图；

图3为本发明实施例2的控制信号时序图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

实施例1

基于高频方波注入无位置传感器控制的位置误差消除方法，包括以下步骤：

S1，在直轴注入高频方波电压以激励出包含有位置信息的高频交轴电流，所述高频方波为：

其中，f_c为空间矢量调制的载波频率；f_s为电流采样频率；

在d轴电流环的PI输出处叠加的正负交变的高频电压指令；f_h为其频率；f_b为矢量控制中的电流环的执行频率。；

S2，通过相电流传感器获得五相电机电流；

S3，分别通过基频、高频电流提取算法将将步骤S2中获取的五相电机电流中的基频和高频电流分离，其中，高频电流提取算法基于代数法在旋转坐标系下进行，高频电流提取算法进一步包括：

S31，将步骤S2中采集到的五相电流通过Clark变换变换到两相静止坐标系下的一次平面上，得到i_α和i_β；

S32，通过以

为角度的Park变换，得到旋转坐标系下的交轴电流，

其中，T_s为电流采样周期；

为两个周期前估测出的角度；

为估测的电频率；

S33，通过下式的代数法提取出包含有位置信息的高频交轴电流信号幅值i_qhk，

其中，i_qk、i_qk-1和i_qk-2分别为k时刻、k-1时刻和k-2时刻由步骤S31计算出的交轴电流；

所述提取到的高频交轴电流信号为：

其中，L_dh为直轴高频电感，L_qh为直轴高频电感，L_dif＝L_qh-L_dh；θ_e为真实的电机电角度；

为估测的电角度；T_s为电流的采样周期；

为估测的电机旋转电频率；

S4，步骤S3中分离的基频电流反馈至电流闭环；

S5，步骤S3中分离的高频交轴电流用于锁相环估测角度和速度，用于矢量控制，从图1可以看出，控制***多处用到角度信息，在每个角度处用不同的下标来代替，并且定义每次锁相环更新的角度为当前k时刻的估算角度

定义角度观测误差

θ_k为进入k时刻电机的真实角度。

该方法电机控制策略为转速、电流双闭环的矢量控制，其中速度反馈和坐标变换所用到的角度为锁相环估计出的速度和角度，无位置策略采用高频方波注入算法，采用代数法进行高频信号的提取，在高频提取环节，不使用上一时刻估计出的角度进行高频信号的坐标变换，而是采用修正后的角度进行变换，将包含位置信息的高频信号提取出来，进而达到消除偏差、超前估测的目的。

实施例2

基于数字控制器的程序，控制器的Ewm1和Epwm2模块同步计数，在Epwm1的波谷和Epwm2的波峰处发生中断,Epwm1的波谷中断具体步骤如下：

Step1:电压电流采样；

Step2:利用

对五相电流进行Park变换，并利用代数法提取高频电流i_qh；

Step3:利用i_qh通过软件锁相环来估算

和

Step4:利用

对五相电流进行坐标变换，得到基频电流i_dqb进行矢量控制得到

Step5:高频注入电压给定值反号，

Step6:计算用于空间矢量调制的电压

然后用

进行空间矢量调制，计算各相PWM的比较值；

Step7:基频电压给定值保存，

Epwm2的波峰中断步骤如下：

Step1:电压电流采样；

Step2:此中断中i_qh不更新，沿用Epwm1的波谷中断提取的高频电流i_qh进行锁相，估计出

Step3:利用

对五相电流进行坐标变换，得到包含基频和高频的电流i_dq并保存下来，用于Epwm1的波谷中断；

Step4:保持高频电压给定信号

不变，计算用于空间矢量调制的电压

用

进行空间矢量调制，计算各相PWM的比较值。

图3为与本实施例相对应的信号时序图，

分别为基频电压和高频电压给定信号，u_q、u_dh分别为实际逆变器输出的基频和高频指令，i_qb、i_qh分别为对应的基频和高频交轴电流响应，i_q为同时包含基频和高频的交轴电流。从图3中可以看出，在一个波谷到波谷的三角载波周期中，逆变器实际输出的交轴电压保持不变，而高频方波电压交变，高频交轴电流在波谷处为零，基频交轴电流增长率保持恒定。基频与高频交轴电流均在波谷处计算，更新周期为载波周期。基频信号即为波谷时采样变换的交轴电流，高频信号则采用下式所述代数法提取：

其中，i_qk、i_qk-1和i_qk-2分别为波谷时的变换后的k时刻交轴电流、一、二个采样周期前的交轴电流。

结合电机模型及控制方法，考虑数字控制和逆变器不可避免的延迟，得到上述高频交轴电流值为：

其中L_dh、L_qh为直、交轴高频电感，L_Σ＝L_qh+L_dh，L_dif＝L_qh-L_dh，U_dh为注入的高频电压信号幅值，θ_k-1为k-1时刻电机真实电角度，

为估测的电频率，

与图1控制框图中相同。传统方法中：

那么高频交轴电流经过软件锁相环稳定收敛时，i_qhk＝0，得到：

为电机凸极率，由于表贴式电机凸极率均很小，因此，对于表贴式电机来说会导致比较明显的角度观测误差。本发明采用以下角度用于坐标变换：

此时高频交轴电流通过软件锁相环稳定收敛时，估测角度误差为：

θ_er＝-1.5ω_eT_s

实现了1.5ω_eT_s电角度的提前估测，此电角度即为数字控制和逆变器控制所带来的电压输出延迟的相位值。

本发明设计的采用修正角度作为坐标变化的高频信号提取方法不仅找到了传统高频方波注入算法中角度估测误差的一个原因，而且通过简单的校正环节有效地消除了角度估测误差，实现了1.5ω_eT_s电角度的超前估测，同时能够补偿数字控制和逆变器所带来的输出电压相位延迟，保证了无位置控制算法的稳定性，对电机无位置运行的动态及稳态性能都有显著提高。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.基于高频方波注入无位置传感器控制的位置误差消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在直轴注入高频方波电压以激励出包含有位置信息的高频交轴电流；

S2，通过相电流传感器获得五相电机电流；

S3，分别通过基频、高频电流提取算法将将步骤S2中获取的五相电机电流中的基频和高频电流分离，高频电流提取算法基于代数法在旋转坐标系下进行，所述算法进一步包括：

S31，将步骤S2中采集到的五相电流通过Clark变换变换到两相静止坐标系下的一次平面上，得到i_α和i_β；

S32，通过以

为角度的Park变换，得到旋转坐标系下的交轴电流，

其中，T_s为电流采样周期；

为两个周期前估测出的角度；

为估测的电频率；

S33，通过下式的代数法提取出包含有位置信息的高频交轴电流信号幅值i_qhk，

其中，i_qk、i_qk-1和i_qk-2分别为k时刻、k-1时刻和k-2时刻由步骤S31计算出的交轴电流；u_dh为控制器实际输出的高频电压；

S4，步骤S3中分离的基频电流反馈至电流闭环；

S5，步骤S3中分离的高频交轴电流用于锁相环估测角度和速度，用于矢量控制。

2.如权利要求1所述的基于高频方波注入无位置传感器控制的位置误差消除方法，其特征在于所述步骤S1中高频方波为：

其中，f_c为空间矢量调制的载波频率；f_s为电流采样频率；

在d轴电流环的PI输出处叠加的正负交变的高频电压指令；f_h为其频率；f_b为矢量控制中的电流环的执行频率。

3.如权利要求1所述的基于高频方波注入无位置传感器控制的位置误差消除方法，其特征在于经过步骤S3后提取到的高频交轴电流信号为：

其中，L_dh为直轴高频电感，L_qh为直轴高频电感，L_dif＝L_qh-L_dh；θ_e为真实的电机电角度；

为估测的电角度；T_s为电流的采样周期；

为估测的电机旋转电频率。

4.如权利要求1所述的基于高频方波注入无位置传感器控制的位置误差消除方法，其特征在于包括以下步骤：

S1，采集电压电流值；

S2，利用权利要求1所述方法提取高频电流i_qh，通过软件锁相环获取估测角度

S3，对五相电流进行坐标变换，得到基频电流

进行矢量控制得到

S4，高频注入电压给定值反号，

S5，计算用于空间矢量调制的电压

进行空间矢量调制，计算各相PWM的比较值

S6，基频电压给定值保存，

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