CN111371362B - 高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法，步骤是：对电流响应信号滤波得到第一、第二电流信号，并根据所含位置估计误差信息设计第一、第二补偿矢量；第一补偿矢量分别与第一、第二电流信号相乘，得到第一、第二电流矢量；第二电流矢量低通滤波，然后与第一电流矢量做差，再与第二补偿矢量相乘，得到第二电流差值矢量；第二电流差值矢量的虚部送入PI调节器再积分，得到动子估计位置；将动子角频率估计值和动子位置估计值作为反馈信号，控制电机动子实际位置和动子估计位置的差值收敛为零，使电机稳定运行。此种方法可明显抑制端部效应引起的位置估计误差，有效改善采用高频注入法估算直线电机动子位置的精度，简单易于实现。

Description

高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法

技术领域

本发明属于直线电机领域，特别涉及一种高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法。

背景技术

随着工业应用的发展，直线电机广泛运用在生产线、智能电梯、磁悬浮列车、等高速、高精度控制装置中。在直线驱动场合，相比于旋转电机，直线电机结构简单、惯性较小、响应速度快，能直接产生直线推力，效率高且施工成本低。

为了实现对高性能的直线电机控制，必须要获得直线电机的位置和速度信息。如果参考旋转电机速度传感器的安装方式，直线电机的速度传感器需沿直线轨道铺设光栅尺或安装霍尔传感器，但是光栅传感器不仅增加了***成本，而且可靠性差，安装维护困难，影响了整个控制***的性能。如果在控制***中使用无位置传感器算法，可以提高驱动控制的有效性以及***的安全性，而且建设成本、安装维护成本都会大大减少。如果在控制***中使用无位置传感器算法，可以提高驱动控制的有效性以及***的安全性，而且建设成本、安装维护成本都会大大减少。高频注入法一种常用的无位置传感器技术，该方法不依赖电机反电势、对电机参数不敏感、鲁棒性强，特别适合应用在电机低速运行的场合。

然而与旋转电机不同的是，由于直线电机特有的端部效应影响，电机端部磁路不对称，从而三相绕组电感参数不对称，这会使得直线电机采用高频注入等无位置控制算法时位置估计会出现较大误差，最终导致整个***的稳定性较差。

中国专利公开号CN105450125A，一种旋转高频电压信号注入法永磁同步电机转子位置估算误差补偿的方法公开了一种旋转高频电压信号注入法永磁同步电机转子位置估算误差补偿的方法，该方法利用锁相环的原理检测高频电压注入信号的相位误差，并对其在最终转子位置估计过程中产生的位置估计误差进行直接补偿。中国专利公开号CN102624322B，一种高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法公开了一种高频注入法检测永磁同步电机转子位置的补偿方法，该方法对高频注入法的PI调节器进行补偿，以减小PI调节器的延迟，可以有效改善采用高频注入法检测永磁同步电机转子位置的精度，明显提高整个高频注入法检测***的静态和动态运行性能。

这些旋转电机的无位置传感器补偿算法都可以移植到永磁直线电机的无位置传感器控制中对位置估计误差进行补偿，但是直线电机三相互感参数不对称引起的位置估计误差是角度的函数，是无法通过控制器的调节来消除的。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法，其可明显抑制端部效应引起的位置估计误差，有效改善采用高频注入法估算直线电机动子位置的精度，同时本发明的补偿方法简单易于实现，不需要增加硬件设施投入，适合进行规模化推广应用。

在得到本发明技术方案之前，本申请人进行了大量数学推导和分析发现，造成高频注入法在应用于直线电机动子位置估算时的误差主要原因是来自直线电机特有的端部效应造成的互感参数不对称，这是因为与旋转电机不同，直线电机由于其动子开放结构，两端绕组之间的互感值小于中间相邻绕组之间的互感值，参见图1永磁直线电机互感波形图，而现有技术的高频注入法是基于三相互感参数基本相等来实现较精确的位置估计的，那么将现有技术中的高频注入法应用于直线电机时，两端绕组与中间绕组的互感差值会在估计的位置中产生一个误差，经过数学推导和计算，该误差大小为Ksin(2ωt+2π/3)的函数，其中ω为基波信号角频率，K与所述互感差值成正比。

因此，为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法，包括如下步骤：

步骤1，基于电流响应信号

分别进行不同的滤波，得到第一电流信号和第二电流信号，并根据第一电流信号和第二电流信号所含位置估计误差信息设计两个补偿矢量，分别为第一补偿矢量和第二补偿矢量；

步骤2，第一补偿矢量分别与第一电流信号和第二电流信号相乘，得到第一电流矢量和第二电流矢量；

步骤3，将第二电流矢量通过第三低通滤波器滤波，然后与第一电流矢量做差，得到第一电流差值矢量，将第一电流差值矢量与第二补偿矢量相乘，得到第二电流差值矢量；

步骤4，取第二电流差值矢量的虚部得到电流差值信号，将电流差值信号送入PI调节器，对PI调节器输出进行积分，最终得到动子估计位置；

步骤5，将动子角频率估计值

和动子位置估计值

作为反馈信号，控制电机动子实际位置和动子估计位置的差值收敛为零，使电机稳定运行。

上述步骤1中，得到第一电流信号的方法是：

步骤111，将电流响应信号

通过高通滤波器进行滤波，获得角频率为ω_h1的高频电流信号

其中所述高通滤波器的截止角频率为ω_Hc，且满足ω_Hc<ω_h1；

步骤112，将所述高频电流信号

乘以高频正弦信号sinω_h1t，然后将得到的信号通过第一低通滤波器进行滤波，获得第一电流信号

其中，第一低通滤波器的截止角频率为ω_Lc1，且满足2ω<ω_Lc1<ω_h1。

上述步骤112中，第一电流信号

的表达式如下：

其中，K₁，L₁，L′₁是电机自感和互感计算得到的常数，ΔM为两端绕组之间的互感与中间相邻绕组之间的互感差值；

U_mh1为第一高频电压信号u_dh1的幅值，u_dh1＝U_mh1 cos ω_h1t，ω_h1为第一高频信号的角频率；

Δθ为用角度表示的动子位置估计差值，

其中θ_e为用角度表示的动子实际位置，

为用角度表示的动子估计位置，且θ_e＝ωt，ω为基波信号角频率；

其中，θ₂＝-2ωt-2π/3，

e^j(θ2+Δθ)＝cos(θ₂+2Δθ)+j sin(θ₂+2Δθ)，

e^j(2Δθ)＝cos(2Δθ)+j sin(2Δθ)。

上述步骤1中，得到第二电流信号的方法是：

步骤121，将电流响应信号

通过带通滤波器进行滤波，获得角频率为ω_h2的高频电流信号

其中所述带通滤波器的上限截止角频率为ω_Bc1，下限截止角频率为ω_Bc2，所述带通滤波器的中心角频率为ω_Bc3，且满足ω_Bc2<ω_h2<ω_Bc1，ω_Bc1<ω_Hc，ω_Bc3＝(ω_Bc1+ω_Bc2)/2；

步骤122，将所述高频电流信号

乘以高频正弦信号sinω_h2t，然后将得到的信号通过第二低通滤波器进行滤波，获得第二电流信号

其中，第二低通滤波器的截止角频率为ω_Lc2，且满足2ω<ω_Lc2<ω_h2。

上述步骤122中，第二电流信号

的表达式如下：

其中，K₁，L₁，L′₁是电机自感和互感计算得到的常数，ΔM为两端绕组之间的互感与中间相邻绕组之间的互感差值；

U_mh2为第二高频电压信号u_dh2的幅值，u_dh2＝U_mh2 cos ω_h2t，ω_h2为第二高频信号的角频率；

Δθ为用角度表示的动子位置估计差值，

其中θ_e为用角度表示的动子实际位置，

为用角度表示的动子估计位置，且θ_e＝ωt，ω为基波信号角频率；

其中，θ₂＝-2ωt-2π/3，

e^j(θ2+Δθ)＝cos(θ₂+2Δθ)+j sin(θ₂+2Δθ)，

e^j(2Δθ)＝cos(2Δθ)+j sin(2Δθ)。

上述步骤1中，设计的第一补偿矢量ψ₁和第二补偿矢量ψ₂的表达式为：

其中，位置估计误差是θ₂的函数。

上述步骤3中，第三低通滤波器的分子为X，

截止频率为ω_Lc3，且满足ω_Lc3<2ω，ω为基波信号角频率。

上述永磁直线电机为圆筒形结构或双边结构。

上述永磁直线电机为初级永磁式直线电机。

上述永磁直线电机为三相电感参数不对称的旋转转子永磁式电机或三相电感参数不对称的旋转定子永磁式电机。

采用上述方案后，本发明根据位置估计误差的表达式来设计补偿矢量和滤波器，对于永磁直线电机，三相互感参数不对称会引起位置估计误差，依次注入不同角频率的两个高频电压信号，根据电流响应信号的信息，设计补偿矢量和滤波器，通过电流响应与补偿矢量之间的运算以及滤波器滤波，可以准确补偿由直线电机三相互感不对称引起的位置估计误差，有效提高了永磁直线电机动子位置估计精度，特别适用于采用直线电机驱动的高精度伺服***中。同时，本发明所述方法具有通用性，同样也适用于永磁直线电机动子估计误差的补偿。

附图说明

图1是本发明中永磁直线电机互感波形图；

图2是本发明中定义的坐标关系图；

图3是本发明中动子位置估计补偿方法的控制结构框图；

图4是未补偿的高频注入法下永磁直线电机用角度表示的动子估计位置与电机用角度表示的动子实际位置的对比图；

图5是高频注入法经本发明具体实施方式补偿下永磁直线电机用角度表示的动子估计位置与电机用角度表示的动子实际位置的对比图。

附图标记说明：图2中，1是两相静止坐标系α-β，2是估计两相同步旋转坐标系

3是实际两相同步旋转坐标系d-q，4是动子位置估计差值为Δθ，5是动子实际位置θ_e，6是动子估计位置

图3中，7是第一高频注入单元，8是第二高频注入单元，9是位置估计误差补偿单元；图4中，10是未补偿的高频注入法下永磁直线电机用角度表示的动子估计位置，11是电机用角度表示的动子实际位置；图5中，12是高频注入法经本发明具体实施方式补偿下永磁直线电机用角度表示的动子估计位置，13是电机用角度表示的动子实际位置。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

本发明提供一种高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法，功能上包括三个单元，如图3所示，分别是第一高频注入单元7、第二高频注入单元8、位置估计误差补偿单元9，所述补偿方法的具体内容是：通过第一高频注入单元得到第一电流信号，通过第二高频注入单元得到第二电流信号，根据第一电流信号和第二电流信号所含位置估计误差信息来设计两个补偿矢量，分别为第一补偿矢量和第二补偿矢量，第一补偿矢量分别与第一电流信号和第二电流信号相乘，得到第一电流矢量和第二电流矢量，将第二电流矢量通过低通滤波器滤波，然后与第一电流矢量做差，得到第一电流差值矢量，将第一电流差值矢量与第二补偿矢量相乘，得到第二电流差值矢量，取第二电流差值矢量的虚部得到电流差值信号，将电流差值信号送入PI调节器，对PI调节器输出进行积分，最终得到动子估计位置。

所述第一高频注入单元7的实现步骤如下：

(1)定义的坐标系：定义三个坐标系，包括两相静止坐标系α-β，估计两相同步旋转坐标系

和实际两相同步旋转坐标系d-q；

(2)定义基波信号角频率为ω，基波信号角频率的两倍为2ω，定义用角度表示的动子位置估计差值为Δθ，

其中θ_e为用角度表示的动子实际位置，

为用角度表示的动子估计位置，且θ_e＝ωt；

(3)在所述估计两相同步旋转坐标系

的

轴注入第一高频电压信号u_dh1，u_dh1＝U_mh1 cos ω_h1t，其中U_mh1为第一高频信号的幅值，ω_h1为第一高频信号的角频率，所述第一高频电压信号的角频率远大于2ω；

(4)将电流响应信号

通过高通滤波器进行滤波，获得角频率为ω_h1的高频电流信号

其中所述高通滤波器的截止角频率为ω_Hc，且满足ω_Hc<ω_h1；

(5)将所述高频电流信号

乘以一个高频正弦信号sinω_h1t，然后将得到的信号通过低通滤波器1进行滤波，获得第一电流信号

其中，K₁，L₁，L₁′是电机自感和互感计算得到的常数，ΔM为两端绕组之间的互感与中间相邻绕组之间的互感差值，低通滤波器1的截止角频率为ω_Lc1，且满足2ω<ω_Lc1<ω_h1；

可以看到，第一电流信号除了包含动子位置估计差值之外，还包含所述互感差值引起的位置估计误差，该位置估计误差是θ₂的函数，其中，θ₂＝-2ωt-2π/3，

e^j(θ2+Δθ)＝cos(θ₂+2Δθ)+j sin(θ₂+2Δθ)，

e^j(2Δθ)＝cos(2Δθ)+j sin(2Δθ)，

所述第二高频注入单元，参照附图3，8是第二高频注入单元，其实现步骤如下：

(1)在所述估计两相同步旋转坐标系

的

轴注入第二个高频电压信号u_dh2，u_dh2＝U_mh2 cos ω_h2t，其中U_mh2为第二高频信号的幅值，ω_h2为第二高频信号的角频率，所述第二高频电压信号的角频率远大于2ω，且满足ω_h2<ω_Hc<ω_h1；

(2)将电流响应信号

通过带通滤波器进行滤波，获得角频率为ω_h2的高频电流信号

其中所述带通滤波器的上限截止角频率为ω_Bc1，所述带通滤波器的下限截止角频率为ω_Bc2，所述带通滤波器的中心角频率为ω_Bc3，所述上限截止角频率为ω_Bc1和下限截止角频率为ω_Bc2以及中心角频率为ω_Bc3远大于2ω，且满足ω_Bc2<ω_h2<ω_Bc1，ω_Bc1<ω_Hc，ω_Bc3＝(ω_Bc1+ω_Bc2)/2；

(3)将所述高频电流信号

乘以一个高频正弦信号sinω_h2t，将得到的信号通过低通滤波器2进行滤波，获得第二电流信号

其中低通滤波器2的截止角频率为ω_Lc2，且满足2ω<ω_Lc2<ω_h2；

由此可见，第二电流信号除了包含位置估计差值之外，还包含所述互感差值引起的位置估计误差，所述位置估计误差是θ₂的函数。

所述动子位置估计误差补偿单元，参照附图3，9是位置估计误差补偿单元，其实现步骤如下：

(1)根据第一电流信号和第二电流信号所含位置估计误差信息，设计两个补偿矢量，分别为第一补偿矢量ψ₁和第二补偿矢量ψ₂，

(2)将所述第一电流信号

与所述第一补偿矢量ψ₁相乘，获得第一电流矢量

将所述第二电流信号

与所述第一补偿矢量ψ₁相乘，获得第二电流矢量

(3)将所述第二电流矢量

通过低通滤波器3进行滤波，将含有θ₂的信号滤去，获得矢量

其中，低通滤波器3的分子为X，

截止频率为ω_Lc3，且满足ω_Lc3<2ω；

(4)将所述第一电流矢量

与所述矢量

做差，获得第一电流差值矢量

(5)将所述第一电流差值矢量

与所述补偿矢量ψ₂相乘，将含有-θ₂的信号抵消，获得第二电流差值矢量

(6)取所述第二电流差值矢量

的虚部，获得电流差值信号

其中K₁和L′₁是电机自感和互感计算得到的常数，所述电流差值信号只含有Δθ的信息；

(7)将所述电流差值信号

作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为估计的角频率

对估计角频率进行积分得到用角度表示的动子位置估计值

(8)将最终动子角频率估计值

和动子位置估计值

作为反馈信号，控制电机动子实际位置和动子估计位置的差值收敛为零，使电机稳定运行。

图4是未补偿的高频注入法下永磁直线电机用角度表示的动子估计位置

10与电机用角度表示的动子实际位置θ_e 11的对比图，可以看出，动子估计位置与实际动子位置之间有明显误差；

图5是高频注入法经本发明具体实施方式补偿下永磁直线电机用角度表示的动子估计位置

12与电机用角度表示的动子实际位置

13的对比图，可以看出，动子估计位置与实际动子位置之间的误差非常小。

本发明适用的永磁直线电机包含很多形态，例如初级永磁式结构、圆筒形结构、双边结构，还可以适用于三相电感参数不对称的旋转转子永磁式电机或三相电感参数不对称的旋转定子永磁式电机。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，基于电流响应信号

分别进行不同的滤波，得到第一电流信号和第二电流信号，并根据第一电流信号和第二电流信号所含位置估计误差信息设计两个补偿矢量，分别为第一补偿矢量和第二补偿矢量；

步骤2，第一补偿矢量分别与第一电流信号和第二电流信号相乘，得到第一电流矢量和第二电流矢量；

步骤3，将第二电流矢量通过第三低通滤波器滤波，然后与第一电流矢量做差，得到第一电流差值矢量，将第一电流差值矢量与第二补偿矢量相乘，得到第二电流差值矢量；

步骤4，取第二电流差值矢量的虚部得到电流差值信号，将电流差值信号送入PI调节器，对PI调节器输出进行积分，最终得到动子估计位置；

步骤5，将动子角频率估计值

和动子位置估计值

作为反馈信号，控制电机动子实际位置和动子估计位置的差值收敛为零，使电机稳定运行。

2.如权利要求1所述的高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法，其特征在于：所述步骤1中，得到第一电流信号的方法是：

步骤111，将电流响应信号

通过高通滤波器进行滤波，获得角频率为ω_h1的高频电流信号

其中所述高通滤波器的截止角频率为ω_Hc，且满足ω_Hc<ω_h1；

步骤112，将所述高频电流信号

乘以高频正弦信号sinω_h1t，然后将得到的信号通过第一低通滤波器进行滤波，获得第一电流信号

其中，第一低通滤波器的截止角频率为ω_Lc1，且满足2ω<ω_Lc1<ω_h1，ω为基波信号角频率。

3.如权利要求2所述的高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法，其特征在于：所述步骤112中，第一电流信号

的表达式如下：

其中，K₁，L₁，L₁′是电机自感和互感计算得到的常数，ΔM为两端绕组之间的互感与中间相邻绕组之间的互感差值；

U_mh1为第一高频电压信号u_dh1的幅值，u_dh1＝U_mh1cosω_h1t，ω_h1为第一高频信号的角频率；

Δθ为用角度表示的动子位置估计差值，

其中θ_e为用角度表示的动子实际位置，

为用角度表示的动子估计位置，且θ_e＝ωt，ω为基波信号角频率；

其中，θ₂＝-2ωt-2π/3，

e^j(2Δθ)＝cos(2Δθ)+jsin(2Δθ)。

4.如权利要求1所述的高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法，其特征在于：所述步骤1中，得到第二电流信号的方法是：

步骤121，将电流响应信号

通过带通滤波器进行滤波，获得角频率为ω_h2的高频电流信号

其中所述带通滤波器的上限截止角频率为ω_Bc1，下限截止角频率为ω_Bc2，所述带通滤波器的中心角频率为ω_Bc3，且满足ω_Bc2<ω_h2<ω_Bc1，ω_Bc1<ω_Hc，ω_Bc3＝(ω_Bc1+ω_Bc2)/2，ω_Hc为高通滤波器的截止角频率；

步骤122，将所述高频电流信号

乘以高频正弦信号sinω_h2t，然后将得到的信号通过第二低通滤波器进行滤波，获得第二电流信号

其中，第二低通滤波器的截止角频率为ω_Lc2，且满足2ω<ω_Lc2<ω_h2，ω为基波信号角频率。

5.如权利要求4所述的高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法，其特征在于：所述步骤122中，第二电流信号

的表达式如下：

其中，K₁，L₁，L′₁是电机自感和互感计算得到的常数，ΔM为两端绕组之间的互感与中间相邻绕组之间的互感差值；

U_mh2为第二高频电压信号u_dh2的幅值，u_dh2＝U_mh2cosω_h2t，ω_h2为第二高频信号的角频率；

Δθ为用角度表示的动子位置估计差值，

其中θ_e为用角度表示的动子实际位置，

为用角度表示的动子估计位置，且θ_e＝ωt，ω为基波信号角频率；

其中，θ₂＝-2ωt-2π/3，

e^j(2Δθ)＝cos(2Δθ)+j sin(2Δθ)。

6.如权利要求1所述的高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法，其特征在于：所述步骤1中，设计的第一补偿矢量ψ₁和第二补偿矢量ψ₂的表达式为：

其中，θ₂＝-2ωt-2π/3，ω为基波信号角频率，位置估计误差是θ₂的函数。

7.如权利要求1所述的高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法，其特征在于：所述步骤3中，第三低通滤波器的分子为X，

其中，U_mh1为第一高频电压信号u_dh1的幅值，ω_h1为第一高频信号的角频率，U_mh2为第二高频电压信号u_dh2的幅值，ω_h2为第二高频信号的角频率，截止频率为ω_Lc3，且满足ω_Lc3<2ω，ω为基波信号角频率。

8.如权利要求1所述的高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法，其特征在于：所述永磁直线电机为圆筒形结构或双边结构。

9.如权利要求1所述的高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法，其特征在于：所述永磁直线电机为初级永磁式直线电机。

10.如权利要求1所述的高频注入法永磁直线电机动子位置估计的补偿方法，其特征在于：所述永磁直线电机为三相电感参数不对称的旋转转子永磁式电机或三相电感参数不对称的旋转定子永磁式电机。

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