CN113507242B - 一种同步磁阻电机随机三角波电流注入无传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步磁阻电机随机三角波电流注入无传感器控制方法。本发明针对传统高频注入法应用于同步磁阻电机存在的高频噪声问题与损耗随负载增加而增加的问题，改进注入信号模式，采用频率和相位随机、幅值恒定的随机高频三角波电流信号注入到估计d轴中；由控制板A/D采样三相电流并通过Clark变换变换至αβ轴下；利用包含基波和高频分量的αβ轴电流解调出包含位置信息的正弦信号并进一步利用锁相环得到估计转子位置和转速；最后，将观测得到的转子位置和转速用于矢量控制双闭环实现无传感器控制。本发明用于实现同步磁阻电机零低速下低噪声、低脉动及低损耗的高性能无传感器控制。

Description

一种同步磁阻电机随机三角波电流注入无传感器控制方法

技术领域

本发明涉及一种同步磁阻电机随机三角波电流注入无传感器控制方法，适用于航空航天、家用电器、电动汽车等不适合安装位置传感器或对成本敏感的工业领域。

背景技术

同步磁阻电机作为感应电机和永磁同步电机的替代产品，凭借其制造简单、效率高、成本低等优点，近年来在工业领域受到了广泛关注。此外，在一些成本敏感的应用场合中，无传感器控制方案对同步磁阻电机的驱动而言至关重要。

根据不同的运行速域，可将无传感器控制算法分为中高速和零低速两类。在中高速域，通常采用基于反电动势和磁链模型的方法来观测转子位置，然而，由于零低速时与转速成正比的反电动势信噪比较低，估计精度会随着速度的降低而降低。因此，一般通过注入额外信号的方式来实现零低速时的位置观测。但是，传统的高频电压注入法会带来额外的高频噪声和高频损耗等新问题，尤其是对电感饱和特性显著的同步磁阻电机而言，恒定幅值的高频电压所得到的响应电流幅值会随着负载的增大而增大，从而在重载时大大增加了损耗，降低运行效率。目前，将注入频率设置在人耳可听范围外及采用伪随机高频电压注入信号两种思路被用于高频噪声抑制。诚然，这两种思路被验证可有效降低高频噪声，然而，这两者仍然无法解决同步磁阻电机响应电流幅值随负载变化的问题。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种同步磁阻电机随机三角波电流注入无传感器控制方法以抑制高频噪声、降低高频损耗和高频转矩脉动。

一种同步磁阻电机随机三角波电流注入无传感器控制方法，步骤如下：

步骤1，同步磁阻电机运行时，将随机高频三角波信号注入电机的估计d轴以在三相电流上得到相应的高频相应电流用于位置估计；

步骤2，通过控制器A/D对同步磁阻电机的三相电流进行采样并利用Clark变换将其变换至αβ轴下；

步骤3，对αβ轴电流中的高频信号包络线进行解调，获取与转子位置相关的正交信号；

步骤4，利用锁相环从上述正交信号中得到位置误差信号e、估计位置信号

与估计转速信号

步骤5，将得到的

和

用于转速反馈和SVPWM模块电压给定值的获取以实现同步磁阻电机的无位置传感器控制。

进一步，所述步骤1中随机高频三角波信号具备相位、频率随机和幅值恒定的特征，具体表现形式为：

其中，

代表注入估计dq轴的高频电流信号；I_inj代表注入电流信号的幅值；i_inj为单位幅值随机高频三角波电流信号；T_Σ为所有注入信号的周期；

为注入信号的相位；

单位幅值随机高频三角波电流信号表示为：

其中，

为随机算子；φ_t为基本注入电流信号，具体表达式为：

其中，t_r(t,T_i)表示t除以T_i的余数。

进一步，所述步骤3中的高频信号包络线解调具体如下：

首先，通过控制器A/D采样得到同步磁阻电机三相电流并经过Clark变换以变换至αβ轴下得到i_αβ；其次，相邻采样时刻基波电流基本不变，通过i_αβ相邻采样时刻的电流值

和

做差可得高频电流微分为：

其中，L_d和L_q分别为dq轴电感参数；K为系数且表示为：

利用与系数K中u_inj同相位的单位方波信号与高频电流微分相乘；最后，通过归一化系数消除K中电感参数L_q对位置观测带来的影响且归一化后的包含位置信息的信号表示为：

由此，已得到归一化后的包含位置信息的信号。

进一步，所述步骤4中利用锁相环得到输入位置误差为：

进一步通过PI调节器将输入位置误差调节至0即可使估计的转子位置收敛至实际值且估计转速信号和估计位置信号可表示为：

本发明具有以下有益效果：

1、本发明中的高频注入信号具备相位和频率随机、幅值恒定的特性。传统的相位、频率和幅值恒定的高频信号会造成高频噪声，而本发明中的高频注入信号能有效抑制电流频谱中的离散分量从而降低高频噪声。实验表明，当同步磁阻电机带额定负载运行在3.33Hz时，本发明能够降低约30dB高频噪声。

2、本发明中的高频注入信号为估计d轴电流注入信号。由于同步磁阻电机显著的电感饱和特性，传统的估计d轴电压注入信号所得响应电流幅值会随负载增大而增大，从而增加损耗和转矩脉动。而本发明中的信号为幅值恒定的电流注入信号，能确保同步磁阻电机在不同负载条件下维持其高频电流幅值恒定以降低高频损耗和转矩脉动。实验表明，当同步磁阻电机带133.3％额定负载运行在3.33Hz时，本发明能够降低55.56％的高频损耗和转矩脉动。

3、相比于传统高频信号注入法，本发明可在不使用位置传感器的前提下实现同步磁阻电机高效率、低转矩脉动和低噪声的高性能控制，大大提高了无传感器控制方法的实用性。

4、本发明同样适用于永磁同步电机的无传感器控制。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是同步磁阻电机随机三角波电流注入无传感器控制方法的控制框图；其中PLL为锁相环模块；

图2是四个基本注入电流信号单元示意图；

图3是本发明中高频信号包络线解调过程示意图；

图4是锁相环模块结构图；

图5是传统高频注入法和本发明方法在3.33Hz转速下，负载从0％以33.3％的步长逐渐上升至133.3％额定值工况下的对比波形图；图中(a)为传统高频注入法波形图；图中(b)为本发明方法波形图；(a)和(b)中的波形从上到下分别为d轴高频电流及其细节图、位置估计误差和a相电流；

图6是同步磁阻电机带额定负载运行在0Hz和3.33Hz转速下，本发明方法和传统高频注入法的a相电流FFT及PSD对比分析图；图中(a)、(b)、(c)和(d)分别为312.5Hz高频电压注入法、625Hz高频电流注入法、312.5Hz高频电流注入法和本发明方法带额定负载运行在0Hz的波形图；而图(e)、(f)、(g)和(h)为与之对应运行在3.33Hz的波形图；各个图从上至下分别为a相电流、电流FFT图和电流PSD图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1所示，本发明提供了一种同步磁阻电机随机三角波电流注入无传感器控制方法以抑制高频噪声、降低高频损耗和高频转矩脉动，具体实施方式为：

步骤1，同步磁阻电机运行时，将随机高频三角波信号注入其估计d轴以在三相电流中得到相应的高频响应电流用于位置估计：

结合图1可知，本实施方式中，无传感器控制方法包括了矢量控制双闭环、随机高频三角波信号生成和信号解调及位置观测三个模块。进一步，在所述步骤1中的随机高频三角波信号，其具备相位和频率随机、幅值恒定的特征且其具体表现形式为：

其中，

代表注入估计dq轴的高频电流信号；I_inj代表注入电流信号的幅值且该值为恒定值以确保不同负载条件下电流响应幅值恒定；i_inj为单位幅值随机高频三角波电流信号；T_Σ为所有注入信号的周期且其可能为周期T_i和2T_i；

为注入信号的相位；单位幅值随机高频三角波电流信号可表示为：

其中，

为随机算子；φ_t为基本注入电流信号且共有如图2所示四种情况，此外，其具体表达式为：

其中，t_r(t,T_i)表示t除以T_i的余数。

在本实施方式中，仅在估计d轴注入高频随机三角波电流信号，而估计q轴注入信号设置为0；

步骤2，通过控制器A/D对同步磁阻电机的三相电流进行采样并利用Clark变换将其变换至αβ轴下：

结合图1，本实施方式中，在估计d轴注入高频随机三角波电流信号之后，同步磁阻电机产生相应的响应电流，通过控制A/D对其三相电流进行采样并利用Clark变换得到αβ轴下包含高频和基频信号的电流信号：

步骤3，对αβ轴电流中的高频信号包络线进行解调，获取与转子位置相关的正交信号：

本实施方式中，在得到αβ轴电流信号之后，进一步结合图3，高频信号包络线解调过程为：

首先，读取已变换至αβ轴下的电流i_αβ；其次，考虑到相邻采样时刻基波电流基本不变，因此，通过i_αβ相邻采样时刻的电流值

和

做差可得高频电流微分为：

其中，L_d和L_q分别为dq轴电感参数；K为系数且可表示为：

紧接着，利用与系数K中u_inj同相位的单位方波信号与高频电流微分相乘以消除其系数所带来的影响；最后，通过归一化系数消除K中电感参数L_q对位置观测所带来的影响且归一化后的包含位置信息的信号可表示为：

步骤4，利用锁相环从上述正交信号中得到位置误差信号e、估计位置信号

与估计转速信号

由此，已得到归一化后的包含位置信息的信号，根据所述步骤4，可进一步结合图4所示锁相环得到其输入位置误差为：

进一步通过PI调节器将输入位置误差调节至0即可使估计的转子位置收敛至实际值且估计转速信号和估计位置信号可表示为：

其中k_p和k_i为锁相环的PI参数且在本实施方式中分别选取为：

k_p＝50,k_i＝5

步骤5，将得到的

和

用于转速反馈和SVPWM模块电压给定值的获取以实现同步磁阻电机的无位置传感器控制。

下面采用以下具体实施例来验证本发明的有益效果：

用于验证本发明的实验平台具体情况为：主电机为一台1.5kW的同步磁阻电机，其主要参数如下：

额定转速1500rpm，极对数2，额定转矩9.55Nm，定子电阻0.2Ω，额定电压230V，额定电流5.9A，d轴电感40mH，q轴电感20mH；负载电机为一台1.8kW的商用伺服永磁同步电机；同步磁阻电机供电采用两电平三相桥式逆变电路且采用直流电源供电；所有控制算法均在TMS320F28335中实现；开关频率和采样频率均为10kHz。

本实施例中高频电流信号幅值为0.24A，其注入频率为312.5Hz和625Hz，相位为90°和270°；与之对比的传统高频电压注入法幅值和频率分别为80V和312.5Hz，除此之外，本实施例中还采用两个不同频率的固定频率、固定相位高频电流注入法用于对比且两者频率分别为312.5Hz和625Hz。

图5所示为传统高频注入法和本发明方法在3.33Hz转速下，负载从0％以33.3％的步长逐渐上升至133.3％额定值工况下的对比波形图，可以看出传统方法随着负载的增大，响应电流幅值逐渐增大，当负载增大至133.3％额定负载时其响应电流高达0.54A，约为空载时的2.25倍。与此相反，本发明方法在任何负载条件下都能将高频响应电流幅值保持在0.24A，有效地降低了损耗和转矩脉动。此外，还可得本发明带133.3％额定负载运行时能降低55.56％的高频损耗

图6所示为同步磁阻电机带额定负载运行在0Hz和3.33Hz转速下，本发明方法和传统高频注入法的a相电流FFT及PSD对比分析图。从FFT和PSD图可以看出，相较于传统高频电压注入法和传统固定频率高频电流注入法，本发明方法在注入频率处没有离散谐波分量，证明本发明方法具有优异的降噪性能。

应理解上述实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种同步磁阻电机随机三角波电流注入无传感器控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，同步磁阻电机运行时，将随机高频三角波信号注入电机的估计d轴以在三相电流上得到相应的高频响应电流用于位置估计；

步骤2，通过控制器A/D对同步磁阻电机的三相电流进行采样并利用Clark变换得到αβ轴下包含高频和基频信号的电流信号；

步骤3，对αβ轴电流中的高频信号包络线进行解调，获取与转子位置相关的正交信号；

步骤4，利用锁相环从上述正交信号中得到位置误差信号ε、估计位置信号

与估计转速信号

步骤5，将得到的

和

用于转速反馈和SVPWM模块电压给定值的获取以实现同步磁阻电机的无位置传感器控制；

所述步骤1中随机高频三角波信号具备相位、频率随机和幅值恒定的特征，具体表现形式为：

其中，

代表注入估计dq轴的高频电流信号；I_inj代表注入电流信号的幅值；i_inj为单位幅值随机高频三角波电流信号；T_∑为所有注入信号的周期；

为注入信号的相位；

单位幅值随机高频三角波电流信号表示为:

其中，

为随机算子；φ_t为基本注入电流信号，具体表达式为:

其中，t_r(t,T_i)表示t除以T_i的余数。

2.根据权利要求1所述的同步磁阻电机随机三角波电流注入无传感器控制方法，其特征在于：所述步骤3中的高频信号包络线解调具体如下:

首先，通过控制器A/D采样得到同步磁阻电机三相电流并经过Clark变换以变换至αβ轴下得到i_αβ；其次，相邻采样时刻基波电流不变，通过i_αβ相邻采样时刻的电流值

和

做差得高频电流微分为:

其中，L_d和L_q分别为dq轴电感参数；K为系数且表示为:

利用与系数K中u_inj同相位的单位方波信号与高频电流微分相乘；最后，通过归一化系数消除K中电感参数L_q对位置观测带来的影响且归一化后的包含位置信息的信号表示为:

由此得到归一化后的包含位置信息的信号。

3.根据权利要求1所述的同步磁阻电机随机三角波电流注入无传感器控制方法，其特征在于：所述步骤4中利用锁相环得到输入位置误差为:

进一步通过PI调节器将输入位置误差调节至0，使估计的转子位置收敛至实际值且估计转速信号和估计位置信号为：

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