表贴式永磁同步电机低速无位置传感器矢量控制系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种表贴式永磁同步电机低速无位置传感器矢量控制系统与方法，利用注入频率等于PWM开关频率的高频脉振方波注入方案，结合双采样和双更新和连续两次偏差电流相减的解调措施，实现高频电流响应与基波电流的分离，最终得到了转子位置角和转子角速度的估计信息。所获得控制系统的电流带宽较高，与未施加高频注入的有转子位置的矢量控制系统相同，确保了系统的动态性能。

【技术实现步骤摘要】
表贴式永磁同步电机低速无位置传感器矢量控制系统与方法
本专利技术涉及一种表贴式永磁同步电机低速无位置传感器矢量控制系统与方法。
技术介绍
永磁同步电机(Permanentmagnetsynchronousmotor，PMSM)具有高转矩密度，高效率等特点，在航空航天、工业领域、电动汽车以及家用电器等伺服控制领域得到了广泛应用。按照转子结构的不同，PMSM可分为表贴式PMSM(Surface-mountedPMSM，SPMSM)和内嵌式PMSM(interiorPMSM，IPMSM)两大类。前者为隐极结构，后者为凸极结构。与内嵌式PMSM相比，SPMSM因其结构简单、控制方便等优点，而占据伺服领域主流。为了使PMSM同步运行，转子位置信息是不可或缺的。通常，转子位置是通过光电编码器或旋转变压器获得的。考虑到如空调压缩机、风机等特殊场合，受环境、成本、安装以及接线复杂等因素的影响，无法采用位置传感器，此时，采用无转子位置传感器方案替代转子位置传感器则成为必然的选择。近十多年来，国内外针对PMSM无转子位置传感器控制方案的研究论文屡见不鲜，这些方案概括起来可大致分为两类：一类是针对中、高速场合下的观测器方案；另一类是包括零速在内低速场合的高频注入(Highfrequencyinjection,HFI)方案。前者是通过定子电压与绕组电流信息结合PMSM的基波数学模型，利用观测器理论间接估计转子位置和转速信息。由于观测器方案是基于反电势原理来估计位置和转速的，一旦运行在低速较或起动时，反电势较小甚至为零，致使观测器方案失效。HFI方案尤其适用于零速和低速场合，它利用磁路结构的不对称和定子电感随转子位置的变化，通过在定子绕组中注入高频电压信号所产生的高频电流响应提取转子位置和转速信息。考虑到转子结构的不对称(又称为结构凸极)，HFI方案更适应于交、直轴不等的IPMSM电机。对于SPMSM，可以采用由高频注入所引起的磁路饱和(又称为饱和凸极)获取转子位置信息，由于其空间电感对转子位置角的依赖较弱，其信噪比较低。同时，受供电逆变器上、下桥臂死区、SVPWM中的谐波以及交、直轴交叉饱和等非线性因素的影响，转子位置角的估计难度明显高于IPMSM电机。目前，高频注入方案按照波形的不同可分为高频正弦波注入和高频方波注入方案两大类，以前者居多。对于高频正弦波注入方案，无论是在静止坐标系下的高频旋转电压注入还是在估计同步坐标系下的脉振高频注入方案，均要求所注入高频正弦波的频率不能太低也不能太高。频率太低易引起转矩脉动，影响伺服系统性能；频率太高，所产生的含转子位置信息的高频电流幅值较低，不利于转子位置的估计。通常，所注入高频正弦波的频率一般限制在在基波频率的5倍以上、PWM开关频率的十分之一以下(即小于1kHZ)的范围内，鉴于其恰好处于人耳闻阈范围，故所产生的噪音较大。需指出的是，现有的基于高频正弦波注入方案的无位置传感器矢量控制系统通常采用低通滤波器从定子绕组电流中分离基波分量作为反馈电流，而含有转子位置信息的高频电流分量则须通过带通滤波器提取。受滤波器的影响，无位置传感器矢量控制系统的电流环带宽变窄，动态响应趋缓。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种表贴式永磁同步电机低速无位置传感器矢量控制系统与方法，本专利技术利用注入频率等于PWM开关频率的高频脉振方波注入方案，结合双采样和双更新和连续两次偏差电流相减的解调措施，实现了高频电流响应与基波电流的分离，最终利用位置观测器得到了转子位置角和转子角速度的估计信息，从而解决了表贴式永磁同步电机无转子位置传感器矢量控制系统在零速和低速时时的噪音大、电流环带宽窄等问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种表贴式永磁同步电机低速无位置传感器矢量控制系统，包括：霍尔电流传感器，被配置为采集三相定子电流；信号处理模块，被配置为接收经过abc/dq坐标变换的三相定子电流，得到基波反馈电流和用于转子位置估计的高频电流；转子位置与速度跟踪观测器，被配置为接收信号处理模块得到的高频电流差值，经处理后获得转子磁链定向及坐标变换所需的转子位置角及转子转速的反馈值；速度调节器，被配置为接收转子的速度信息，并输出q轴电流的给定值，在d轴注入高频脉振方波电压，且注入的高频方波电压的频率与PWM的开关频率相同，高频脉振方波电压与d轴电流PI调节器输出的基波输出电压共同作用作为d轴定子电压的给定值，经dq/αβ坐标变换和标准七段SVPWM作用至三相逆变器。进一步的，所述信号处理模块按照不同的设定时刻注入基波和高频方波电压，并采样定子绕组电流。进一步的，采用两次电流偏差的差值作为与转子位置估计偏差角有关的信息，两次偏差相减的结果与仅注入高频方波电压作用时的电流偏差相同。进一步的，在一个PWM周期内，采用双采样双更新方案，并利用一个周期内连续两次电流偏差的差值作为与转子位置估计偏差角有关的信息；采用转子位置与速度跟踪观测器得到转子位置角和转子角速度的观测值。更进一步的，双采样双更新方案为将采样和控制频率升至PWM开关频率的两倍。进一步的，所述速度PI调节器的输出作为q轴电流的给定值，d轴电流的给定值为零，实现SPMSM单位定子电流转矩最大控制。更进一步的，在d轴注入高频脉振方波电压，它与d轴电流PI调节器输出的基波输出电压共同作用作为d轴定子电压的给定值，q轴电流调节器的输出作为q轴定子电压的给定值。进一步的，所述转子位置与速度跟踪观测器调整使q轴上的高频电流差分值趋向于零，获得转子位置角和转子角速度的估计值。进一步的，所述转子位置与速度跟踪观测器对于转子初始位置角的确定是根据高频方波注入和信号处理情况进行的，得到转子零速时的位置角，即为转子初始位置角。一种表贴式永磁同步电机低速无位置传感器矢量控制方法，利用注入频率等于PWM开关频率的高频脉振方波注入方案，结合双采样和双更新和连续两次偏差电流相减的解调措施，实现高频电流响应与基波电流的分离，最终得到了转子位置角和转子角速度的估计信息。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)不存在因高频注入而引起的噪音。本专利技术由于所注入频率与PWM开关频率相同，从而解决了现有高频注入法所带来的附加噪音问题；(2)电流环的带宽不因高频注入电压而有所降低。传统的高频旋转、脉振正弦波注入方案以及其它方波注入方案大都因滤波器的选择导致电流环的带宽受限。本专利技术由于采用了新的调制和解调方案和转子位置观测器，所获得控制系统的电流带宽较高，与未施加高频注入的有转子位置的矢量控制系统相同，确保了系统的动态性能。(3)本专利技术由于所采用的调制和解调方案采用两次q轴偏差电流相减处理，消除了包括逆变器死区以及零电流嵌位等非线性因素所代来的影响，提高了转子位置的估计精度。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是高频方波注入方案所用坐标轴系之间的关系示意图；图2是SPMSM电机无速度传感器矢量控制调速系统的框图；图3是高频方波电压注入、电流采样及定子电压的更新时刻；图4是信号处理模块的实现框图；图5是具体实现步骤和优化方案；图6是转子位置角及转子角速度跟踪观测器示意图；图7是用于判本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表贴式永磁同步电机低速无位置传感器矢量控制系统，其特征是：包括：霍尔电流传感器，被配置为采集三相定子电流；信号处理模块，被配置为接收经过abc/dq坐标变换的三相定子电流，得到基波反馈电流和用于转子位置估计的高频电流；转子位置与速度跟踪观测器，被配置为接收信号处理模块得到的高频电流差值，经处理后获得转子磁链定向及坐标变换所需的转子位置角及转子转速的反馈值；速度调节器，被配置为接收转子的位置和速度信息，并输出q轴电流的给定值，在d轴注入高频脉振方波电压，且注入的高频方波电压的频率与PWM的开关频率相同，高频脉振方波电压与d轴电流PI调节器输出的基波输出电压共同作用作为d轴定子电压的给定值，经dq/αβ坐标变换和标准七段SVPWM作用至三相逆变器。

【技术特征摘要】
1.一种表贴式永磁同步电机低速无位置传感器矢量控制系统，其特征是：包括：霍尔电流传感器，被配置为采集三相定子电流；信号处理模块，被配置为接收经过abc/dq坐标变换的三相定子电流，得到基波反馈电流和用于转子位置估计的高频电流；转子位置与速度跟踪观测器，被配置为接收信号处理模块得到的高频电流差值，经处理后获得转子磁链定向及坐标变换所需的转子位置角及转子转速的反馈值；速度调节器，被配置为接收转子的位置和速度信息，并输出q轴电流的给定值，在d轴注入高频脉振方波电压，且注入的高频方波电压的频率与PWM的开关频率相同，高频脉振方波电压与d轴电流PI调节器输出的基波输出电压共同作用作为d轴定子电压的给定值，经dq/αβ坐标变换和标准七段SVPWM作用至三相逆变器。2.如权利要求1所述的一种表贴式永磁同步电机低速无位置传感器矢量控制系统，其特征是：所述信号处理模块按照不同的设定时刻注入基波和高频方波电压，并采样定子绕组电流。3.如权利要求1所述的一种表贴式永磁同步电机低速无位置传感器矢量控制系统，其特征是：采用两次电流偏差的差值作为与转子位置估计偏差角有关的信息，两次偏差相减的结果与仅注入高频方波电压作用时的电流偏差相同。4.如权利要求1所述的一种表贴式永磁同步电机低速无位置传感器矢量控制系统，其特征是：在一个PWM周期内，采用双采样双更新方案，并利用一个周期内连续两次电流偏差的差值作为与转子位置估计偏差角有关的信息；采用转子位置与速度跟踪观测器得...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锦波，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37