一种基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制方法技术

本发明专利技术的一种基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制方法，包括以下步骤：步骤1：在两相静止坐标系下建立永磁同步电机基波数学模型及高频电压信号激励下的高频激励数学模型；步骤2：在两相静止坐标系下注入高频电压激励信号，根据高频激励数学模型进行采样，得到包含转子位置信息的电流项，进而得到转子位置的显示表达式；步骤3：将估计的转子位置送入转速控制器和电流控制器，构成转速‑电流双闭环控制结构，产生控制信号。本发明专利技术可克服传统转子位置估计方法的缺点，采用补偿矩阵方法，直接得到转子位置的解析表达式，消除现有技术因使用低通滤波器和带通滤波器存在的时间延迟问题，有效估计转子位置。

A Sensorless Control Method for Permanent Magnet Synchronous Motor Based on High Frequency Signal Injection

A sensorless control method for permanent magnet synchronous motor (PMSM) based on high frequency signal injection is proposed, which includes the following steps: step 1: establishing the fundamental wave mathematical model of PMSM in two-phase static coordinate system and the high frequency excitation mathematical model under high frequency voltage signal excitation; step 2: injecting high frequency voltage excitation signal in two-phase static coordinate system and according to high frequency excitation mathematical model. Step 3: The estimated rotor position is fed into the speed controller and current controller to form a double closed-loop control structure of speed and current to generate control signals. The method can overcome the shortcomings of the traditional rotor position estimation method, directly obtain the analytic expression of the rotor position by using the compensation matrix method, eliminate the time delay problem existing in the existing technology due to the use of low-pass filter and band-pass filter, and effectively estimate the rotor position.

【技术实现步骤摘要】
一种基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制方法
本专利技术属于永磁同步电机控制领域，涉及一种基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制方法。
技术介绍
永磁同步电机调速系统具有动态响应快，过载能力强、稳定性好等优点，适用于多种负载的运行状态。永磁同步电动机转子采用永磁材料，其功率密度很高，体积与重量都很小，外形尺寸设计灵活，被广泛应用于国民生产生活的各个领域。电能是国民生产生活的主要二次能源，电机作为机电能量转换和电能消耗的主体，其应用涉及到冶金、矿山、电力、石油、化工、楼宇智能、市政、纺织、建材等多个方面。2013年，工业和信息化部出台《电机能效提升计划》，为电机控制系统性能提升给予政策保障和支持。目前，绝大多数的永磁同步电机控制系统都需要获取转子实时位置信息，以进行速度闭环控制和旋转坐标变换，通常，转子位置信息由机械式位置传感器获得，如光电编码器、旋转变压器和霍尔元件等，这些机械式传感器给系统带来了如下问题：高精度传感器价格昂贵，系统成本增加，体积增大；信号在传送过程中易受外部电磁干扰，使系统稳定性降低；恶劣环境下，光电编码器可能无法使用，霍尔传感器易受温度影响，旋转变压器需要外部解调电路，这些因素使系统可靠性降低；传感器使转动惯量增大，系统动态性能受影响；位置传感器安装过程中存在同心度、角度偏移等问题，使系统精度降低；某些特殊场合无法安装和使用传感器。为有效解决上述问题，切实提高永磁同步电机控制系统的控制品质，国内外学者尝试通过电机运行过程中能够直接得到的参量，如电压、电流等，对转子位置进行估计，以代替机械式传感器，彻底解决由传感造成的系统稳定性、可靠性以及精确性下降的问题，由此形成了永磁同步电机无传感器控制方法。现有无传感器控制方法虽然能够很好地对转子位置进行估计，但都有一定的局限性：当永磁同步电机运行在零/低速范围内时，能够检测到的有用信号的信噪比非常低，甚至无法提取，但这些依赖基波数学模型方法的基本思想是反电势与电机转速成正比，而永磁同步电机零/低速运行时速度值很小，甚至可能为零，最终导致上述方法在零/低速时失效，无法对转子位置进行有效估计。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术估计精度低、存在时间之后、动态响应速度慢等缺陷，提供一种基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制方法，通过数学分析推导和计算可以有效克服传统转子位置估计方法的缺点，采用补偿矩阵方法，直接得到转子位置的解析表达式，消除现有技术因使用低通滤波器和带通滤波器存在的时间延迟问题，有效估计转子位置。本专利技术提供一种基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制方法，用于永磁同步电机无传感器控制系统中的电机转子位置估计，包括以下步骤：步骤1：在两相静止坐标系(αβ坐标系)下建立永磁同步电机基波数学模型及高频电压信号激励下的高频激励数学模型；步骤2：在两相静止坐标系(αβ坐标系)下注入高频电压激励信号，根据高频激励数学模型进行采样，可以得到包含转子位置信息的电流项，进而得到转子位置的显示表达式；步骤3：将估计的转子位置送入转速控制器和电流控制器，构成转速-电流双闭环控制结构，产生控制信号。在本专利技术的基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制方法中，所述步骤1具体包括：步骤1.1：在两相静止坐标系(αβ坐标系)下建立永磁同步电机基波数学模型，如下式所示：其中，[uαuβ]T和[iαiβ]T分别为两相静止坐标系下的定子电压和电流；Rs为定子绕组电阻；Ls为定子绕组电感；λf为转子永磁体磁链；θe为转子位置；ωe为转子速度；L-为半差电感；其中，定子绕组电感矩阵为：其中，L+为平均电感，L-为半差电感；Ld、Lq分别为两相旋转坐标系(dq坐标系)下的d轴电感和q轴电感；当采样时间足够短时，基波数学模型可以表示成如下形式：其中，[ΔiαΔiβ]T为两相静止坐标系(αβ坐标系)下的电流变量；ΔT为采样时间；步骤1.2：高频信号的注入频率远高于基频，此时可将永磁同步电机看作一个简单的RL回路，由于高频时定子电阻远小于电抗，旋转电动势非常小，可以忽略不计，则由式(1.1)可得到高频激励下的永磁同步电机的高频激励数学模型：当采样时间很短时，以离散量逼近式(2.1)中的微分项，式(2.1)可以写成如下形式：在本专利技术的基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制方法中，所述步骤2具体为：步骤2.1：在两相静止坐标系(αβ坐标系)下注入频率为ωin，幅值为Uin的高频电压激励信号，如下式所示：其中，[uαinuβin]Τ为两相静止坐标系下注入的高频电压信号。步骤2.2：当采样时间足够短时，电压与电流的基频分量可以看作常量，而只把高频分量作为变量，则电压差只与电流变量有关，对式(2.2)两个采样周期的采样值做差，可以得到：其中，[uα1uβ1]T和[uα2uβ2]T为每个采样周期内的电压，[uα21uβ21]T为采样周期内的电压差；[Δiα1Δiβ1]T和[Δiα2Δiβ2]T为与采样电压对应的采样电流。步骤2.3：由于公式(1.2)中的电感矩阵可以分为转子位置相关项和转子位置无关项，根据公式(1.2)和公式(1.3)将公式(3.2)改写成如下形式：设：则有：设有补偿矩阵：结合如下倍角及两角和差公式：以式(3.6)乘式(3.5)左右两端，采用式(3.7)对其进行化简，将2θe项化简成θe项，可得补偿矩阵：且以补偿矩阵乘式(3.5)左右两端的结果为：则可进一步得到永磁同步电机转子位置的显示表达式：与现有技术相比，本专利技术的基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制方法，具有以下优点：1、本专利技术在基波数学模型的基础上给出高频激励下的数学模型，同时提出一种两相静止坐标系内改进的基于高频电压信号注入的永磁同步电机转子位置估计方法，该方法克服了现有技术对转子速度及反电动势的依赖，不依靠高信噪比和高转速获取转子位置信息，可以实现零/低速范围内精确的转子位置及速度估计。2、本专利技术采用补偿矩阵及电压、电流差分方程获取转子位置信息，省去现有技术使用的低通和带通滤波环节，并成功消除了由滤波环节带来的时间延迟导致估计转子位置滞后于实际位置的隐患，大幅度提高了永磁同步电机转子位置的估计精度。3、本专利技术通过严谨精确的数学推导和分析，得到了永磁同步电机在高频信号注入情况下的转子位置显示表达式，改进了现有技术只能间接获得转子位置的技术，采用本专利技术进行转子位置估计时，估计误差较现有技术大大减小，动态响应速度明显提高，鲁棒性强，电机参数变化不会对转子位置估计精度产生影响。4、为验证本专利技术所提方法的有效性，特在MATLAB/Simulink仿真环境下进行仿真环节验证，仿真结果表明，本专利技术能够大幅度提升转子位置估计精度。附图说明图1是本专利技术具体实施过程中永磁同步电机无传感器控制系统框图；图2是现有永磁同步电机无传感器控制系统转子位置估计方法；图3是本专利技术提出的永磁同步电机转子位置估计方法；图4是现有永磁同步电机转子位置估计方法的转速波动仿真验证；图5是本专利技术永磁同步电机转子位置估计方法的转速波动仿真验证；图6是现有永磁同步电机转子位置估计方法的转子位置仿真验证；图7是本专利技术永磁同步电机转子位置估计方法的转子位置仿真验证；图8是现有永磁同步电机转子位置估计方法的转子位置估计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制方法，用于永磁同步电机无传感器控制系统中的电机转子位置估计，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在两相静止坐标系(αβ坐标系)下建立永磁同步电机基波数学模型及高频电压信号激励下的高频激励数学模型；步骤2：在两相静止坐标系(αβ坐标系)下注入高频电压激励信号，根据高频激励数学模型进行采样，可以得到包含转子位置信息的电流项，进而得到转子位置的显示表达式；步骤3：将估计的转子位置送入转速控制器和电流控制器，构成转速‑电流双闭环控制结构，产生控制信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制方法，用于永磁同步电机无传感器控制系统中的电机转子位置估计，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在两相静止坐标系(αβ坐标系)下建立永磁同步电机基波数学模型及高频电压信号激励下的高频激励数学模型；步骤2：在两相静止坐标系(αβ坐标系)下注入高频电压激励信号，根据高频激励数学模型进行采样，可以得到包含转子位置信息的电流项，进而得到转子位置的显示表达式；步骤3：将估计的转子位置送入转速控制器和电流控制器，构成转速-电流双闭环控制结构，产生控制信号。2.根据权利要求1所述的基于高频信号注入的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：步骤1.1：在两相静止坐标系(αβ坐标系)下建立永磁同步电机基波数学模型，如下式所示：其中，[uαuβ]T和[iαiβ]T分别为两相静止坐标系下的定子电压和电流；Rs为定子绕组电阻；Ls为定子绕组电感；λf为转子永磁体磁链；θe为转子位置；ωe为转子速度；L-为半差电感；其中，定子绕组电感矩阵为：其中，L+为平均电感，L-为半差电感；Ld、Lq分别为两相旋转坐标系(dq坐标系)下的d轴电感和q轴电感；当采样时间足够短时，基波数学模型可以表示成如下形式：其中，[ΔiαΔiβ]T为两相静止坐标系(αβ坐标系)下的电流变量；ΔT为采样时间；步骤1.2：高频信号的注入频率远高于基频，此时可将永磁同步电机看作一个简单的RL回路，由于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李汶浍，王大志，王海洋，周迎宾，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21