基于旋转高频注入的永磁同步电机无传感器控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于旋转高频注入的永磁同步电机无传感器控制方法，属于电机控制领域。通过注入旋转高频电压信号，从高频电流响应中估计出电机转子的位置与转速。包括：产生两相高频电压信号并分别注入到估计的d‑q轴系中；采样定子绕组电流，采用带通滤波器提取d‑q轴高频分量idh和iqh；将idh与iqh相乘得到第一目标值Pv1，获取磁极位置估计值θpol及转速估计值ωest并得到第二目标值Pv2，判断磁极极性，获取转子位置估计值θest。该方法可实现零速及低速时的无传感器运行，位置自适应环节消除了系统延时的影响，提高了估计精度；利用电机的磁饱和特性判断磁极极性，提高了信噪比和可靠性。

Sensorless control of permanent magnet synchronous motor based on rotating high frequency injection

The invention discloses a sensorless control method of permanent magnet synchronous motor based on rotating high frequency injection, which belongs to the field of motor control. The rotor position and speed can be estimated from the high frequency current response by injecting high frequency voltage signal. Including: generating two-phase high-frequency voltage signals and injecting them into the estimated d_q axis respectively; sampling the stator winding current, extracting the high-frequency components IDH and iqh of d_q axis by band-pass filter; multiplying IDH and iqh to get the first target value Pv1, obtaining the pole position estimation and rotational speed estimation and the second target value Pv2, The polarity of the pole is judged and the estimated value of rotor position is est. The method can realize sensorless operation at zero speed and low speed. The position adaptive link eliminates the influence of system delay and improves the estimation accuracy. The magnetic polarity is judged by the magnetic saturation characteristics of the motor, and the signal-to-noise ratio and reliability are improved.

【技术实现步骤摘要】
基于旋转高频注入的永磁同步电机无传感器控制方法
本专利技术涉及永磁同步电机无位置传感器控制算法，属于电机控制领域。
技术介绍
永磁同步电机由于具有功率密度高、效率高、调速范围宽和噪声低的优点，在电动汽车、风电和伺服领域得到广泛应用。为了实现电驱动系统高性能的矢量控制，准确获得电机转子的位置信息是前提。通常可以采用光电编码器或旋转变压器可以检测位置，但是机械传感器增大了系统成本和故障风险，因此无传感器算法的研究具有重要意义。采用基于电机反电势的方法，可以较好地实现永磁同步电机中高速无位置传感器运行。电机反电势方法主要有电压模型法、模型参考自适应、滑模控制和扩展卡尔莫滤波器等，但这类方法受电机参数影响，零速或低速状态时不适用。高频信号注入法利用了电机凸极性或饱和凸极性，可以实现零度和低速位置辨识，并且不受电机参数的影响，易于工程实现。高频信号注入法主要包括旋转高频注入和脉振高频注入法。脉振高频注入法存在闭环系统收敛时间长，稳定性差的问题，实际应用时需要调节多个参数。相比之下，旋转高频注入法的稳定性好，本质上是一种位置开环解调算法。中国技术专利CN204408238U于2015年6月17日公布的《凸极永磁同步电机静止状态下转子极性的检测装置》，向电机静止坐标系中注入旋转高频信号，采样三相电流并利用同轴高通滤波器提取负序分量，再经过反正切变换得到转子的角度。该方案采用多个滤波器，位置估计精度易受信号处理延时的影响。2016年IEEE文献“ANewRotorPositionEstimationMethodofIPMSMUsingAllPassFilteronHighFrequencyRotatingVoltageSignalInjection”(“采用全通滤波器的高频旋转电压注入法内置式永磁同步电机新型位置估计方法”——2016年IEEE工业电子期刊)，采用全通滤波器实现信号解调，可以避免滤波器延时对位置估计精度的影响，但是该方法的处理过程较为复杂，对硬件采样电路要求高。此外，由于转子的凸极性在一个电角度周期呈现2倍频变化，因而对于初始位置辨识的情况，还需要进行极性判断。中国专利技术专利CN103856139A于2014年6月11日公布的《无速度传感器永磁同步电机转子磁极初始位置识别方法》采用“两步法”判断磁极极性，分别在磁极两个方向施加等幅值的电压矢量，比较电流响应幅值的大小。这种方案还需要额外注入电压脉冲信号，信号的幅值和持续时间要慎重选取。2005年IEEE文献“InitialRotorPositionEstimationofanInteriorPermanent-MagnetSynchronousMachineUsingCarrier-FrequencyInjectionMethods”(“基于载波频率注入的内置式永磁同步电机初始位置估计方法”——2005年IEEE工业应用期刊)从高频电流中提取二次项分量，通过该分量的符号来判断极性。该方案需要从高频分量中提取饱和分量，存在信噪比低的缺点。综上所述，现有的旋转高频注入法实现永磁同步电机无传感器运行具有以下缺点：1)转子位置估计过程较为复杂，且容易受到延时的影响，估计精度较差；2)极性判断时采用电压脉冲法需要额外注入信号，信号幅值和持续时间需要慎重选取；而饱和二次项法存在信噪比低的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为针对基于旋转高频注入法的永磁同步电机无位置传感器控制中，存在的位置估计过程复杂、估计精度差，以及极性判断中需要额外注入信号或信噪比低的问题，提供了一种永磁同步电机无传感器控制方法，将旋转高频电压信号注入到电机同步旋转d-q坐标系中，采样定子绕组电流，从高频电流响应中估计出电机转子的位置与转速。本专利技术的目的是这样实现的。本专利技术提供了一种基于旋转高频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，高频信号发生器产生两相旋转高频电压信号vdh和vqh，并分别注入到电机估计的d-q轴系中，vdh和vqh如下式所示：其中，Vh为高频电压幅值，ωh为高频电压角频率，t表示信号注入时间；步骤2，电流传感器采样得到定子绕组电流ia、ib和ic，变换到与估计位置同步旋转的坐标系中得到d-q轴定子绕组电流id和iq，然后采用带通滤波器提取d-q轴高频电流分量idh和iqh，其中d-q轴高频电流分量idh和iqh的表达式为：idh＝Ipcosωht+Incos(2△θr-ωht)iqh＝Ipsinωht+Insin(2△θr-ωht)其中，Ip和In分别为正负序分量幅值，Δθr为转子位置偏差量，△θr＝θr-θest，θr为转子位置真实值，θest为转子位置估计值，L0为均值电感，L1为差分电感，L0＝(Ld+Lq)/2，L1＝(Ld-Lq)/2，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感；步骤3，通过步骤2得到的d-q轴高频电流分量idh和iqh得到第一目标值Pv1，根据Pv1获取磁极位置估计值θpol及转速估计值ωest；步骤4，通过步骤2得到的d轴高频电流分量idh得到第二目标值Pv2，根据Pv2判断磁极极性，输出转子位置估计值θest。优选地，步骤3所述的获取磁极位置估计值θpol及转速估计值ωr包括以下步骤：(1)采用步骤2中得到d-q轴高频电流分量idh和iqh，将idh和iqh相乘得到第一目标值Pv1，表示为：(2)采用低通滤波器LPF，提取位置偏差量ε(θr)，表示为：ε(θr)＝LPF(Pv1)＝IpInsin2△θr(3)采用PI调节器(Kp+Ki/s)和积分器(1/s)分别获取磁极位置估计值θpol及转速估计值ωest，表示为：其中，Kp为PI调节器比例项系数，Ki为PI调节器积分项系数，s为拉普拉斯算子。优选地，步骤4所述的获取输出转子位置估计值θest包括以下步骤：(1)d轴基频电流指令值idref给定为0，采用步骤2中得到d轴高频电流分量idh，将idh平方得到第二目标值Pv2，表示为：Pv2＝idh2＝(Ip+In)2cos2ωht(2)采用低通滤波器LPF，提取Pv2的幅值Am，表示为：(3)d轴基频电流指令值idref给定为0.1isn，其中isn为电机额定电流值，记录此时Pv2的幅值为Am1；(4)d轴基频电流指令值idref给定为0.6isn，记录此时Pv2的幅值为Am2；(5)比较Am1和Am2大小，若Am1>Am2，θest＝θpol，否则θest＝θpol+π。与现有技术比较，本专利技术的有益效果如下：1)信号处理过程较为简单，引入位置自适应环节，同时可以自动抵消延时影响，位置估计精度高；2)极性判断利用了电机的磁饱和特性，提高了信噪比，并且可以适用不同功率等级的电机。附图说明图1为本专利技术方法的实施流程图。图2为本专利技术方法的电路原理图。图3为采用本专利技术方法的位置与转速估计原理图。图4为采用传统算法，注入400Hz旋转高频电压信号，给定不同转速条件下的估计位置及位置误差实验波形。图5为采用传统算法，注入800Hz旋转高频电压信号，给定不同转速条件下的估计位置及位置误差实验波形。图6为采用本专利技术方法，注入400Hz旋转高频电压信号，给定不同转速条件下的估计位置及位置误差实验波形。图7为采用本专利技术方法，注本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于旋转高频注入的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，将两相旋转高频电压信号注入到电机估计的旋转d‑q坐标系中，采样定子绕组电流，从高频电流响应中估算出电机的位置与转速，包括以下步骤：步骤1，高频信号发生器产生两相旋转高频电压信号vdh和vqh，并分别注入到电机估计的d‑q轴系中，vdh和vqh如下式所示：

【技术特征摘要】
1.一种基于旋转高频注入的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，将两相旋转高频电压信号注入到电机估计的旋转d-q坐标系中，采样定子绕组电流，从高频电流响应中估算出电机的位置与转速，包括以下步骤：步骤1，高频信号发生器产生两相旋转高频电压信号vdh和vqh，并分别注入到电机估计的d-q轴系中，vdh和vqh如下式所示：其中，Vh为高频电压幅值，ωh为高频电压角频率，t表示信号注入时间；步骤2，电流传感器采样得到定子绕组电流ia、ib和ic，变换到与估计位置同步旋转的坐标系中得到d-q轴定子绕组电流id和iq，然后采用带通滤波器提取d-q轴高频电流分量idh和iqh，其中d-q轴高频电流分量idh和iqh的表达式为：idh＝Ipcosωht+Incos(2△θr-ωht)iqh＝Ipsinωht+Insin(2△θr-ωht)其中，Ip为正序分量幅值，In分别为负序分量幅值，Δθr为转子位置偏差量，△θr＝θr-θest，θr为转子位置真实值，θest为转子位置估计值，L0为均值电感，L1为差分电感，L0＝(Ld+Lq)/2，L1＝(Ld-Lq)/2，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感；步骤3，通过步骤2得到的d-q轴高频电流分量idh和iqh得到第一目标值Pv1，根据Pv1获取磁极位置估计值θpol及转速估计值ωest；步骤4，通过步骤2得到的d轴高频电流分量idh得到第二目标值Pv2，根据Pv2判断磁极极性，输出转子位置估计值θest。2.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴，李浩源，杨淑英，刘世园，刘威，李二磊，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34