基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统及位置提取方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统及位置提取方法，属于无位置传感器控制技术领域。本发明专利技术的注入系统包括：电源电路、整流器、逆变器、永磁同步电机、电机负载模块、电机电流采集模块、电机电压采集模块、Clark变换模块、Park变换模块、倍角坐标系分析计算模块、响应电流信号分析模块、转子位置提取模块、速度/角度计算模块、转速误差模块、d轴电流误差模块、d轴电流PI模块、q轴电流误差模块、高频信号注入模块、Park逆变换模块等。本发明专利技术能实现电机在低速情况下的无位置运行，获得预估转子位置信号，在旋转高频信号注入法的基础上，降低了低通滤波器的使用，简化了信号提取过程，在响应速度以及信号提取精度上具有优越性。

【技术实现步骤摘要】
基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统及位置提取方法
本专利技术涉及一种基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统及位置提取方法，属于无位置传感器控制

技术介绍
永磁同步电机以其体积小、效率高、功率密度高和易控制、使用周期长和可靠性强等特点在伺服驱动领域具有主流优势，在要求高控制精度和高可靠性的场合如舰船推进、数控机床、机车牵引、电动汽车和家用电器等许多领域获得极为广泛的应用，成为各国学者的研究热点。在电动工具领域，其体积要求及工作环境较为复杂，而传统的位置式传感器难以满足其加工精度以及工作要求，所以无位置技术显得尤为重要。为了满足低速下转子位置跟踪稳定、带载能力强等条件，选用了旋转高频信号注入法作为方案。旋转高频信号注入法由于需要额外注入高频信号，同时转子位置信号中夹杂直流分量，基频以及高频信号波，因此，如何准确提取所需信号频率显得尤为重要。传统的信号提取方法是通过在电机两相静止坐标系下分别注入频率相同的高频余弦信号和正弦信号，形成与注入信号频率一致的圆形旋转磁场。检测该激励信号产生的电流响应，通过设计特定的信号处理，最终获得转子位置与转速信息，实现无位置传感器控制。该方法引入带通、低通等滤波器，经过调制输出信号幅值。由于提取方法存在带通、低通滤波器，引入了幅值误差以及相位偏移，且造成了软件延时，系统相对复杂等问题。同时，提取效果完全取决于滤波器的处理效果，因而提取效果不佳。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提出了一种基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统及位置提取方法，通过建立倍角坐标系并通过简单三角函数计算来实现高频信号幅值的提取方法。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案：一种基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统，包括：电源电路、整流器、逆变器、永磁同步电机、电机负载模块、电机电流采集模块、电机电压采集模块、第一Clark变换模块、第二Clark变换模块、第一Park变换模块、第二Park变换模块、倍角坐标系分析计算模块、响应电流信号分析模块、转子位置提取模块、速度/角度计算模块、转速误差模块、转速PI模块、d轴电流误差模块、d轴电流PI模块、q轴电流误差模块、q轴电流PI模块、高频信号注入模块、Park逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块和低通滤波器模块；其中：所述电源电路、整流器、逆变器、永磁同步电机和电机负载模块顺序连接，所述d轴电流误差模块、d轴电流PI模块、Park逆变换模块和空间矢量脉宽调制模块顺序连接，所述转速误差模块、转速PI模块、q轴电流误差模块、q轴电流PI模块和Park逆变换模块顺序连接，所述电机电流采集模块、第一Clark变换模块、第一Park变换模块、低通滤波器模块和q轴电流误差模块顺序连接，所述电机电压采集模块、第二Clark变换模块、倍角坐标系分析计算模块、响应电流信号分析模块和转子位置提取模块顺序连接，所述第二Park变换模块、转子位置提取模块、速度/角度计算模块顺序连接，所述速度/角度计算模块分别与转速误差模块、Park逆变换模块、第一Park变换模块、第二Park变换模块连接，所述高频信号分别与Park逆变换模块、第二Park变换模块连接；所述电源电路为单相交流电源，用于为整流器提供单相交流电；所述整流器为单相不控整流器，用于将单相输入交流电整流为直流电，并向逆变器供电；所述逆变器为三相电压源型逆变器，用于接收空间矢量脉宽调制模块的电压脉冲，并根据电压脉冲控制永磁同步电机；所述电机负载模块为外部负载，用于永磁同步电机加载/卸载；所述电机电流采集模块用于采集永磁同步电机三相电流，并发送至第一Clark变换模块；所述电机电压采集模块用于采集永磁同步电机三相电压，并发送至第二Clark变换模块；所述第一Clark变换模块和第二Clark变换模块用于将永磁同步电机三相电流转换为α、β轴电流，电机三相电压转换为α、β轴电压，并发送至第一Park变换模块和倍角坐标系分析计算模块；所述第一Park变换模块和第二Park变换模块用于将α、β轴电流转换为d轴估计电流、q轴估计电流并发送至低通滤波器模块，将轴高频注入电压转换为d轴实际高频电压、q轴实际高频电压并发送至转子位置提取模块；所述低通滤波器模块用于将d轴估计电流、q轴估计电流滤除高频电流成分，得到d轴基波电流、q轴基波电流，并发送至d轴电流误差模块、q轴电流误差模块；所述倍角坐标系分析计算模块用于将α、β轴电流和电压进行分析计算，得到倍角坐标系γ、δ轴高频响应电流及α、β轴高频响应电流，并发送至响应电流信号分析模块；所述响应电流信号分析模块用于将γ、δ轴高频响应电流与α、β轴高频响应电流进行分析与计算，得到包含转子位置信息的混合信号，并发送至转子位置提取模块；所述转子位置提取模块用于将包含转子位置信息的混合信号处理后得到转子位置正余弦信号，并发送至速度/角度计算模块；所述速度/角度计算模块用于将转子位置正余弦信息通过相应计算，得到预估转子转速、角度及角度误差信息，并发送至转速误差模块、Park逆变换模块、第一Park变换模块和第二Park变换模块；所述转速误差模块用于将给定转速与所述速度/角度计算模块计算得到的预估转速对比，得到转速误差，并将其发送至转速PI模块；所述转速PI模块用于将转速误差进行PI调节，得到q轴给定电流，并发送至q轴电流误差模块；所述d轴电流误差模块用于将d轴给定电流与d轴基波电流对比，得到d轴电流误差，并将其发送至d轴电流PI模块；所述q轴电流误差模块用于将q轴给定电流与q轴基波电流对比，得到q轴电流误差，并将其发送至q轴电流PI模块；所述d轴电流PI模块用于将d轴电流误差进行PI调节，得到d轴估计电压，并发送至电压Park逆变换模块；所述q轴电流PI模块用于将q轴电流误差进行PI调节，得到q轴估计电压，并发送至电压Park逆变换模块；所述高频信号注入模块用于给电机预估d、q轴注入高频信号，发送到Park逆变换模块及第二Park变换模块；所述Park逆变换模块用于将d、q轴电压转换为α轴电压、β轴电压，并发送至空间矢量脉宽调制模块；所述空间矢量脉宽调制模块用于根据α、β轴电压、母线电压计算得到电压脉冲，并发送至逆变器。基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统的位置提取方法，包括以下步骤：(1)实时采集单相交流输入电压、直流母线电压幅值及相位，实时采集永磁同步电机三相电流及三相电压，并利用信号提取方法来提取转子位置；(2)对所述的永磁同步电机abc三相电流和电压进行Clark变换，得到α、β轴电流和电压，对所述α、β轴电流进行Park变换，得到d、q轴估计电流，对所述轴高频注入电压进行Park变换，得到d、q轴实际高频电压；(3)对所述的α、β轴电流和电压按照倍角坐标系信号分析方法进行计算，得到倍角坐标系γ、δ轴高频响应电流及α、β轴高频响应电流；(4)对所述的γ、δ轴高频响应电流与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统，其特征在于，包括：电源电路、整流器、逆变器、永磁同步电机、电机负载模块、电机电流采集模块、电机电压采集模块、第一Clark变换模块、第二Clark变换模块、第一Park变换模块、第二Park变换模块、倍角坐标系分析计算模块、响应电流信号分析模块、转子位置提取模块、速度/角度计算模块、转速误差模块、转速PI模块、d轴电流误差模块、d轴电流PI模块、q轴电流误差模块、q轴电流PI模块、高频信号注入模块、Park逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块和低通滤波器模块；其中：所述电源电路、整流器、逆变器、永磁同步电机和电机负载模块顺序连接，所述d轴电流误差模块、d轴电流PI模块、Park逆变换模块和空间矢量脉宽调制模块顺序连接，所述转速误差模块、转速PI模块、q轴电流误差模块、q轴电流PI模块和Park逆变换模块顺序连接，所述电机电流采集模块、第一Clark变换模块、第一Park变换模块、低通滤波器模块和q轴电流误差模块顺序连接，所述电机电压采集模块、第二Clark变换模块、倍角坐标系分析计算模块、响应电流信号分析模块和转子位置提取模块顺序连接，所述第二Park变换模块、转子位置提取模块、速度/角度计算模块顺序连接，所述速度/角度计算模块分别与转速误差模块、Park逆变换模块、第一Park变换模块、第二Park变换模块连接，所述高频信号分别与Park逆变换模块、第二Park变换模块连接；/n所述电源电路为单相交流电源，用于为整流器提供单相交流电；/n所述整流器为单相不控整流器，用于将单相输入交流电整流为直流电，并向逆变器供电；/n所述逆变器为三相电压源型逆变器，用于接收空间矢量脉宽调制模块的电压脉冲，并根据电压脉冲控制永磁同步电机；/n所述电机负载模块为外部负载，用于永磁同步电机加载/卸载；/n所述电机电流采集模块用于采集永磁同步电机三相电流，并发送至第一Clark变换模块；/n所述电机电压采集模块用于采集永磁同步电机三相电压，并发送至第二Clark变换模块；/n所述第一Clark变换模块和第二Clark变换模块用于将永磁同步电机三相电流转换为α、β轴电流，电机三相电压转换为α、β轴电压，并发送至第一Park变换模块和倍角坐标系分析计算模块；/n所述第一Park变换模块和第二Park变换模块用于将α、β轴电流转换为d轴估计电流、q轴估计电流并发送至低通滤波器模块，将...

【技术特征摘要】
1.一种基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统，其特征在于，包括：电源电路、整流器、逆变器、永磁同步电机、电机负载模块、电机电流采集模块、电机电压采集模块、第一Clark变换模块、第二Clark变换模块、第一Park变换模块、第二Park变换模块、倍角坐标系分析计算模块、响应电流信号分析模块、转子位置提取模块、速度/角度计算模块、转速误差模块、转速PI模块、d轴电流误差模块、d轴电流PI模块、q轴电流误差模块、q轴电流PI模块、高频信号注入模块、Park逆变换模块、空间矢量脉宽调制模块和低通滤波器模块；其中：所述电源电路、整流器、逆变器、永磁同步电机和电机负载模块顺序连接，所述d轴电流误差模块、d轴电流PI模块、Park逆变换模块和空间矢量脉宽调制模块顺序连接，所述转速误差模块、转速PI模块、q轴电流误差模块、q轴电流PI模块和Park逆变换模块顺序连接，所述电机电流采集模块、第一Clark变换模块、第一Park变换模块、低通滤波器模块和q轴电流误差模块顺序连接，所述电机电压采集模块、第二Clark变换模块、倍角坐标系分析计算模块、响应电流信号分析模块和转子位置提取模块顺序连接，所述第二Park变换模块、转子位置提取模块、速度/角度计算模块顺序连接，所述速度/角度计算模块分别与转速误差模块、Park逆变换模块、第一Park变换模块、第二Park变换模块连接，所述高频信号分别与Park逆变换模块、第二Park变换模块连接；
所述电源电路为单相交流电源，用于为整流器提供单相交流电；
所述整流器为单相不控整流器，用于将单相输入交流电整流为直流电，并向逆变器供电；
所述逆变器为三相电压源型逆变器，用于接收空间矢量脉宽调制模块的电压脉冲，并根据电压脉冲控制永磁同步电机；
所述电机负载模块为外部负载，用于永磁同步电机加载/卸载；
所述电机电流采集模块用于采集永磁同步电机三相电流，并发送至第一Clark变换模块；
所述电机电压采集模块用于采集永磁同步电机三相电压，并发送至第二Clark变换模块；
所述第一Clark变换模块和第二Clark变换模块用于将永磁同步电机三相电流转换为α、β轴电流，电机三相电压转换为α、β轴电压，并发送至第一Park变换模块和倍角坐标系分析计算模块；
所述第一Park变换模块和第二Park变换模块用于将α、β轴电流转换为d轴估计电流、q轴估计电流并发送至低通滤波器模块，将轴高频注入电压转换为d轴实际高频电压、q轴实际高频电压并发送至转子位置提取模块；
所述低通滤波器模块用于将d轴估计电流、q轴估计电流滤除高频电流成分，得到d轴基波电流、q轴基波电流，并发送至d轴电流误差模块、q轴电流误差模块；
所述倍角坐标系分析计算模块用于将α、β轴电流和电压进行分析计算，得到倍角坐标系γ、δ轴高频响应电流及α、β轴高频响应电流，并发送至响应电流信号分析模块；
所述响应电流信号分析模块用于将γ、δ轴高频响应电流与α、β轴高频响应电流进行分析与计算，得到包含转子位置信息的混合信号，并发送至转子位置提取模块；
所述转子位置提取模块用于将包含转子位置信息的混合信号处理后得到转子位置正余弦信号，并发送至速度/角度计算模块；
所述速度/角度计算模块用于将转子位置正余弦信息通过相应计算，得到预估转子转速、角度及角度误差信息，并发送至转速误差模块、Park逆变换模块、第一Park变换模块和第二Park变换模块；
所述转速误差模块用于将给定转速与所述速度/角度计算模块计算得到的预估转速对比，得到转速误差，并将其发送至转速PI模块；
所述转速PI模块用于将转速误差进行PI调节，得到q轴给定电流，并发送至q轴电流误差模块；
所述d轴电流误差模块用于将d轴给定电流与d轴基波电流对比，得到d轴电流误差，并将其发送至d轴电流PI模块；
所述q轴电流误差模块用于将q轴给定电流与q轴基波电流对比，得到q轴电流误差，并将其发送至q轴电流PI模块；
所述d轴电流PI模块用于将d轴电流误差进行PI调节，得到d轴估计电压，并发送至电压Park逆变换模块；
所述q轴电流PI模块用于将q轴电流误差进行PI调节，得到q轴估计电压，并发送至电压Park逆变换模块；
所述高频信号注入模块用于给电机预估d、q轴注入高频信号，发送到Park逆变换模块及第二Park变换模块；
所述Park逆变换模块用于将d、q轴电压转换为α轴电压、β轴电压，并发送至空间矢量脉宽调制模块；
所述空间矢量脉宽调制模块用于根据α、β轴电压、母线电压计算得到电压脉冲，并发送至逆变器。


2.根据权利要求1所述的基于倍角坐标系的旋转高频信号注入系统的位置提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)实时采集单相交流输入电压、直流母线电压幅值及相位，实时采集永磁同步电机三相电流及三相电压，并利用信号提取方法来提取转子位置；
(2)对所述的永磁同步电机abc三相电流和电压进行Clark变换，得到α、β轴电流和电压，对所述α、β轴电流进行Park变换，得到d、q轴估计电流，对所述轴高频注入电压进行Park变换，得到d、q轴实际高频电压；
(3)对所述的α、β轴电流和电压按照倍角坐标系信号分析方法进行计算，得到倍角坐标系γ、δ轴高频响应电流及α、β轴高频响应电流；
(4)对所述的γ、δ轴高频响应电流与α、β轴高频响应电流按照响应电流信号分析方法进行计算，得到包含转子位置信息的混合信号；
(5)对所述的包含转子位置信息的混合信号按照转子位置提取原理进行转子位置提取，得到转子位置角正余弦信号，通过相应计算获得预估转速；
(6)计算给定电机转速与所述预估转速的误差，并对转速误差进行PI调节；得到q轴给定电流；
(7)计算d、...

【专利技术属性】
技术研发人员：储剑波，张开鑫，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32