一种表贴式永磁同步电机转子位置及转速信息检测方法技术

本发明专利技术公开了一种表贴式永磁同步电机转子位置及转速信息检测方法，在估计d

【技术实现步骤摘要】
一种表贴式永磁同步电机转子位置及转速信息检测方法


[0001]本专利技术属于永磁同步电机控制领域，具体涉及一种表贴式永磁同步电机转子位置及转速信息检测方法。

技术介绍

[0002]永磁同步电机因其卓越的性能、小体积、重量轻、高功率密度、良好的可靠性以及快速的动态性能等优点，它不仅被广泛地应用于电器、汽车、机器人等方面，还在船舶、航空航天、高铁列车等大功耗领域发挥着自己的重要作用。为了实现PMSM高效率的精准控制，必须准确地获取PMSM的转子位置信息。传统的方式则是在电机的转轴末端加装传感器，如霍尔传感器，光电编码器等，导致电机体积增大，成本增加，安装不便，以及在特殊场合下可靠性低等问题。因此，研究PMSM无位置传感器控制更具有意义。
[0003]永磁同步电机运行在零速及低速范围内，由于转子反电势可获得的信噪比极低，基于反电势获取转子位置及转速信息的方法很难实现。因此，利用永磁同步电机的凸极特性，通过对电机电子绕组注入高频激励信号，从反馈的高频信号中提取转子位置信息，实现转子初始位置检测及低速范围运行。传统的高频信号注入法，包括旋转高频电压信号注入和脉振高频电压信号注入法，都是采用高频正弦波电压信号的形式注入，需要在转速环的信号处理与提取模块、位置与速度跟踪观测模块中使用低通滤波器和带通滤波器，以及电流环中基波电流信号是通过低通滤波器分离的，这些滤波器的使用会带来不同程度的幅值衰减和相位滞后，已经大大影响系统带宽，进而影响系统动态响应性能。此外，传统的旋转高频电压信号注入法是在两相静止轴系中注入高频正弦波电压信号，虽然具有良好的稳定性，但是对于高频信号解调过程较为麻烦；传统的脉振高频电压信号注入法是在估计直轴注入，在估计交轴提取有效转子位置信息，因此电流纹波和转矩脉动更小，但是此方法存在收敛失败的风险，而且损耗更大，且上述两种永磁同步电机低速范围无位置传感器控制方法仅适用于凸极率更高的内置式永磁同步电机。刘兵等人在论文“基于广义二阶积分器的SPMSM无位置传感器控制逆变器非线性补偿策略”(中国电机工程学报，2018,38(11):3365
‑
3374)中提出一种基于广义二阶积分器实现高频电流提取和谐波误差消除的策略；避免了转子位置信号解调过程中滤波器的使用，但该方法使用高频正弦波信号注入，注入的频率不能太高，锁相环有所限制。刘国海等人在公开号为CN110429886B的中国专利“一种永磁同步电机低速域转子位置辨识方法”中提出在两相静止坐标轴系上注入高频方波信号，使用广义二阶积分器对β轴中的电流进行信号分离及幅值解调，整个信号解调过程中不使用任何滤波器，有效提高了系统的动态控制性能。但该方法在位置解调过程中仍包含较多的谐波信号未进行处理，对位置估计精度仍有一些影响。
[0004]因此，为提高表贴式永磁同步电机低速范围无位置传感器控制性能，亟须研究出一种具有良好的稳定性、鲁棒性、高动态响应、估计精度高的控制策略。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对以上问题，提出了一种基于脉振高频方波信号注入的表贴式永磁同步电机转子位置及转速信息检测方法。将脉振高频方波电压信号注入估计直轴的控制方法，电流纹波和转矩脉动更小，在两相静止轴系中提取转子位置信息，不仅适用于内置式永磁同步电机，对于表贴式永磁同步电机也同样有效。注入的方波频率可提高至PWM开关频率的一半，在电流环的处理过程中，由于注入方波电压频率远大于电机运行频率，在一个开关周期内相邻两次电流采样基频电流不变，运用简单的数学计算，即可求出基频反馈电流，有效地提高了电流环带宽。在提取高频响应电流，获取转子位置信息的信号处理及解调过程中，采用一种级联SOGI的方法，减少了多个滤波器的使用，有效地避免了由于滤波器使用造成信号幅值衰减、相位滞后等问题，增加了估计转子位置精度。
[0006]本专利技术的目的是：针对传统的高频信号注入法在估计转子位置解调过程中需要用到大量的滤波器，且传统的方法并不适合凸极率极低的表贴式永磁同步电机等问题，提出新的估计转子位置解调方案，从而提高表贴式永磁同步电机低速范围无位置传感器控制性能及估计位置精度。
[0007]本专利技术的技术方案为：
[0008]一种表贴式永磁同步电机转子位置及转速信息检测方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：在与实际d
‑
q轴相差Δθ
e
误差角的估计d
‑
q轴坐标系中注入一个幅值恒定的脉振高频方波电压信号，得到高频电流响应；
[0010]步骤2：将得到的高频电流响应从估计d
‑
q轴坐标系通过坐标变换到两相静止α
‑
β坐标系中，利用傅里叶分解将静止α
‑
β坐标系的高频电流响应分解为不同频率的正弦信号之和；
[0011]步骤3：将不同频率正弦信号之和的两相静止坐标系高频电流i
αh
、i
βh
经过级联的二阶广义积分器(SOGI)前级，提取出与注入频率相同的高频电流信号，再利用与注入信号相同频率的余弦调制波与高频电流信号相乘并经过一个级联SOGI的后级，抑制解调后含有的高次谐波对估计转子位置的影响；
[0012]步骤4：将调制出的高频电流响应进行归一化处理，通过有PI控制器构成的正交锁相环提取转子位置及转速信息。
[0013]进一步，所述步骤1中向估计的d
‑
q轴坐标系中注入的脉振高频方波电压信号具体为：
[0014][0015]式中，u
dh
为向d轴注入的电压信号，u
qh
为向q轴注入的电压信号，U
inj
为注入的方波电压幅值，k为控制序列，且k＝1,2,3
…
；注入高频信号的频率为PWM载波频率的二分之一；
[0016]进一步，所述步骤2中具体过程为：
[0017]步骤2.1：在电机运行中，通过电流采样模块采集永磁同步电机任意两相电流，将得到的三相电流i
a
、i
b
、i
c
经过Clark变换得到两相静止坐标电流i
α
、i
β
，其中包含有基频电流i
αf
、i
βf
、高频电流i
αh
、i
βh
，以及逆变器功率器件产生的高次谐波电流i
αx
、i
βx
三种成分；
[0018]其中高频响应电流i
αh
、i
βh
的微分方程可表示为：
[0019][0020]式中，L
dh
、L
qh
为永磁同步电机d、q轴高频电感，θ
e
为实际转子位置，Δθ
e
是实际转子位置与估算转子位置的估算误差，P为微分算子；
[0021]当Δθ
e
足够小接近于零时，上式可写成：
[0022][0023]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表贴式永磁同步电机转子位置及转速信息检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在估计d
‑
q轴坐标系中注入一个幅值恒定的脉振高频方波电压信号，得到高频电流响应；步骤2，将得到的高频电流响应从估计d
‑
q轴坐标系通过坐标变换到两相静止α
‑
β坐标系中，利用傅里叶分解将静止α
‑
β坐标系的高频方波电流成分分解为不同频率的正弦信号之和；步骤3，将不同频率正弦信号之和的两相静止坐标系高频电流i
αh
、i
βh
经过级联的二阶广义积分器SOGI前级，提取出与注入频率相同的高频电流信号，再利用与注入信号相同频率的余弦调制波与高频电流信号相乘并经过一个级联二阶广义积分器SOGI的后级，抑制解调后含有的高次谐波对估计转子位置的影响；步骤4，将调制出的高频电流响应进行归一化处理，通过由PI控制器构成的正交锁相环，提取转子位置及转速信息。2.根据权利要求1所述的一种表贴式永磁同步电机转子位置及转速信息检测方法，其特征在于，所述步骤1中向估计d
‑
q轴坐标系中注入的脉振高频方波电压信号具体为：式中，u
dh
为向d轴注入的电压信号，u
qh
为向q轴注入的电压信号，U
inj
为注入的方波电压幅值，k为控制序列；注入高频信号的频率为PWM载波频率的二分之一。3.根据权利要求1所述的一种表贴式永磁同步电机转子位置及转速信息检测方法，其特征在于，所述步骤2中具体过程包括：步骤2.1，在电机运行中，通过电流采样模块采集永磁同步电机任意两相电流，将得到的三相电流i
a
、i
b
、i
c
经过Clark变换得到两相静止坐标电流i
α
、i
β
，其中包含有基频电流i
αf
、i
βf
、高频响应电流i
αh
、i
βh
，以及逆变器功率器件产生的高次谐波电流i
αx
、i
βx
三种成分；其中高频响应电流i
αh
、i
βh
的微分方程表...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹志，吕冰海，陈进华，舒鑫东，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：