基于逆变器脉宽调制波激励的交流电机转子位置估计方法技术

本发明专利技术提供一种基于逆变器脉宽调制波激励的交流电机转子位置估计方法，对两电平电压源逆变器采用空间矢量电压调制，计算前后两个邻近

【技术实现步骤摘要】
基于逆变器脉宽调制波激励的交流电机转子位置估计方法


[0001]本专利技术涉及电气工程
，具体地，涉及一种基于电压源型逆变器基波脉宽调制波形激励的交流电机宽速度范围转子位置估计方法
。

技术介绍

[0002]高性能的交流电机闭环控制一般依赖机械式位置传感器
(
如光电编码器或旋转变压器等
)
测量转子的速度或角度
。
然而，机械式位置传感器受到工作环境，如电机振动和环境温度等的影响较大，不仅容易发生丢失脉冲的现象而导致较大的测量误差，还易受损，其可靠性有限
。
并且，加装机械式位置传感器还需要在控制电路中引入额外接口，使控制系统更易受干扰
。
机械式位置传感器一般加装在电机转轴上，增大了电机体积和转轴的转动惯量，使调速系统的动态性能受到影响
。
最后，高精度的位置传感器价格昂贵，增加了驱动系统的成本
。
由于以上的缺点，国内外的研究人员提出利用软件方法，估测交流电机转子的角度或速度，实现交流电机的无位置传感器运行
。
[0003]交流电机的无位置传感器控制技术主要可以分为两类：基于反电势的转子位置估测技术和基于凸极效应的转子位置估测技术
。
基于反电势的转子位置估测技术一般通过对反电势进行直接或间接的估计，还可以通过积分得到磁链，而磁链中会包含转子的转速和角度信息，因此这一技术又称为磁链观测技术
。
这一方法的关键在于设计合理的磁链计算模型，目前主要利用模型参考自适应辨识
、
全阶或降阶磁链观测器
、
滑模观测器
、
扩展卡尔曼滤波等方法进行设计
。
基于凸极效应的交流电机转子位置估测技术利用电机凸极效应受到转子位置调制的原理，通过注入高频信号或暂态开关信号，对感应出的高频电流或电压信号的处理获取转子或者磁链角度信号
。
现有技术中还提出了一种利用二电平逆变器的基波脉宽调制
(PWM)
波激励进行交流电机转子位置估计方法，可以实现在宽速度范围内对电机转子位置进行准确估计
。
[0004]但是，其中基于反电势的转子位置估测技术，主要适用于电机在中高速运行的工况，在电机运行在低速状态，此时的反电势的幅值较小
、
不易被提取，磁链难以准确计算
。
同时，在低速下磁链模型受电机参数影响较大，信号测量的抗干扰性较差，并且此类方法无法在零速下稳定运行
。
[0005]基于高频信号注入的转子位置估测技术与基于反电势的转子位置估测技术不同，基于高频信号注入的转子位置估测技术在电机低速运行时，其方法不受反电势幅值小的影响，可以用于零速和低速段的位置估测
。
此类方法需要注入额外的高频信号，造成额外的损耗和噪声，同时控制带宽也受到一定的限制，因此一般适合在低速下使用
。
[0006]基于传统基波
PWM
激励的转子位置估测技术，仅利用
PWM
周期内非零电压矢量的激励，该方法可以实现零速和低速下交流电机转子位置的估计；或者，再考虑
PWM
周期内零电压矢量的激励，该方法还能实现从零速到中
、
高速的交流电机转子位置的估计
。
但是这类方法需要在若干个电压矢量期间进行多次电流采样，该电流采样与电流环采样不同步，对模拟
‑
数字转换器
(ADC)
的带宽和采样精度要求比较高，增加了实现的难度和成本
。
[0007]由此可见，传统基于电机基波模型的交流电机无位置传感控制方法通常在低速和零速无法良好运行，只适合在中
、
高速使用；而基于高频注入的交流电机无位置传感控制方法通常只适合低速和零速运行
。
为了解决这些问题，有一种基于电压源逆变器的脉宽调制波
(PWM)
暂态激励的交流电机无位置传感器控制方法，可以实现从零速到高速的交流电机转子位置估测
。
但是该方法依赖于在每个
PWM
波周期内对零电压矢量和非零电压矢量期间的电流变化率进行采样，对电流变化率的采样通常和对电流环控制的电流采样不同步，这就造成了位置估计方法的实施过程和电流环控制的过程不同步，对微处理器或数字信号处理器的运算速度
、
无位置传感器方法的实现方式
、
和实施电流采样的模拟
‑
数字转换器
(ADC)
的转换速率都提出了较高的要求
。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于逆变器脉宽调制波激励的交流电机转子位置估计方法
。
[0009]根据本专利技术的一个方面，提供一种基于逆变器脉宽调制波激励的交流电机转子位置估计方法，针对
α
‑
β
坐标系内交流电机的电压方程，直接利用所述交流电机自身的凸极效应和两电平电压源逆变器的基波脉宽调制
PWM
信号，将定子电感矩阵中的转子位置信息通过数学变换从所述电压方程中提取出来；其中：
[0010]对所述两电平电压源逆变器采用空间矢量电压调制，分别计算前后两个邻近的
PWM
周期内所施加的零矢量和非零矢量作用期间的电压矢量平均值，同时通过测量所述两个邻近的
PWM
周期内在每个周期开始
/
一半
/
结束时刻零电压矢量作用期间的电流，计算在每个
PWM
周期内的2个“半
PWM
周期”内的平均电流斜率，得到转子位置计算公式，根据该公式估算出从零速到高速范围内交流电机的转子位置
。
[0011]优选地，包括：
[0012]获取任一个
PWM
周期内的2个半周期的
α
‑
β
坐标系下的平均电压，获取所述
PWM
周期的2个半周期的
α
‑
β
坐标系下的平均电流斜率；
[0013]获取与所述
PWM
周期邻近的另一个
PWM
周期内的2个半周期的
α
‑
β
坐标系下的平均电压，获取所述另一个
PWM
周期内的2个半周期的
α
‑
β
坐标系下的平均电流斜率；
[0014]基于所述两个邻近
PWM
周期的半周期平均电压
、
半周期平均电流斜率，得到转子位置估测公式；
[0015]基于所述转子位置估测公式，利用锁相环或观测器，估计获得转子角度
。
[0016]优选地，所述获取任一个
PWM
周期内的2个半周期的
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于逆变器脉宽调制波激励的交流电机转子位置估计方法，其特征在于，针对
α
‑
β
坐标系内交流电机的电压方程，直接利用所述交流电机自身的凸极效应和两电平电压源逆变器的基波脉宽调制
PWM
信号，将定子电感矩阵中的转子位置信息通过数学变换从所述电压方程中提取出来；其中：对所述两电平电压源逆变器采用空间矢量电压调制，分别计算前后两个邻近的
PWM
周期内所施加的零矢量和非零矢量作用期间的电压矢量平均值，同时通过测量所述两个邻近的
PWM
周期内在每个周期开始
/
一半
/
结束时刻零电压矢量作用期间的电流，计算在每个
PWM
周期内的2个“半
PWM
周期”内的平均电流斜率，得到转子位置计算公式，根据该公式估算出从零速到高速范围内交流电机的转子位置
。2.
根据权利要求1所述的一种基于逆变器脉宽调制波激励的交流电机转子位置估计方法，其特征在于，包括：获取任一个
PWM
周期内的2个半周期的
α
‑
β
坐标系下的平均电压，获取所述
PWM
周期的2个半周期的
α
‑
β
坐标系下的平均电流斜率；获取与所述
PWM
周期邻近的另一个
PWM
周期内的2个半周期的
α
‑
β
坐标系下的平均电压，获取所述另一个
PWM
周期内的2个半周期的
α
‑
β
坐标系下的平均电流斜率；基于所述两个邻近
PWM
周期的半周期平均电压
、
半周期平均电流斜率，得到转子位置估测公式；基于所述转子位置估测公式，利用锁相环或观测器，估计获得转子角度
。3.
根据权利要求2所述的基于逆变器脉宽调制波激励的交流电机转子位置估计方法，其特征在于，所述获取任一个
PWM
周期内的2个半周期的
α
‑
β
坐标系下平均电压，获取所述
PWM
周期的2个半周期的
α
‑
β
坐标系下的平均电流斜率，包括：将三相永磁同步电机在三相坐标系下的电压方程通过坐标变换，将各变量从三相坐标系变换到
α
‑
β
坐标系，得到三相永磁同步电机在
α
‑
β
坐标系下的电压方程：其中，
[u
α u
β
]
T
为定子电压的
α
‑
β
分量，
[i
α i
β
]
T
为定子电流的
α
‑
β
分量，
R
为定子相电阻，
ψ
f
是转子磁链幅值，
θ
为转子即磁链角度，
ω
＝
d
θ
/dt
为同步角速度，
L1＝
(L
d
+L
q
)/2
，
L2＝
(L
d
‑
L
q
)/2
，
L
d
和
L
q
分别为永磁同步电机在同步旋转坐标系的直轴和交轴电感；假设在某一个
PWM
周期内，逆变器产生的电压矢量按照先后顺序为
V
01
‑
V
I
‑
V
II
‑
V
02
‑
V
III
‑
V
IV
‑
V
01
，其中，
V
01
和
V
02
为零电压矢量，
V
I
～
V
IV
为非零电压矢量，
V
I
～
V
IV
和
V
II
～
V
III
可分别相同或不同；当
PWM
的频率远高于电机的基波频率时，近似认定在一个
PWM
周期内电机的转子角度基本不变，则由式
(1)
，得在前半个
PWM
周期内的平均电压方程：
其中，为电压矢量
V
01
、V
I
、V
II
和
V
02
在前半
PWM
周期内平均值的
α
‑
β
分量，为电流在前半
PWM
周期内
α
‑
β
分量的平均值，为在前半
PWM
周期期间的电流变化率平均值的
α
‑
β
分量；与所述前半个
PWM
周期内的平均电压方程的获得过程相同，得到该
PWM
周期的后半周期的平均电压方程为：其中，为电压矢量
V
07
、V
III
、V
IV
和
V
01
在后半
PWM
周期内平均值的
α
‑
β
分量，为电流在后半
PWM
周期内
α
‑
β
分量的平均值，为在后半
PWM
周期期间电流变化率的平均值的
α
‑
β
分量
。4.
根据权利要求3所述的一种基于逆变器脉宽调制波激励的交流电机转子位置估计方法，其特征在于，测量电压矢量

【专利技术属性】
技术研发人员：高强，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：