一種提高永磁同步電機轉子位置估計精度的方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高永磁同步電機轉子位置估計精度的方法，在基于脈振高頻電壓注入法的永磁同步電機無位置傳感器控制中，離散化控制、逆變器死區等非理想因素會引起一定的位置估計誤差。本發明通過離線測量不同Park變換角度θ對應的位置估計誤差函數值ε，進行函數擬合得到ε(x)，然后在實際無位置傳感器控制過程中用該擬合函數去補償位置估計誤差函數f(Δθ)，進而提高了永磁同步電機轉子位置估計精度。本發明顯著提高了轉子位置和轉速的估計精度，具有較大的實用價值。
【專利說明】
-種提高永磁同步電機轉子位置估計精度的方法
技術領域
[0001] 本發明設及電機控制領域，尤其設及一種提高永磁同步電機轉子位置估計精度的 方法。
【背景技術】
[0002] 永磁同步電機無位置傳感器控制可去除系統中的位置傳感器，減小體積重量，降 低成本，受到了很多學者的關注。
[0003] J . Η. Jang , S . K . Sul , J . I . Ha , "Sensorless Drive of Surface-Mounted Permanent-Magnet Motor by High-Frequency Signal Injection Based on Magnetic Saliency IEEE Transactions on Industry Applications ,vol. 39 ,no . 4 ,pp. 1031- 1039，2003 .在d軸注入脈振高頻電壓信號，對q軸電流進行帶通濾波得到高頻響應分量，再 用一個同頻率的正弦調制信號與其相乘，最后經過低通濾波得到轉子位置估計誤差信號， 構建閉環將該誤差信號調節到零實現轉子位置估計。該方法為低速區域的無位置傳感器控 制提供了一個良好的解決方案，但估計精度受控制器性能、逆變器死區、電機參數不對稱性 等非理想因素影響。
[0004] 在永磁同步電機無位置傳感器控制中，位置估計精度是影響系統控制性能的一個 重要因素。準確的轉子位置信息保證了Ξ相電流變換到同步旋轉坐標系后的勵磁分量電流 和轉矩分量電流的準確性，使系統具有良好的控制性能。但是，由于離散化控制和逆變器死 區等非理想因素的存在，轉子估計位置包含一定的誤差。若轉子位置信息不準確，電機相電 流會發生崎變，并且Ξ相電流經坐標變換得到的勵磁分量電流和轉矩分量電流也是不準確 的，最終導致控制性能變差。可通過離線測量不同化rk變換角度Θ對應的位置估計誤差函數 的偏差值ε，再進行函數擬合得到擬合函數ε(χ)，最后在實際無位置傳感器控制過程中用該 擬合函數去補償位置估計誤差函數f ( Δ Θ)，得到更準確的位置估計誤差函數f〇( Δ Θ)，再構 建閉環將位置誤差調節到0,從而提高永磁同步電機轉子位置估計精度，該方法在改善無位 置傳感器控制性能方面具有重要的意義。

【發明內容】

[0005] 本發明所要解決的技術問題是針對【背景技術】中所設及到的問題，提出一種提高永 磁同步電機轉子位置估計精度的方法。
[0006] 本發明為解決上述技術問題采用W下技術方案：
[0007] -種提高永磁同步電機轉子位置估計精度的方法，在基于脈振高頻電壓注入法的 永磁同步電機無位置傳感器控制中，進行W下步驟：
[000引步驟1)，通過離線測量得到η組化rk變換角度Θ對應的位置估計誤差函數值ε，η為 正整數，并對運η組數據進行函數擬合得到擬合函數ε(χ);
[0009]步驟1.1)，對化進行η等分，并將轉子位置固定到化ad;
[0010] 步驟1.2)，在直軸注入高頻電壓；
[0011]步驟1.3)，獲取交軸電流；
[0012]步驟1.4)，從交軸電流中獲取誤差信息ε ;
[0013] 步驟1.5 )，將轉子位置增加如/η，若此時轉子位置值小于如，則返回步驟1.3)，否 則執行步驟1.6);
[0014] 步驟1.6)，對所得η組數據進行擬合，得到擬合函數ε(χ);
[0015] 步驟2)，用擬合函數ε(χ)去補償位置估計誤差函數?·(ΔΘ)，提高永磁同步電機轉 子位置估計精度。
[0016] 作為本發明一種提高永磁同步電機轉子位置估計精度的方法進一步的優化方案， 所述步驟2)中用擬合函數ε (X)去補償位置估計誤差函數f( Δ Θ)的具體步驟如下：
[0017] 步驟2.1)，根據給定和反饋角速度獲取估計交軸電流參考值；
[001引步驟2.2)，獲取估計直軸和交軸電壓參考值；
[0019] 步驟2.3)，在直軸疊加高頻電壓，采用SVPWM調制驅動電機；
[0020] 步驟2.4)，檢測相電流，經坐標變換得到估計交軸電流；
[0021] 步驟2.5)，獲取轉子的位置估計誤差函數；
[0022] 步驟2.6)，根據擬合函數ε(χ)獲取位置估計誤差函數的偏差值；
[0023] 步驟2.7)，根據位置估計誤差函數的偏差值對位置估計誤差函數進行補償，獲取 估計轉子位置和轉速；
[0024] 步驟2.8)，重復步驟2.1)-步驟2.7)。
[0025] 作為本發明一種提高永磁同步電機轉子位置估計精度的方法進一步的優化方案， 所述η取62。
[0026] 作為本發明一種提高永磁同步電機轉子位置估計精度的方法進一步的優化方案， 所述步驟1.6)中，對所得η組數據采用i次正弦函數擬合得到擬合函數ε(χ)，其中i為正整 數，取值為8。
[0027] 本發明采用W上技術方案與現有技術相比，具有W下技術效果：
[0028] 1.提出一種提高永磁同步電機轉子位置估計精度的方法，考慮離散化控制和逆變 器死區等多種非理想因素對位置估計精度的影響，提前測量出不同轉子位置對應的位置估 計誤差函數的偏差值，并采用函數擬合得到擬合函數，并在控制過程中對位置估計誤差函 數進行補償，實現更準確的位置估計；
[0029] 2.顯著提高了轉子位置和轉速的估計精度，采用本發明所提的補償方法后，轉子 位置估計誤差的最大值從0.化ad減小到了0.1 rad，轉速估計誤差的最大值從1虹/min減小 到了 4r/min，改善了無位置傳感器控制的性能。
【附圖說明】
[0030] 圖1為擬合函數獲取過程的系統控制框圖；
[0031] 圖2為包含補償環節的永磁同步電機無位置傳感器控制框圖；
[0032] 圖3為擬合函數獲取流程圖；
[0033] 圖4為具體實施流程圖；
[0034] 圖5為擬合函數曲線；
[0035] 圖6(a)為給定轉速l(K)r/min穩定運行時，對應補償前轉子位置、位置估計誤差、轉 速和轉速估計誤差的實驗波形；
[0036] 圖6(b)為給定轉速l(K)r/min穩定運行時，對應補償后轉子位置、位置估計誤差、轉 速和轉速估計誤差的實驗波形。
【具體實施方式】
[0037] 下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：
[0038] 如圖3和圖4所示，本發明公開了一種提高永磁同步電機轉子位置估計精度的方 法，體實施步驟為：
[0039] 步驟1)，如圖1所示，通過離線測量得到η組化rk變換角度Θ對應的位置估計誤差函 數值ε，η為正整數，并對運η組數據進行函數擬合得到擬合函數ε(χ)。
[0040] 步驟1.1 )，將轉子位置從〇-2π進行η等分，并且將轉子位置目固定到化ad，其中η為 正整數，其值越大，得到的數據組數越多，運里取η取62;
[0041 ] 步驟1.2)，直軸電壓Ud給定為Umh COS( Wht)，交軸電壓Uq給定為0,其中t表示時間， Umh表示注入高頻電壓信號的幅值，一般取5-30V，運里取15V，ω h表示注入高頻電壓信號的 角頻率，一般取 1000JI-40003I rad/s，運里取200031 rad/s;
[0042] 步驟1.3)，借助位置傳感器讀取轉子位置Θ，對ud和uq進行化rlTi變換，再采用 SVPWM調制策略得到逆變器驅動邏輯S，逆變器母線端電壓為Ud。，其大小由電機額定電壓決 定，運里為310V，檢測A相電流iA和B相電流iB，對其進行Clarke變換，再進行化rk變換，得到 直軸電流id和交軸電流iq;
[0043] 步驟1.4)，采用帶通濾波器BPF提取iq中頻率與注入信號頻率相同的高頻分量iqh， 將其與2sin(〇ht)相乘，再經過低通濾波器LPF得到誤差信息ε;
[0044] 步驟1.5)，將轉子位置增加如/η，若此時轉子位置值小于如，則返回步驟1.3)，否 則執行步驟1.6);
[0045] 步驟1.6)，根據不同的轉子位置Θ處所得到的誤差信息值ε，采用i次正弦函數擬 合，得到擬合函數ε(χ)，其中i為正整數，其值越大，擬合結果越準確，運里取值為8。
[0046] 步驟2)，如圖2所示，用擬合函數去補償位置估計誤差函數。
[0047] 步驟2.1)，將給定轉子角速度Wref和估計轉子角速度冷作差，輸入給PI調節器得 到估計交軸電流參考值in尋估計直軸電流參考值設為0,其中卸的初始值為0;
[004引步驟2.2)，將與估計直軸電流反饋值作差輸入給ΡΙ調節器，其輸出為估計直 軸電壓參考值，將ig/與估計交軸電流反饋值弓作差輸入給PI調節器，其輸出為估計交軸 電壓參考值兩;
[0049] 步驟2.3)，將估計直軸電壓參考值％疊加一個高頻電壓信號Umh cos( coht)，構成 新的估計直軸電壓參考值^+(/,，,,: cos(巧片，估計交軸電壓參考值為與，再根據估計轉子位 置苗進行化rk逆變換(Park^i)，，得到Ua和ue，再采用空間矢量脈寬調制策略(SVPWM)，得到逆 變器6個開關管的驅動狀態S，逆變器直流側所加的電壓為Udc，其中苗的初始值為〇;Udc-般 由電機的額定值確定，本系統中其值為310V;
[0050] 步驟2.4)，檢測永磁同步電機PMSM中的兩相電流，如iA和iB，對其進行Clarke變換 得到ia和ie，再根據臭對其進行化rk變換得到么和弓；
[0化1 ]步驟2.5)，采用一個選通角頻率在ω h附近的帶通濾波器BPF對估計交軸電流I；進 行濾波，得到估計交軸電流的高頻分量i，將其與2sin( wht)相乘，再經過一個低通濾波器 LPF得到轉子位置估計誤差函數f ( Δ Θ);
[0052] 步驟2.6)，將估計轉子位置I作為擬合函數ε(χ)的輸入，得到t滅，
[0053] 步驟2.7)，將?·(ΔΘ)和曲作差，得到新的位置估計誤差函數?·〇(ΔΘ)，作為PI調節 器的輸入，ΡΙ調節器的輸出為估計轉子角速度毎，再經過I積分器得到估計轉子位置
[0054] 步驟2.8)，重復步驟2.1)-步驟2.7)。
[0055] 在一臺額定功率1.5kW的SPMSM上對本專利所提的提高永磁同步電機轉子位置估 計精度的方法進行了實驗驗證，如圖5和圖6所示。電機的給定轉速為10化/min，所加負載轉 矩為額定值5Nm。圖5為本電機的位置估計誤差函數偏差值的8次正弦擬合函數ε(χ)。圖6(a) 為補償前的轉子位置、位置估計誤差、轉速、轉速估計誤差的實驗波形；圖6(b)為補償后的 轉子位置、位置估計誤差、轉速、轉速估計誤差的實驗波形。采用該
[0056] 補償方法前，轉子位置估計誤差的最大值約為0.化ad，轉速估計誤差的最大值約 為lOr/min;采用該補償方法后，轉子位置估計誤差的最大值減小為O.lrad，轉速估計誤差 的最大值減小為4r/min。可見，本專利將離散化控制和逆變器死區等非理想型因素考慮在 內，提出了一種基于位置估計誤差函數補償的提高轉子位置估計精度的方法，實驗結果表 明該方法能明顯提高轉子位置和轉速估計精度，改善系統的控制性能。
[0057] 本技術領域技術人員可W理解的是，除非另外定義，運里使用的所有術語(包括技 術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還 應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中 的意義一致的意義，并且除非像運里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。 [005引 W上所述的【具體實施方式】，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步 詳細說明，所應理解的是，W上所述僅為本發明的【具體實施方式】而已，并不用于限制本發 明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明 的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種提高永磁同步電機轉子位置估計精度的方法，其特征在于，在基于脈振高頻電 壓注入法的永磁同步電機無位置傳感器控制中，進行以下步驟： 步驟1)，通過離線測量得到η組Park變換角度Θ對應的位置估計誤差函數值ε，η為正整 數，并對這η組數據進行函數擬合得到擬合函數ε(χ); 步驟1.1)，對2π進行η等分，并將轉子位置固定到Orad; 步驟1.2)，在直軸注入高頻電壓； 步驟1.3)，獲取交軸電流； 步驟1.4)，從交軸電流中獲取誤差彳目息ε ; 步驟1.5)，將轉子位置增加2Vn，若此時轉子位置值小于2π，則返回步驟1.3)，否則執 行步驟1.6); 步驟1.6)，對所得η組數據進行擬合，得到擬合函數ε(χ); 步驟2)，用擬合函數ε(χ)去補償位置估計誤差函數f(A0)，提高永磁同步電機轉子位 置估計精度。2. 根據權利要求1中所述的提高永磁同步電機轉子位置估計精度的方法，其特征在于， 所述步驟2)中用擬合函數ε (X)去補償位置估計誤差函數f( △ Θ)的具體步驟如下： 步驟2.1 )，根據給定和反饋角速度獲取估計交軸電流參考值； 步驟2.2 )，獲取估計直軸和交軸電壓參考值； 步驟2.3)，在直軸疊加高頻電壓，采用SVPWM調制驅動電機； 步驟2.4 )，檢測相電流，經坐標變換得到估計交軸電流； 步驟2.5 )，獲取轉子的位置估計誤差函數； 步驟2.6)，根據擬合函數ε(χ)獲取位置估計誤差函數的偏差值； 步驟2.7)，根據位置估計誤差函數的偏差值對位置估計誤差函數進行補償，獲取估計 轉子位置和轉速； 步驟2.8)，重復步驟2.1)-步驟2.7)。3. 根據權利要求1所述的提高永磁同步電機轉子位置估計精度的方法，其特征在于，所 述η取62。4. 根據權利要求1所述的提高永磁同步電機轉子位置估計精度的方法，其特征在于，所 述步驟1.6)中，對所得η組數據采用i次正弦函數擬合得到擬合函數ε(χ)，其中i為正整數， 取值為8。
【文檔編號】H02P21/24GK106059435SQ201610523825
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月4日
【發明人】周波, 劉兵, 倪天恒, 周融, 柏文杰
【申請人】南京航空航天大學