一種減小永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種減小永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的方法，在永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制中，由于逆變器開關(guān)管開通關(guān)斷延時(shí)和死區(qū)作用、數(shù)字控制器的離散化控制、電機(jī)參數(shù)不對(duì)稱等各種非理想因素的存在，轉(zhuǎn)子估計(jì)位置和估計(jì)轉(zhuǎn)速中存在一些周期性變化的誤差分量，這些誤差使得無位置傳感器控制性能變差，甚至當(dāng)誤差較大時(shí)，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。本發(fā)明提出了一個(gè)由1個(gè)比例環(huán)節(jié)和2個(gè)積分環(huán)節(jié)構(gòu)成的誤差抑制模塊，在基于脈振高頻電壓注入法的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)中采用至少一個(gè)誤差抑制模塊來減小轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差，僅需增加很少的計(jì)算量就能顯著減小估計(jì)誤差，改善系統(tǒng)的控制性能，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】
-種減小永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電機(jī)控制領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種減小永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì) 誤差的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制因?yàn)椴话瑱C(jī)械式位置傳感器，可顯著降低系統(tǒng) 的體積重量和成本，很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。
[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.首次提出脈振高頻電壓注入法并將其應(yīng)用到表貼式永磁同步電機(jī)無位置傳感 器控制中，該研究在d軸注入脈振高頻電壓信號(hào)，對(duì)q軸電流進(jìn)行帶通濾波得到高頻響應(yīng)分 量，再用一個(gè)同頻率的正弦調(diào)制信號(hào)與其相乘，最后經(jīng)過低通濾波得到轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差 信號(hào)，構(gòu)建閉環(huán)將該誤差信號(hào)調(diào)節(jié)到零實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。該方法受電機(jī)參數(shù)影響小，實(shí)現(xiàn) 簡(jiǎn)單，但受各種非理想因素的影響，該方法所得到的估計(jì)位置和轉(zhuǎn)速存在一定的誤差。
[0004] 目前減小永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制中的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的相關(guān) 研究很少，劉海東，周波，郭鴻浩，劉兵等.脈振高頻信號(hào)注入法誤差分析[J].電工技術(shù)學(xué) 報(bào)，2015,30(6) :38-44.分析了永磁同步電機(jī)系統(tǒng)各參數(shù)對(duì)脈振高頻信號(hào)注入法位置估計(jì) 誤差的影響，但沒有給出減小誤差的具體方法。實(shí)際上在永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制 中，由于逆變器開關(guān)管開通關(guān)斷延時(shí)和死區(qū)作用、數(shù)字控制器的離散化控制、電機(jī)參數(shù)不對(duì) 稱等各種非理想因素的存在，轉(zhuǎn)子估計(jì)位置和估計(jì)轉(zhuǎn)速中存在一些周期性變化的誤差分 量，運(yùn)些誤差使得無位置傳感器控制性能變差，甚至當(dāng)誤差較大時(shí)，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。因 此有關(guān)減小轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的研究對(duì)永磁同步電機(jī)無位置傳感器的實(shí)際應(yīng)用具 有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)【背景技術(shù)】中所設(shè)及到的問題，提出一種減小永 磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的方法。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用W下技術(shù)方案：
[0007] -種減小永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的方法，包含W下步驟：
[000引步驟1)，建立誤差抑制模塊，所述誤差抑制模塊包含1個(gè)比例環(huán)節(jié)和2個(gè)積分環(huán)節(jié)， 具體構(gòu)成如下：
[0009] 1)，輸入包含X和ω。，輸出包含Y和ε，其中X為待處理的信號(hào)，ω。為待抑制信號(hào)的角 頻率，Υ為輸入信號(hào)X中角頻率為ω。的分量，ε為輸入信號(hào)X中消除角頻率為ω。的分量后的剩 余分量；
[0010] 2)，Χ和Υ的差構(gòu)成了信號(hào)節(jié)點(diǎn)ε ;
[0011] 3)，ε經(jīng)過比例環(huán)節(jié)乘W系數(shù)k構(gòu)成了信號(hào)節(jié)點(diǎn)a;
[0012] 4)，Υ經(jīng)過其中一個(gè)積分環(huán)節(jié)1/s后，再與ω。相乘，構(gòu)成了信號(hào)節(jié)點(diǎn)b;
[0013] 5)，日和6的差構(gòu)成了信號(hào)節(jié)點(diǎn)(3;
[0014] 6)，c和ω。相乘后，再經(jīng)過另一個(gè)積分環(huán)節(jié)1/s，構(gòu)成了信號(hào)節(jié)點(diǎn)Y;
[0015] 步驟2)，在基于脈振高頻電壓注入法的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制中，將系 統(tǒng)中的位置估計(jì)誤差函數(shù)經(jīng)過至少一個(gè)所述誤差抑制模塊進(jìn)行處理，消除其中與位置估計(jì) 誤差不相關(guān)的頻率分量，然后再參與系統(tǒng)控制，從而減小轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差。
[0016] 作為本發(fā)明一種減小永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的方法進(jìn)一步的優(yōu) 化方案，所述步驟2的具體步驟如下：
[0017] 步驟2.1)，根據(jù)給定角速度和估計(jì)角速度獲取估計(jì)交軸電流參考值；
[001引步驟2.2)，獲取估計(jì)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(diào)制驅(qū)動(dòng)電機(jī)；
[0020]步驟2.4)，檢測(cè)相電流，經(jīng)坐標(biāo)變換得到估計(jì)交軸電流；
[0021 ]步驟2.5)，獲取轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差函數(shù)；
[0022] 步驟2.6)，采用至少一個(gè)所述誤差抑制模塊對(duì)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差函數(shù)進(jìn)行處理， 獲取處理后的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差函數(shù)；
[0023] 步驟2.7)，根據(jù)處理后的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差函數(shù)獲取轉(zhuǎn)子估計(jì)位置和估計(jì)角速 度；
[0024] 步驟2.8)，重復(fù)步驟2.1)-步驟2.7)。
[0025] 作為本發(fā)明一種減小永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的方法進(jìn)一步的優(yōu) 化方案，所述k取0.1。
[0026] 本發(fā)明采用W上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下技術(shù)效果：
[0027] 1.首先提出一個(gè)由1個(gè)比例環(huán)節(jié)和2個(gè)積分環(huán)節(jié)構(gòu)成的誤差消除模塊，該模塊僅需 很少的計(jì)算量就能明顯抑制輸入信號(hào)中的特定頻率分量，且需抑制信號(hào)的頻率可主動(dòng)設(shè) 定，便于調(diào)整W達(dá)到最佳抑制效果；
[0028] 2.將該誤差消除模塊應(yīng)用到基于脈振高頻電壓注入法的無位置傳感器控制中，對(duì) 系統(tǒng)位置估計(jì)誤差函數(shù)中與位置估計(jì)誤差無關(guān)的誤差分量進(jìn)行消除，且可采用多個(gè)誤差消 除模塊串聯(lián)的方式消除不同頻率的誤差分量；
[0029] 3.顯著減小了轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的估計(jì)誤差，采用本專利所提的誤差抑制方法后， 轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差的最大值從0.35rad減小到了0.12rad，轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的最大值從40r/ min減小到了 Sr/min，改善了無位置傳感器控制的性能。
【附圖說明】
[0030] 圖1為誤差抑制模塊的信號(hào)處理框圖；
[0031] 圖2為引入誤差抑制模塊的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制框圖；
[0032] 圖3為具體實(shí)施流程圖；
[0033] 圖4(a)為給定轉(zhuǎn)速60r/min穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)誤差抑制前轉(zhuǎn)子位置、位置估計(jì)誤 差、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的實(shí)驗(yàn)波形；
[0034] 圖4(b)為給定轉(zhuǎn)速60r/min穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)誤差抑制后轉(zhuǎn)子位置、位置估計(jì)誤 差、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的實(shí)驗(yàn)波形；
[0035] 圖5(a)為對(duì)應(yīng)誤差抑制前位置估計(jì)誤差的頻率分布；
[0036] 圖5(b)為對(duì)應(yīng)誤差抑制后位置估計(jì)誤差的頻率分布；
[0037] 圖6(a)為對(duì)應(yīng)誤差抑制前轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的頻率分布；
[0038] 圖6(b)為對(duì)應(yīng)誤差抑制后轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的頻率分布。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0040] 如圖3所示，本發(fā)明公開了一種減小永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的方 法，包含W下步驟：
[0041 ]步驟1 )，如圖1所示，構(gòu)建誤差抑制模塊，所述誤差抑制模塊包含1個(gè)比例環(huán)節(jié)和2 個(gè)積分環(huán)節(jié)，具體構(gòu)成如下：
[0042] 1)，輸入包含X和ω。，輸出包含Y和ε，其中X為待處理的信號(hào)，ω。為待抑制信號(hào)的角 頻率，Υ為輸入信號(hào)X中角頻率為ω。的分量，ε為輸入信號(hào)X中消除角頻率為ω。的分量后的剩 余分量；
[0043] 2)，Χ和Υ的差構(gòu)成了信號(hào)節(jié)點(diǎn)ε;
[0044] 3)，ε經(jīng)過比例環(huán)節(jié)乘W系數(shù)k構(gòu)成了信號(hào)節(jié)點(diǎn)a,其中系數(shù)k取值越小，對(duì)特定頻率 信號(hào)的抑制效果越好，但帶寬也越窄，運(yùn)里k取0.1;
[0045] 4)，Υ經(jīng)過其中一個(gè)積分環(huán)節(jié)1/s后，再與ω。相乘，構(gòu)成了信號(hào)節(jié)點(diǎn)b;
[0046] 5)，日和6的差構(gòu)成了信號(hào)節(jié)點(diǎn)(3;
[0047] 6)，c和ω。相乘后，再經(jīng)過另一個(gè)積分環(huán)節(jié)1/s，構(gòu)成了信號(hào)節(jié)點(diǎn)Y。
[0048] 步驟2)，如圖2所示，在基于脈振高頻電壓注入法的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控 制中，將系統(tǒng)中的位置估計(jì)誤差函數(shù)經(jīng)過至少一個(gè)所述誤差抑制模塊進(jìn)行處理，消除其中 與位置估計(jì)誤差不相關(guān)的頻率分量，然后再參與系統(tǒng)控制。
[0049] 步驟2.1)，將給定角速度Wref和估計(jì)角速度4作差，輸入給PI調(diào)節(jié)器得到估計(jì)交 軸電流參考值將估計(jì)直軸電流參考值設(shè)為0，其中新的初始值為0;
[0化0] 步驟2.2)，將Ie/與估計(jì)直軸電流作差輸入給PI調(diào)節(jié)器，其輸出為估計(jì)直軸電壓 參考值餐，將if與估計(jì)交軸電流ζ作差輸入給PI調(diào)節(jié)器，其輸出為估計(jì)交軸電壓參考值; [0化1] 步驟2.3)，將估計(jì)直軸電壓參考值宿d疊加一個(gè)高頻電壓信號(hào)Umh cos( Wht)，構(gòu)成 新的估計(jì)直軸電壓參考值爲(wèi)+(/,,,& cos(巧Ο，估計(jì)交軸電壓參考值為lig，再根據(jù)估計(jì)轉(zhuǎn)子位置 苗進(jìn)行化rk逆變換(Park-1)，，得到ua和ue，再采用空間矢量脈寬調(diào)制策略(SVPWM)，得到逆變 器6個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)S。逆變器直流側(cè)所加的電壓為Ud。。其中t表示時(shí)間，Umh表示注入高 頻電壓信號(hào)的幅值，一般取5-30V，運(yùn)里取15V，Oh表示注入高頻電壓信號(hào)的角頻率，一般取 100031-4000町a(chǎn)d/s，運(yùn)里取2000町a(chǎn)d/s，訓(xùn)勺初始值為0;Udc-般由電機(jī)的額定值確定，本系 統(tǒng)中其值為310V;
[0052] 步驟2.4)，檢測(cè)永磁同步電機(jī)PMSM中的兩相電流，如iA和iB，對(duì)其進(jìn)行Clarke變換 得到ia和ie，再根據(jù)知?其進(jìn)行化rk變換得到i和ζ:;
[0化3]步驟2.5)，采用一個(gè)選通角頻率在Oh附近的帶通濾波器BPF對(duì)估計(jì)交軸電流ξ進(jìn) 行濾波，得到估計(jì)交軸電流的高頻分量ζ,，將其與2sin( wht)相乘，再經(jīng)過一個(gè)低通濾波器 LPF得到轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差函數(shù)f ( Δ Θ);
[0054]步驟2.6)，運(yùn)里選擇兩個(gè)誤差抑制模塊，將得到的?·(ΔΘ)送入第一個(gè)誤差抑制模 塊的X輸入端，將2 ω e送入第一個(gè)誤差抑制模塊的ω。輸入端，將第一個(gè)誤差抑制模塊的ε輸 出端送入第二個(gè)誤差抑制模塊的X輸入端，將3 ω e送入第二個(gè)誤差抑制模塊的ω。輸入端，第 二個(gè)誤差抑制模塊的ε輸出端即為處理后的位置估計(jì)誤差函數(shù)fc( Δ Θ)，其中COe為電角速 度，運(yùn)里選擇消除轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差函數(shù)中頻率為和3〇e的誤差分量；
[0化日]步驟2.7)，將fc(A0)作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，PI調(diào)節(jié)器的輸出為估計(jì)角速度4,再 經(jīng)過I積分器得到轉(zhuǎn)子估計(jì)位置房;^
[0056] 步驟2.8)，重復(fù)步驟2.1)-步驟2.7)。
[0057] 在一臺(tái)額定功率1.5kW的SPMSM上對(duì)本專利所提的減小永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和 轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。如圖4所示，電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速為eOr/min，所加負(fù)載轉(zhuǎn) 矩為額定值5Nm。圖4(a)為誤差抑制前的轉(zhuǎn)子位置、位置估計(jì)誤差、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的 實(shí)驗(yàn)波形；圖4(b)為誤差抑制后的轉(zhuǎn)子位置、位置估計(jì)誤差、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的實(shí)驗(yàn)波 形。采用該誤差抑制方法前，轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差的最大值約為〇.35rad，轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的最 大值約為40r/min;采用該補(bǔ)償方法后，轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差的最大值減小為0.12rad，轉(zhuǎn)速估 計(jì)誤差的最大值減小為Sr/m i η。
[0058] 如圖5所示，對(duì)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差進(jìn)行頻譜分析，圖5(a)對(duì)應(yīng)誤差抑制前的情況， 圖5(b)對(duì)應(yīng)誤差抑制后的情況，圖6為轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的頻率分析結(jié)果，圖6(a)對(duì)應(yīng)誤差抑制 前的情況，圖6(b)對(duì)應(yīng)誤差抑制后的情況。
[0059] 從對(duì)比結(jié)果可見，所提的誤差抑制模塊很好的抑制了估計(jì)誤差中的2倍和3倍電角 度頻率分量，抑制后估計(jì)誤差明顯減小。本專利針對(duì)逆變器開關(guān)管開通關(guān)斷延時(shí)和死區(qū)作 用、數(shù)字控制器的離散化控制、電機(jī)參數(shù)不對(duì)稱等各種非理想因素所引起的周期性變化的 轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差分量，提出了一種基于特定頻率誤差抑制模塊的減小估計(jì)誤差的 方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能明顯提高轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)精度，改善系統(tǒng)的控制性能。
[0060] 本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可W理解的是，除非另外定義，運(yùn)里使用的所有術(shù)語(包括技 術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還 應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中 的意義一致的意義，并且除非像運(yùn)里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0061] W上所述的【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步 詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，W上所述僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】而已，并不用于限制本發(fā) 明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種減小永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的方法，其特征在于，包含以下步 驟： 步驟1)，建立誤差抑制模塊，所述誤差抑制模塊包含1個(gè)比例環(huán)節(jié)和2個(gè)積分環(huán)節(jié)，具體 構(gòu)成如下： 1) ，輸入包含X和ω。，輸出包含Y和ε，其中X為待處理的信號(hào)，ω。為待抑制信號(hào)的角頻 率，Υ為輸入信號(hào)X中角頻率為ω。的分量，ε為輸入信號(hào)X中消除角頻率為ω。的分量后的剩余 分量； 2) ，Χ和Υ的差構(gòu)成了信號(hào)節(jié)點(diǎn)ε; 3) ，ε經(jīng)過比例環(huán)節(jié)乘以系數(shù)k構(gòu)成了信號(hào)節(jié)點(diǎn)a; 4) ，Y經(jīng)過其中一個(gè)積分環(huán)節(jié)1/s后，再與ω。相乘，構(gòu)成了信號(hào)節(jié)點(diǎn)b; 5) ，8和13的差構(gòu)成了信號(hào)節(jié)點(diǎn)(3; 6) ，c和ω。相乘后，再經(jīng)過另一個(gè)積分環(huán)節(jié)1/s，構(gòu)成了信號(hào)節(jié)點(diǎn)Y; 步驟2)，在基于脈振高頻電壓注入法的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制中，將系統(tǒng)中 的位置估計(jì)誤差函數(shù)經(jīng)過至少一個(gè)所述誤差抑制模塊進(jìn)行處理，消除其中與位置估計(jì)誤差 不相關(guān)的頻率分量，然后再參與系統(tǒng)控制，從而減小轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的減小永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的方法，其特征 在于，所述步驟2的具體步驟如下： 步驟2.1 )，根據(jù)給定角速度和估計(jì)角速度獲取估計(jì)交軸電流參考值； 步驟2.2 )，獲取估計(jì)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(diào)制驅(qū)動(dòng)電機(jī)； 步驟2.4 )，檢測(cè)相電流，經(jīng)坐標(biāo)變換得到估計(jì)交軸電流； 步驟2.5 )，獲取轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差函數(shù)； 步驟2.6)，采用至少一個(gè)所述誤差抑制模塊對(duì)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差函數(shù)進(jìn)行處理，獲取 處理后的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差函數(shù)； 步驟2.7)，根據(jù)處理后的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差函數(shù)獲取轉(zhuǎn)子估計(jì)位置和估計(jì)角速度； 步驟2.8)，重復(fù)步驟2.1)-步驟2.7)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的減小永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差的方法，其特征 在于，所述k取0.1。
【文檔編號(hào)】H02P21/24GK106059436SQ201610525182
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月4日
【發(fā)明人】周波, 劉兵, 倪天恒
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)