一种面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，首先在两相旋转估计坐标系的轴上注入脉振高频电压信号，注入角度在360°电角度范围内进行扫描，根据轴高频反馈实现初始位置识别；其次根据轴高频反馈电流完成位置实时跟踪；然后分别利用脉振高频注入法和滑模观测器法实现中高速和低速范围无位置传感器控制，并根据指令速度和实际速度实时选择控制方法，从而实现全速范围无位置传感器控制。由于两种控制方法相辅相成，因此控制性能较单独使用时有所提升，同时摆脱了滑模观测器法对电机参数的依赖，解决了高频注入法对原有控制及滑模观测器的影响，提出了完善的面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制策略。
【专利说明】一种面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及永磁同步电机矢量控制领域，具体涉及一种面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法。
【背景技术】
[0002]永磁同步电机因为其较高的功率因数和突出的带载能力而得到越来越广泛的应用，其发展方向也由普通中小型向微型化和大功率化转变。作为位置检测元件的光电编码器是永磁同步电机精确控制的常规配置，但编码器的存在增加了电机与其控制系统之间的连线及接口电路，使系统容易受到干扰，影响整个系统的可靠性，限定了永磁同步电机的应用范围；另外，精度越高的编码器价格越昂贵，提高了永磁同步电机的成本。由于上述原因，一些学者近年来开始研究舍弃编码器的永磁同步电机无位置传感器控制方法。
[0003]无位置传感器控制的方法按照其可以运用的转速范围可以分为两大类，一类是是适用于中高速范围的反电动势法，主要包括滑模观测器法、扩展卡尔曼滤波法、模型参考自适应等，它们共同的特点是依赖反电动势的幅值，当电机转速较低时，反电动势很小，反电动势法的效果就会下降，因此只适用于中速及高速的场合。
[0004]为了解决电机起动及低速运行问题，近些年出现了一类新的无位置传感器控制方法，即高频注入法。它是通过向电机的电枢绕组中注入高频电压信号，提取受到电机凸极的调制作用的定子电流信号，通过对高频载波信号进行解调从而提取转子的磁极位置和转速信息。目前，高频注入法主要分为旋转高频注入法和脉振高频注入法。针对凸极效应不明显的面贴式永磁同步电机，只能采用脉振高频注入法。
[0005]但是，脉振高频注入法算法复杂、信号处理难度大，对硬件处理能力要求高，因此较难实现。而且，当转速升至中高速范围内时，由于滤波器产生的位置和转速的延迟将会影响速度控制的动态性能，可能出现跟踪失败的情况，死区效应的影响也会使估计精度下降，另外DSP运算过程中产生的截断误差产生的影响也将凸显迟来。因此，应用脉振高频电压注入法只能实现零速及低速范围内的无位置传感器控制，无法将其应用到中高速的范围。
【发明内容】
[0006]针对上述缺陷或不足，本发明提供了一种面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，解决面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制的问题。
[0007]为达到以上目的，本发明的技术方案为:
[0008]包括以下步骤:
[0009](I)在电机静止时，向电机转子的两相旋转估计坐标系的J轴上注入脉振高
频电压信号cosfiV，在g轴上不注入信号，其中，为注入脉振高频电压幅值，Qh
为注入脉振高频电压角频率，注入角度在360°电角度范围内进行扫描，根据两相旋转估计坐标系下J轴的高频反馈电流幅值曲线和定子铁心的非线性磁化特性，获取电机转子的初始位置；
[0010](2)在电机转动时，向电机转子的两相旋转估计坐标系的J轴上注入脉振高频电压信号L = COS coht，在^轴上不注入信号，获取0轴上的高频反馈电流信号，对所述
高频反馈电流信号进行处理，获取与角度估计误差成线性比例关系的数值，根据电机转子的初始位置和所述数值，估计电机转子的实时角度，并根据实时角度计算实时转速；
[0011](3)对电机同时运行滑模观测器法和脉振高频注入法进行无位置传感器控制，监测实时速度是否高于设定的临界转速，若是，执行步骤(4)，否则，执行步骤(6)，其中，所述临界转速在脉振高频注入法与滑模观测器法控制下的电机转子转速范围的重叠区域选取；
[0012](4)监测实际速度是否高于设定的失控转速，若是，执行步骤(5)，否则，执行步骤(6)，其中，所述失控转速是指滑模观测器法的失控转速；
[0013](5)从脉振高频注入法切换到滑模观测器法进行中高速下的无位置传感器控制，脉振高频注入法仍然运行，辅助进行速度监测，然后，周期性的执行步骤(3)，直到电机停止;
[0014](6)利用脉振高频注入法进行低速下的无位置传感器控制，滑模观测器法仍然运行，辅助进行速度监测；周期性的执行步骤(3)，直到电机停止。
[0015]所述步骤(I)中，转子初始位置识别的具体步骤包括:
[0016](1-1)向电机转子的两相旋转估计坐标系的J轴上注入等频率电压信号，并调整注入等频率电压信号的注入电压幅值，获取估计坐标系彳下J轴等频率反馈电流信
号，绘制等频率反馈电流 幅值曲线，在电机转子不动的前提下，根据等频率反馈电流幅值曲线选取凸极效应最明显的注入电压幅值；
[0017](1-2)向电机转子的两相旋转估计坐标系的J轴上注入等幅值电压信号，并调整注入等幅值电压信号的注入电压频率，获取估计坐标系下J轴等幅值反馈电流信号，绘制等幅值反馈电流频率曲线，根据等幅值反馈电流频率曲线选择凸极效应最明显且噪声小的注入电压频率；其中，所述等幅值电压信号的幅值为步骤(1-1)中所获取的凸极效应最明显的注入电压频率；
[0018](1-3)根据步骤(1-1)和步骤(1-2)中确定的注入电压幅值和注入电压频率，向电机转子的两相旋转估计坐标系彳的J轴上进行脉振高频电压注入，注入角度在360°电
角度范围内扫描，获取估计坐标系下J轴的高频反馈电流信号，绘制高频反馈电流幅值曲线，并根据高频反馈电流幅值曲线获取峰值最大的峰值位置；
[0019](1-4)在提取到的峰值位置及与其相差180°的电角度的位置先后注入两个恒定的脉冲电压矢量，根据估计坐标系下的电流响应确定磁极方向，并根据磁极方向确定出转子初始位置。
[0020]对所述高频反馈电流信号进行处理具体包括:
[0021]将估计坐标系下5轴高频反馈电流为:
【权利要求】
1.一种面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤:(1)在电机静止时，向电机转子的两相旋转估计坐标系^-#的J轴上注入脉振高频电压信号匕=^4^03￡^，在§轴上不注入信号，其中，Udh为注入脉振高频电压幅值，COh为注入脉振高频电压角频率，t为时间，注入角度在360°电角度范围内进行扫描，根据两相旋转估计坐标系下<|轴的高频反馈电流幅值曲线和定子铁心的非线性磁化特性，获取电机转子的初始位置；(2)在电机转动时，向电机转子的两相旋转估计坐标系3-|的J轴上注入脉振高频电压信号匕=cU ，在#轴上不注入信号，获取夺轴上的高频反馈电流信号，对所述高频反馈电流信号进行处理，获取与角度估计误差成线性比例关系的数值，根据电机转子的初始位置和所述数值，估计电机转子的实时角度，并根据实时角度计算实时转速； (3)对电机同时运行滑模观测器法和脉振高频注入法进行无位置传感器控制，监测实时速度是否高于设定的临界转速，若是，执行步骤(4)，否则，执行步骤(6)，其中，所述临界转速在脉振高频注入法与滑模观测器法控制下的电机转子转速范围的重叠区域选取； (4)监测实际速度是否高于设定的失控转速，若是，执行步骤(5)，否则，执行步骤(6)，其中，所述失控转速是指滑模观测器法的失控转速； (5)从脉振高频注入法切换到滑模观测器法进行中高速下的无位置传感器控制，脉振高频注入法仍然运行，辅助进行速度监测，然后，周期性的执行步骤(3)，直到电机停止； (6)利用脉振高频注入法进行低速下的无位置传感器控制，滑模观测器法仍然运行，辅助进行速度监测；周期性的执行步骤(3)，直到电机停止。
2.根据权利要求1所述的面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤(I)中，转 子初始位置识别的具体步骤包括:(1-1)向电机转子的两相旋转估计坐标系y的J轴上注入等频率电压信号，并调整注入等频率电压信号的注入电压幅值，获取估计坐标系下S轴等频率反馈电流信号，绘制等频率反馈电流幅值曲线，在电机转子不动的前提下，根据等频率反馈电流幅值曲线选取凸极效应最明显的注入电压幅值；(1-2)向电机转子的两相旋转估计坐标系!轴上注入等幅值电压信号，并调整注入等幅值电压信号的注入电压频率，获取估计坐标系下J轴等幅值反馈电流信号，绘制等幅值反馈电流频率曲线，根据等幅值反馈电流频率曲线选择凸极效应最明显且噪声小的注入电压频率；其中，所述等幅值电压信号的幅值为步骤(ι-1)中所获取的凸极效应最明显的注入电压频率； (1-3)根据步骤(1-1)和步骤(1-2)中确定的注入电压幅值和注入电压频率，向电机转子的两相旋转估计坐标系^-#的^轴上进行脉振高频电压注入，注入角度在360°电角度范围内扫描，获取估计坐标系下^轴的高频反馈电流信号，绘制高频反馈电流幅值曲线，并根据高频反馈电流幅值曲线获取峰值最大的峰值位置； (1-4)在提取到的峰值位置及与其相差180°的电角度的位置先后注入两个恒定的脉冲电压矢量，根据估计坐标系^下的电流响应确定磁极方向，并根据磁极方向确定出转子初始位置。
3.根据权利要求1所述的面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，其特征在于，对所述高频反馈电流信号进行处理具体包括: 将估计坐标系下f轴高频反馈电流为:
4.根据权利要求1所述的面贴式永磁同步电机全速范围无位置传感器控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中，从脉振高频注入法控制切换到滑模观测器法控制的具体包括: (5-1)脉振高频注入法始终运行，辅助进行速度监测； (5-2)切换前，利用脉振高频注入法对滑模观测器法的估计结果进行修正，以消除其稳态误差； (5-3)切换时的切换位置和电机转子转速均釆用逐渐过渡的方式。
【文档编号】H02P25/02GK103427746SQ201310317251
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年7月25日 优先权日:2013年7月25日
【发明者】梅雪松, 孔凡峰, 张迎庆, 陶涛, 许睦旬, 刘善慧 申请人:西安交通大学