一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，在基于脉振高频电压注入法的永磁同步电机无位置传感器控制中，离散化控制、逆变器死区等非理想因素会引起一定的位置估计误差。本发明通过离线测量不同Park变换角度θ对应的位置估计误差函数值ε，进行函数拟合得到ε(x)，然后在实际无位置传感器控制过程中用该拟合函数去补偿位置估计误差函数f(Δθ)，进而提高了永磁同步电机转子位置估计精度。本发明显著提高了转子位置和转速的估计精度，具有较大的实用价值。
【专利说明】
-种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法
技术领域
[0001] 本发明设及电机控制领域，尤其设及一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的 方法。
【背景技术】
[0002] 永磁同步电机无位置传感器控制可去除系统中的位置传感器，减小体积重量，降 低成本，受到了很多学者的关注。
[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轴注入脉振高频电压信号，对q轴电流进行带通滤波得到高频响应分量，再 用一个同频率的正弦调制信号与其相乘，最后经过低通滤波得到转子位置估计误差信号， 构建闭环将该误差信号调节到零实现转子位置估计。该方法为低速区域的无位置传感器控 制提供了一个良好的解决方案，但估计精度受控制器性能、逆变器死区、电机参数不对称性 等非理想因素影响。
[0004] 在永磁同步电机无位置传感器控制中，位置估计精度是影响系统控制性能的一个 重要因素。准确的转子位置信息保证了Ξ相电流变换到同步旋转坐标系后的励磁分量电流 和转矩分量电流的准确性，使系统具有良好的控制性能。但是，由于离散化控制和逆变器死 区等非理想因素的存在，转子估计位置包含一定的误差。若转子位置信息不准确，电机相电 流会发生崎变，并且Ξ相电流经坐标变换得到的励磁分量电流和转矩分量电流也是不准确 的，最终导致控制性能变差。可通过离线测量不同化rk变换角度Θ对应的位置估计误差函数 的偏差值ε，再进行函数拟合得到拟合函数ε(χ)，最后在实际无位置传感器控制过程中用该 拟合函数去补偿位置估计误差函数f ( Δ Θ)，得到更准确的位置估计误差函数f〇( Δ Θ)，再构 建闭环将位置误差调节到0,从而提高永磁同步电机转子位置估计精度，该方法在改善无位 置传感器控制性能方面具有重要的意义。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中所设及到的问题，提出一种提高永 磁同步电机转子位置估计精度的方法。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用W下技术方案：
[0007] -种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，在基于脉振高频电压注入法的 永磁同步电机无位置传感器控制中，进行W下步骤：
[000引步骤1)，通过离线测量得到η组化rk变换角度Θ对应的位置估计误差函数值ε，η为 正整数，并对运η组数据进行函数拟合得到拟合函数ε(χ);
[0009]步骤1.1)，对化进行η等分，并将转子位置固定到化ad;
[0010] 步骤1.2)，在直轴注入高频电压；
[0011]步骤1.3)，获取交轴电流；
[0012]步骤1.4)，从交轴电流中获取误差信息ε ;
[0013] 步骤1.5 )，将转子位置增加如/η，若此时转子位置值小于如，则返回步骤1.3)，否 则执行步骤1.6);
[0014] 步骤1.6)，对所得η组数据进行拟合，得到拟合函数ε(χ);
[0015] 步骤2)，用拟合函数ε(χ)去补偿位置估计误差函数?·(ΔΘ)，提高永磁同步电机转 子位置估计精度。
[0016] 作为本发明一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法进一步的优化方案， 所述步骤2)中用拟合函数ε (X)去补偿位置估计误差函数f( Δ Θ)的具体步骤如下：
[0017] 步骤2.1)，根据给定和反馈角速度获取估计交轴电流参考值；
[001引步骤2.2)，获取估计直轴和交轴电压参考值；
[0019] 步骤2.3)，在直轴叠加高频电压，采用SVPWM调制驱动电机；
[0020] 步骤2.4)，检测相电流，经坐标变换得到估计交轴电流；
[0021] 步骤2.5)，获取转子的位置估计误差函数；
[0022] 步骤2.6)，根据拟合函数ε(χ)获取位置估计误差函数的偏差值；
[0023] 步骤2.7)，根据位置估计误差函数的偏差值对位置估计误差函数进行补偿，获取 估计转子位置和转速；
[0024] 步骤2.8)，重复步骤2.1)-步骤2.7)。
[0025] 作为本发明一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法进一步的优化方案， 所述η取62。
[0026] 作为本发明一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法进一步的优化方案， 所述步骤1.6)中，对所得η组数据采用i次正弦函数拟合得到拟合函数ε(χ)，其中i为正整 数，取值为8。
[0027] 本发明采用W上技术方案与现有技术相比，具有W下技术效果：
[0028] 1.提出一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，考虑离散化控制和逆变 器死区等多种非理想因素对位置估计精度的影响，提前测量出不同转子位置对应的位置估 计误差函数的偏差值，并采用函数拟合得到拟合函数，并在控制过程中对位置估计误差函 数进行补偿，实现更准确的位置估计；
[0029] 2.显著提高了转子位置和转速的估计精度，采用本发明所提的补偿方法后，转子 位置估计误差的最大值从0.化ad减小到了0.1 rad，转速估计误差的最大值从1虹/min减小 到了 4r/min，改善了无位置传感器控制的性能。
【附图说明】
[0030] 图1为拟合函数获取过程的系统控制框图；
[0031] 图2为包含补偿环节的永磁同步电机无位置传感器控制框图；
[0032] 图3为拟合函数获取流程图；
[0033] 图4为具体实施流程图；
[0034] 图5为拟合函数曲线；
[0035] 图6(a)为给定转速l(K)r/min稳定运行时，对应补偿前转子位置、位置估计误差、转 速和转速估计误差的实验波形；
[0036] 图6(b)为给定转速l(K)r/min稳定运行时，对应补偿后转子位置、位置估计误差、转 速和转速估计误差的实验波形。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0038] 如图3和图4所示，本发明公开了一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方 法，体实施步骤为：
[0039] 步骤1)，如图1所示，通过离线测量得到η组化rk变换角度Θ对应的位置估计误差函 数值ε，η为正整数，并对运η组数据进行函数拟合得到拟合函数ε(χ)。
[0040] 步骤1.1 )，将转子位置从〇-2π进行η等分，并且将转子位置目固定到化ad，其中η为 正整数，其值越大，得到的数据组数越多，运里取η取62;
[0041 ] 步骤1.2)，直轴电压Ud给定为Umh COS( Wht)，交轴电压Uq给定为0,其中t表示时间， Umh表示注入高频电压信号的幅值，一般取5-30V，运里取15V，ω h表示注入高频电压信号的 角频率，一般取 1000JI-40003I rad/s，运里取200031 rad/s;
[0042] 步骤1.3)，借助位置传感器读取转子位置Θ，对ud和uq进行化rlTi变换，再采用 SVPWM调制策略得到逆变器驱动逻辑S，逆变器母线端电压为Ud。，其大小由电机额定电压决 定，运里为310V，检测A相电流iA和B相电流iB，对其进行Clarke变换，再进行化rk变换，得到 直轴电流id和交轴电流iq;
[0043] 步骤1.4)，采用带通滤波器BPF提取iq中频率与注入信号频率相同的高频分量iqh， 将其与2sin(〇ht)相乘，再经过低通滤波器LPF得到误差信息ε;
[0044] 步骤1.5)，将转子位置增加如/η，若此时转子位置值小于如，则返回步骤1.3)，否 则执行步骤1.6);
[0045] 步骤1.6)，根据不同的转子位置Θ处所得到的误差信息值ε，采用i次正弦函数拟 合，得到拟合函数ε(χ)，其中i为正整数，其值越大，拟合结果越准确，运里取值为8。
[0046] 步骤2)，如图2所示，用拟合函数去补偿位置估计误差函数。
[0047] 步骤2.1)，将给定转子角速度Wref和估计转子角速度冷作差，输入给PI调节器得 到估计交轴电流参考值in尋估计直轴电流参考值设为0,其中卸的初始值为0;
[004引步骤2.2)，将与估计直轴电流反馈值作差输入给ΡΙ调节器，其输出为估计直 轴电压参考值，将ig/与估计交轴电流反馈值弓作差输入给PI调节器，其输出为估计交轴 电压参考值兩;
[0049] 步骤2.3)，将估计直轴电压参考值％叠加一个高频电压信号Umh cos( coht)，构成 新的估计直轴电压参考值^+(/,，,,: cos(巧片，估计交轴电压参考值为與，再根据估计转子位 置苗进行化rk逆变换(Park^i)，，得到Ua和ue，再采用空间矢量脉宽调制策略(SVPWM)，得到逆 变器6个开关管的驱动状态S，逆变器直流侧所加的电压为Udc，其中苗的初始值为〇;Udc-般 由电机的额定值确定，本系统中其值为310V;
[0050] 步骤2.4)，检测永磁同步电机PMSM中的两相电流，如iA和iB，对其进行Clarke变换 得到ia和ie，再根据臭对其进行化rk变换得到么和弓；
[0化1 ]步骤2.5)，采用一个选通角频率在ω h附近的带通滤波器BPF对估计交轴电流I；进 行滤波，得到估计交轴电流的高频分量i，将其与2sin( wht)相乘，再经过一个低通滤波器 LPF得到转子位置估计误差函数f ( Δ Θ);
[0052] 步骤2.6)，将估计转子位置I作为拟合函数ε(χ)的输入，得到t滅，
[0053] 步骤2.7)，将?·(ΔΘ)和曲作差，得到新的位置估计误差函数?·〇(ΔΘ)，作为PI调节 器的输入，ΡΙ调节器的输出为估计转子角速度毎，再经过I积分器得到估计转子位置
[0054] 步骤2.8)，重复步骤2.1)-步骤2.7)。
[0055] 在一台额定功率1.5kW的SPMSM上对本专利所提的提高永磁同步电机转子位置估 计精度的方法进行了实验验证，如图5和图6所示。电机的给定转速为10化/min，所加负载转 矩为额定值5Nm。图5为本电机的位置估计误差函数偏差值的8次正弦拟合函数ε(χ)。图6(a) 为补偿前的转子位置、位置估计误差、转速、转速估计误差的实验波形；图6(b)为补偿后的 转子位置、位置估计误差、转速、转速估计误差的实验波形。采用该
[0056] 补偿方法前，转子位置估计误差的最大值约为0.化ad，转速估计误差的最大值约 为lOr/min;采用该补偿方法后，转子位置估计误差的最大值减小为O.lrad，转速估计误差 的最大值减小为4r/min。可见，本专利将离散化控制和逆变器死区等非理想型因素考虑在 内，提出了一种基于位置估计误差函数补偿的提高转子位置估计精度的方法，实验结果表 明该方法能明显提高转子位置和转速估计精度，改善系统的控制性能。
[0057] 本技术领域技术人员可W理解的是，除非另外定义，运里使用的所有术语(包括技 术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还 应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中 的意义一致的意义，并且除非像运里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。 [005引 W上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步 详细说明，所应理解的是，W上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限制本发 明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，其特征在于，在基于脉振高频电 压注入法的永磁同步电机无位置传感器控制中，进行以下步骤： 步骤1)，通过离线测量得到η组Park变换角度Θ对应的位置估计误差函数值ε，η为正整 数，并对这η组数据进行函数拟合得到拟合函数ε(χ); 步骤1.1)，对2π进行η等分，并将转子位置固定到Orad; 步骤1.2)，在直轴注入高频电压； 步骤1.3)，获取交轴电流； 步骤1.4)，从交轴电流中获取误差彳目息ε ; 步骤1.5)，将转子位置增加2Vn，若此时转子位置值小于2π，则返回步骤1.3)，否则执 行步骤1.6); 步骤1.6)，对所得η组数据进行拟合，得到拟合函数ε(χ); 步骤2)，用拟合函数ε(χ)去补偿位置估计误差函数f(A0)，提高永磁同步电机转子位 置估计精度。2. 根据权利要求1中所述的提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，其特征在于， 所述步骤2)中用拟合函数ε (X)去补偿位置估计误差函数f( △ Θ)的具体步骤如下： 步骤2.1 )，根据给定和反馈角速度获取估计交轴电流参考值； 步骤2.2 )，获取估计直轴和交轴电压参考值； 步骤2.3)，在直轴叠加高频电压，采用SVPWM调制驱动电机； 步骤2.4 )，检测相电流，经坐标变换得到估计交轴电流； 步骤2.5 )，获取转子的位置估计误差函数； 步骤2.6)，根据拟合函数ε(χ)获取位置估计误差函数的偏差值； 步骤2.7)，根据位置估计误差函数的偏差值对位置估计误差函数进行补偿，获取估计 转子位置和转速； 步骤2.8)，重复步骤2.1)-步骤2.7)。3. 根据权利要求1所述的提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，其特征在于，所 述η取62。4. 根据权利要求1所述的提高永磁同步电机转子位置估计精度的方法，其特征在于，所 述步骤1.6)中，对所得η组数据采用i次正弦函数拟合得到拟合函数ε(χ)，其中i为正整数， 取值为8。
【文档编号】H02P21/24GK106059435SQ201610523825
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】周波, 刘兵, 倪天恒, 周融, 柏文杰
【申请人】南京航空航天大学