本發(fā)明涉及永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制算法，屬于電機(jī)控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

永磁同步電機(jī)在電動汽車、風(fēng)電和伺服領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，這是由于其具有功率密度大、效率高和運(yùn)行性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動系統(tǒng)高性能的矢量控制，必須準(zhǔn)確獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息。采用光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器可以檢測位置，但是機(jī)械傳感器增大了系統(tǒng)成本和故障風(fēng)險，因此無位置傳感器算法的研究具有重要意義。

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置辨識算法主要分為兩類，一是利用電機(jī)反電勢，二是利用電機(jī)凸極性或飽和凸極性。電壓模型法、模型參考自適應(yīng)、滑?？刂坪蛿U(kuò)展卡爾莫濾波器等屬于利用電機(jī)反電勢的方法，但這類方法受電機(jī)參數(shù)影響，并且不適用于零速或低速辨識。信號注入法利用了電機(jī)凸極性或飽和凸極性，可以實(shí)現(xiàn)零度和低速位置辨識，并且不受電機(jī)參數(shù)的影響，易于工程實(shí)現(xiàn)。

2003年IEEE文獻(xiàn)“Sensorless Drive of Surface Mounted Permanent Magnet Motor by High-Frequency Signal Injection Based on Magnetic saliency”(“基于磁飽和高頻信號注入的表貼式永磁電機(jī)無位置傳感器運(yùn)行”——2003年IEEE工業(yè)應(yīng)用期刊)，提出向電機(jī)估計(jì)的d軸注入高頻電壓信號，提取q軸高頻電流，并與一個同頻率的正弦調(diào)制信號相乘，經(jīng)過低通濾波器得到位置誤差信號，再通過梆梆控制器輸出轉(zhuǎn)子位置。該方法比旋轉(zhuǎn)高頻注入法實(shí)施簡單，辨識精度高，但梆梆控制器增大了估計(jì)值的脈動。中國發(fā)明專利CN 102843091 A于2012年12月26日公布的《一種永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的判斷方法》，向估計(jì)的d軸注入脈振高頻信號，利用PI控制器調(diào)節(jié)誤差信號得到初次估計(jì)值，再注入一個正方向擾動信號判斷磁極極性。中國發(fā)明專利CN 103986395，在脈振高頻注入法實(shí)現(xiàn)初次位置估計(jì)的基礎(chǔ)上，從電流響應(yīng)中提取二倍頻進(jìn)行極性判斷。然而，現(xiàn)有的脈振高頻注入法估計(jì)轉(zhuǎn)子位置具有以下缺點(diǎn)：

1)將高頻正弦信號作為調(diào)制信號，再使用低通濾波器提取直流量，然而濾波器的階次、系數(shù)以及截止頻率會影響位置觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性，降低辨識精度；

2)高頻飽和分量判斷極性的方法信噪比低，可能導(dǎo)致誤判；采用電壓脈沖注入法判斷極性，需要額外注入信號；

3)算法較為復(fù)雜，不易于工程實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為針對永磁同步電機(jī)零速及低速位置辨識中，存在的動靜態(tài)性能差、可靠性低和算法復(fù)雜的問題，提供了一種永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制方法，將脈振高頻電壓信號注入到電機(jī)中，采樣定子繞組電流，從高頻電流響應(yīng)中估計(jì)出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置與轉(zhuǎn)速。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明提供了一種永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制方法，包括以下步驟：

步驟1，信號發(fā)生器產(chǎn)生高頻電壓信號v_h，并注入到估計(jì)的軸系中，v_h如下式所示：

v_h＝V_hsin(ω_ht+π)

其中，V_h為高頻電壓幅值，ω_h為高頻電壓角頻率，t表示信號注入時間；

步驟2，根據(jù)步驟1中注入的高頻電壓信號v_h，計(jì)算信號調(diào)制數(shù)組A_m的維數(shù)N，生成信號調(diào)制數(shù)組A_m；

步驟3，電流傳感器采樣得到定子繞組電流i_a、i_b和i_c，變換到與估計(jì)位置同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中，得到電流和提取高頻分量和

步驟4，將與信號調(diào)制數(shù)組A_m相乘得到目標(biāo)值P_v1，根據(jù)目標(biāo)值P_v1獲取磁極位置估計(jì)值及轉(zhuǎn)速估計(jì)值

步驟5，將與信號調(diào)制數(shù)組A_m相乘得到目標(biāo)值P_v2，根據(jù)目標(biāo)值P_v2判斷磁極極性，對補(bǔ)償后輸出轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值

優(yōu)選地，步驟2所述的生成信號調(diào)制數(shù)組A_m包括以下步驟：

(1)計(jì)算信號調(diào)制數(shù)組A_m的維數(shù)N，N的計(jì)算式為，

其中，T_s為采樣周期，T_h為高頻電壓周期；

(2)在一個高頻電壓周期T_h內(nèi)，生成信號調(diào)制數(shù)組A_m，第k個采樣時刻，信號調(diào)制數(shù)組值A(chǔ)_m(k)的計(jì)算式為：

k為采樣時刻，k的取值范圍為[1,N]。

優(yōu)選地，步驟4所述的獲取磁極位置估計(jì)值與轉(zhuǎn)速估計(jì)值包括以下步驟：

(1)將與信號調(diào)制數(shù)組A_m相乘得到目標(biāo)值P_v1，第k個采樣時刻，目標(biāo)值P_v1的計(jì)算式為：

其中，k為采樣時刻，k的取值范圍為[1,N]，N為信號調(diào)制數(shù)組A_m的維數(shù)，P_v1(k)表示k時刻的目標(biāo)值，表示k時刻的電流值，A_m(k)為k時刻的信號調(diào)制數(shù)組值；

(2)將目標(biāo)值P_v1輸入位置觀測器；

(3)經(jīng)過位置觀測器調(diào)節(jié)，使P_v1收斂到0，獲取磁極位置估計(jì)值及轉(zhuǎn)速估計(jì)值

更進(jìn)一步，所述的位置觀測器選自鎖相環(huán)觀測器或龍伯格觀測器。

優(yōu)選地，步驟5所述的獲取轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值包括以下步驟：

(1)將與信號調(diào)制數(shù)組A_m相乘得到目標(biāo)值P_v2，第k個采樣時刻，目標(biāo)值P_v2的計(jì)算式為：

其中，k為采樣時刻，k的取值范圍為[1,N]，N為信號調(diào)制數(shù)組A_m的維數(shù)，P_v2(k)表示k時刻的目標(biāo)值，表示k時刻的電流值，A_m(k)為k時刻的信號調(diào)制數(shù)組值；

(2)將目標(biāo)值P_v2變換到與磁極位置估計(jì)值同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中，令d軸基頻分量指令值為0，計(jì)算一個高頻電壓周期T_h內(nèi)目標(biāo)值的平均值

(3)令d軸基頻分量指令值為0.4i_sn，i_sn為電機(jī)額定電流，計(jì)算一個高頻電壓周期T_h內(nèi)目標(biāo)值的平均值

(4)若則轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值為否則其中為磁極位置估計(jì)值。

與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的有益效果如下：

1)針對估計(jì)的q軸電流分量采用直接信號調(diào)制方式，無需使用低通濾波器，提高了位置觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，改善了動態(tài)性能；

2)利用估計(jì)的d軸電流分量判斷極性，充分利用了高頻電流響應(yīng)，無需注入額外信號；電機(jī)飽和工作點(diǎn)根據(jù)功率選取，增加了極性判斷的可靠性；

3)該方法的復(fù)雜度較低，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的實(shí)施流程圖。

圖2為電機(jī)靜止坐標(biāo)系、同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和估計(jì)的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系關(guān)系圖。

圖3為本發(fā)明方法的電路原理圖。

圖4為采用本發(fā)明方法估計(jì)位置與轉(zhuǎn)速的結(jié)構(gòu)圖。

圖5為采用本發(fā)明方法進(jìn)行初始位置估計(jì)的波形，電機(jī)真實(shí)位置為300°。

圖6為電機(jī)以20Hz運(yùn)行時，采用傳統(tǒng)方法的相電流與位置估計(jì)偏差波形。

圖7為電機(jī)以20Hz運(yùn)行時，采用本發(fā)明方法的相電流與位置估計(jì)偏差波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，來說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

圖1為本發(fā)明方法流程圖，由該圖可見，本發(fā)明包括如下步驟。

步驟1(S01)，信號發(fā)生器產(chǎn)生高頻電壓信號v_h，并注入到估計(jì)的軸系中，v_h如下式所示：

v_h＝V_hsin(ω_ht+π)

其中，V_h為高頻電壓幅值，ω_h為高頻電壓角頻率，t表示信號注入時間。

步驟2(S02)，根據(jù)步驟1中注入的高頻電壓信號v_h，計(jì)算信號調(diào)制數(shù)組A_m的維數(shù)N，生成信號調(diào)制數(shù)組A_m。

步驟3(S03)，電流傳感器采樣得到定子繞組電流i_a、i_b和i_c，變換到與估計(jì)位置同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中，得到電流和提取高頻分量和

步驟4(S04)，將與信號調(diào)制數(shù)組A_m相乘得到目標(biāo)值P_v1，根據(jù)目標(biāo)值P_v1獲取磁極位置估計(jì)值及轉(zhuǎn)速估計(jì)值

步驟5(S05)，將與信號調(diào)制數(shù)組A_m相乘得到目標(biāo)值P_v2，根據(jù)目標(biāo)值P_v2判斷磁極極性，對補(bǔ)償后輸出轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值

需要注意的是，實(shí)現(xiàn)電機(jī)零速狀態(tài)下的初始位置估計(jì)，需要執(zhí)行步驟S01-S05；實(shí)現(xiàn)電機(jī)低速運(yùn)行時的位置估計(jì)，在已完成初始位置估計(jì)的基礎(chǔ)上，需要執(zhí)行步驟S01-S04。

坐標(biāo)變換關(guān)系如圖2所示，以電機(jī)定子繞組A相、B相和C相為軸線建立三相靜止坐標(biāo)系。規(guī)定A相軸線為零位參考軸，并以此軸為α軸，沿逆時針方向超前90°為β軸，建立兩相αβ坐標(biāo)系。取永磁體勵磁磁場軸線為d軸，沿逆時針方向超前90°為q軸，建立兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q。d軸與α軸的夾角為轉(zhuǎn)子的位置角θ_r。為估計(jì)的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，與α軸的夾角為估計(jì)位置角當(dāng)時，與d-q重合，軸與永磁體磁場軸系重合。

圖3為采用本發(fā)明方法的電路原理圖。向電機(jī)估計(jì)的軸系注入高頻電壓信號v_h，高頻分量疊加基頻分量再經(jīng)過坐標(biāo)變換得到調(diào)制電壓u_α和u_β，坐標(biāo)變換角度為估計(jì)位置角采用空間矢量調(diào)制(SVPWM)產(chǎn)生IGBT的開關(guān)信號，直流側(cè)電壓U_dc經(jīng)過電壓源逆變器(VSI)作用產(chǎn)生三相交流電驅(qū)動電機(jī)。采用電流傳感器采樣定子A相、B相電流，進(jìn)而得到三相電流i_a、i_b和i_c，變換到αβ坐標(biāo)系中得到i_α和i_β。將i_α和i_β變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中得到和坐標(biāo)變換角度為估計(jì)位置角提取基頻分量i_db、i_qb作為PI調(diào)節(jié)器的反饋量，提取高頻分量i_dh、i_qh估計(jì)出轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速

圖4為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速與位置估計(jì)的原理圖。高頻分量i_qh與信號調(diào)制數(shù)組A_m的相乘得到目標(biāo)值P_v1。P_v1作為鎖相環(huán)的輸入，鎖相環(huán)由PI調(diào)節(jié)器和積分器組成，PI調(diào)節(jié)器輸出估計(jì)的轉(zhuǎn)速再經(jīng)過積分器輸出估計(jì)的磁極位置高頻分量i_dh與信號調(diào)制數(shù)組A_m的相乘得到目標(biāo)值P_v2。改變電流基值的給定值，分別計(jì)算兩個高頻周期內(nèi)的P_v2平均值，得到與若估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置否則

注意事項(xiàng)：本發(fā)明中提及的所有角度均為電角度。

以一臺50kW永磁同步電機(jī)為例具體說明該方法的實(shí)施方式。開關(guān)頻率為8.4kHz，直流側(cè)電壓為540V。電機(jī)額定功率為50kW，額定電壓為366V，額定電流為111A，額定轉(zhuǎn)矩為500Nm，額定轉(zhuǎn)速為950rpm，極對數(shù)為6。

實(shí)現(xiàn)電機(jī)零速狀態(tài)下的初始位置估計(jì)包括以下步驟：

步驟1，信號發(fā)生器產(chǎn)生高頻電壓信號v_h，并注入到估計(jì)的軸系中，v_h如下式所示：

v_h＝V_hsin(ω_ht+π)

其中，V_h為高頻電壓幅值，選取為ω_h為高頻電壓角頻率，ω_h＝2πf_h，f_h為頻率值，選取為400Hz，t表示信號注入時間。

步驟2，根據(jù)步驟1中注入的高頻電壓信號v_h，計(jì)算信號調(diào)制數(shù)組A_m的維數(shù)N，生成信號調(diào)制數(shù)組A_m。

具體的，信號調(diào)制數(shù)組A_m的生成包括以下步驟：

(1)計(jì)算信號調(diào)制數(shù)組A_m的維數(shù)N，N的計(jì)算式為，

其中，T_s為采樣周期，T_h為高頻電壓周期。本實(shí)施例中，由于T_s＝2.5μs，T_h＝0.119μs，計(jì)算得到N＝21。

(2)在一個高頻電壓周期T_h內(nèi)，生成信號調(diào)制數(shù)組A_m，第k個采樣時刻，信號調(diào)制數(shù)組值A(chǔ)_m(k)的計(jì)算式為：

k為采樣時刻。當(dāng)k＝N+1時，重新令k＝1，因此k的取值范圍為[1,N]。本實(shí)施例中N＝21，因此A_m為：

[1,1.05,1.2,1.6,2.74,13.4,-4.5,-2,-1.36,-1.1,-1.01,-1.01,-1.1,-1.36,-2,-4.5,13.4,2.74,1.6,1.2,1.05,1]

步驟3，電流傳感器采樣得到定子繞組電流i_a、i_b和i_c，變換到與估計(jì)位置同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中，得到電流和提取高頻分量和其表達(dá)式為：

其中，L₀＝(L_d+L_q)/2，L₁＝(L_d-L_q)/2，L_d與L_q分別表示直軸和交軸電感。

步驟4，將與信號調(diào)制數(shù)組A_m相乘得到目標(biāo)值P_v1，根據(jù)目標(biāo)值P_v1獲取磁極位置估計(jì)值及轉(zhuǎn)速估計(jì)值

具體包括以下步驟：

(1)將與信號調(diào)制數(shù)組A_m相乘得到目標(biāo)值P_v1，第k個采樣時刻，目標(biāo)值P_v1的計(jì)算式為：

其中，k為采樣時刻,k的取值范圍為[1,N],N為信號調(diào)制數(shù)組A_m的維數(shù)，P_v1(k)表示k時刻的目標(biāo)值，表示k時刻的電流值，A_m(k)為k時刻的信號調(diào)制數(shù)組值。P_v1的表達(dá)式為：

其中，K為與注入高頻信號無關(guān)的常數(shù)值。

(2)將目標(biāo)值P_v1輸入位置觀測器。本實(shí)施例選擇的位置觀測器包括鎖相環(huán)和龍伯格觀測器。

(3)經(jīng)過位置觀測器調(diào)節(jié)，使P_v1收斂到0，獲取磁極位置估計(jì)值及轉(zhuǎn)速估計(jì)值

步驟5，將與信號調(diào)制數(shù)組A_m相乘得到目標(biāo)值P_v2，根據(jù)目標(biāo)值P_v2判斷磁極極性，對補(bǔ)償后輸出轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值

具體包括以下步驟：

(1)將與信號調(diào)制數(shù)組A_m相乘得到目標(biāo)值P_v2，第k個采樣時刻，目標(biāo)值P_v2的計(jì)算式為：

其中，k為采樣時刻,k的取值范圍為[1,N]，N為信號調(diào)制數(shù)組A_m的維數(shù)，P_v2(k)表示k時刻的目標(biāo)值，表示k時刻的電流值，A_m(k)為k時刻的信號調(diào)制數(shù)組值。P_v2的表達(dá)式為：

從表達(dá)式可知，P_v2與直軸電感L_d成反比例關(guān)系。

(2)將目標(biāo)值P_v2變換到與磁極位置估計(jì)值同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中，令d軸基頻分量指令值為0，計(jì)算一個高頻電壓周期T_h內(nèi)目標(biāo)值的平均值

(3)令d軸基頻分量指令值為0.4i_sn，i_sn為電機(jī)額定電流，計(jì)算一個高頻電壓周期T_h內(nèi)目標(biāo)值的平均值

(4)若則轉(zhuǎn)子位置估計(jì)值為否則其中為磁極位置估計(jì)值。

圖5為采用本發(fā)明方法估計(jì)轉(zhuǎn)子初始位置的波形，電機(jī)真實(shí)位置為300°。初始位置估計(jì)分為兩步完成:第一步，由目標(biāo)值P_v1得到磁極位置，估計(jì)結(jié)果為119.8°；第二步，由目標(biāo)值P_v2判斷磁極極性。改變電流基值的給定值，分別計(jì)算兩個高頻周期內(nèi)P_v2的平均值，得到與由于因此補(bǔ)償180°后得到估計(jì)的位置角為299.8°。電機(jī)處于其他位置時仍可以準(zhǔn)確估計(jì)，證明本發(fā)明方法具有較高的精度和可靠性。

為了驗(yàn)證本發(fā)明方法的有效性，與高頻正弦信號調(diào)制+低通濾波器的方法(中國發(fā)明專利CN 102843091 A于2012年12月26日公布的《一種永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的判斷方法》)進(jìn)行了對比。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率為20Hz，注入400Hz的高頻電壓信號。采用傳統(tǒng)的高頻正弦信號調(diào)制+低通濾波器方案時，位置觀測器的PI值需要慎重選取和反復(fù)試湊，否則極易造成位置觀測系統(tǒng)的不穩(wěn)定，同時也會對動態(tài)性和穩(wěn)態(tài)精度產(chǎn)生影響。圖6為選擇一組較優(yōu)的PI參數(shù)值得到的波形，相電流呈現(xiàn)周期脈動，脈動的外包絡(luò)線與轉(zhuǎn)速頻率一致。估計(jì)的位置偏差衰減速度較慢，若增加位置觀測帶寬，又會帶來不穩(wěn)定問題。圖7為采用本發(fā)明方法的波形，由于采用了直接信號調(diào)制，無需濾波器，PI參數(shù)的可選域較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提高；估計(jì)的位置偏差收斂較快，穩(wěn)態(tài)偏差在2°以內(nèi)，說明動態(tài)性能好和穩(wěn)態(tài)精度高。