嵌入式永磁同步电机的初始位置估测方法与流程

本发明公开嵌入式永磁同步电机的初始位置估测方法，涉及电机驱动技术，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

在嵌入式永磁同步电机启动阶段，由于反电动势很小以及电流信噪比低等原因，需要额外注入高频电压信号来获取转子位置。在常用的高频注入方法中，高频方波电压注入以其简单、易实现等优点而被广泛研究。然而，在电机启动阶段，基于高频方波电压注入的转子位置辨识方法只能获取转子磁极的位置，而无法获得此位置对应磁极的极性，即无法获取准确的转子初始位置。

磁极极性判别一般采用二次谐波检测法，二次谐波法采用高频电流的二次谐波分量进行磁极极性的判别，在原有高频注入法的基础上无需增加脉冲电压，但含有转子磁极极性的二次谐波分量信噪比过低，容易造成误判。

为了克服二次谐波检测法判断磁极极性的缺陷，一种磁极辨识技术主要是利用不同极性的高频方波电压注入引起的d轴电流幅值的不同判断转子的磁极，然而，高频方波电压引起的d轴幅值变化有限，这类磁极辨识方法对电流传感器的精度要求高；一种磁极位置观测技术，向d轴同时注入低频方波电流以及高频方波电压，根据高频响应电流进行位置观测进而估算转子位置，并通过观测器比较不同极性d轴响应电流幅值的积累值来判断转子磁极，该方法虽然能够克服二次谐波检测法的缺陷但操作复杂，依然存在高频方波电压注入法无法获取准确转子初始位置的缺陷。

本发明旨在提供嵌入式永磁同步电机的初始位置估测方法，简单实现磁极极性的准确判断，并克服高频方波电压注入法不能准确获取转子初始位置的固有缺陷。

技术实现要素：

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供嵌入式永磁同步电机的初始位置估测方法，通过比较响应电流变化率实现磁极极性的准确判断，简单、快速地辨识嵌入式永磁同步电机系统在静止或自由运行状态下的初始位置，解决高频方波电压注入辨识磁极极性方法无法准确获取转子初始位置的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

嵌入式永磁同步电机的初始位置估测方法，具体执行过程包括步骤A至步骤E：

步骤A、将高频方波电压信号注入到估测的直轴上，并利用比例积分观测器获得电机的转子磁极的位置θp；

步骤B、在保持步骤A中高频方波电压注入并实时获取转子磁极的情况下，利用移动平均滤波器获取估测直轴上的高频响应电流的变化率M0；

步骤C、在保持步骤A中高频方波电压注入并实时获取转子磁极的情况下，向估测直轴上注入额外的直流电电流，并利用移动平均滤波器获取估测直轴上的高频响应电流变化率M1；

步骤D、在保持步骤A中高频方波电压注入并实时获取转子磁极的情况下，移除步骤C中额外的电流注入，再比较M0与M1的大小，判断步骤A中估测到的磁极位置对应的是南极还是北极；

步骤E、在保持步骤A中高频方波电压注入并实时获取转子磁极的情况下，利用步骤D中极性判断的结果获取准确的转子位置θe。

进一步地，嵌入式永磁同步电机的初始位置估测方法，利用比例积分观测器获得电机的转子磁极的位置θp的具体方法为：通过q轴电流与其延迟一拍的值互减的方式获取q轴高频响应电流，从q轴高频响应电流中获得电机的转子磁极的位置。

进一步地，嵌入式永磁同步电机的初始位置估测方法，利用移动平均滤波器获取估测直轴上的高频响应电流的变化率M0的具体方法为：d轴电流的变化率的采样序列中提取d轴电流变化率的中值，所述d轴电流的变化率的采样序列通过d轴电流与其延迟一拍的值互减的方式获取。

进一步地，嵌入式永磁同步电机的初始位置估测方法，注入的直流电流可以是正极性的，也可以是负极性的，且电流的幅值是固定值。

进一步地，嵌入式永磁同步电机的初始位置估测方法，步骤A中持续地向估测的直轴上注入高频方波电压信号一段时间T1，直至比例积分观测器估测的转子磁极位置收敛。

进一步地，嵌入式永磁同步电机的初始位置估测方法，步骤B中持续获取高频响应电流变化率一段时间T2，直至T2＝N·Ts，N为移动平均滤波器的滤波窗口，Ts为采样周期。

进一步地，嵌入式永磁同步电机的初始位置估测方法，步骤C中持续地向d轴注入额外直流电流一段时间T3，直至T3＝N·Ts。

再进一步地，嵌入式永磁同步电机的初始位置估测方法，判断步骤A中估测到的磁极位置对应的是南极还是北极的具体判断依据为：

当步骤C中注入的电流极性为正时：若M0＜M1，磁极位置对应的是北极，否则，磁极位置对应的是南极；

当步骤C中注入的电流极性为负时：若M0＞M1，磁极位置对应的是北极，否则，磁极位置对应的是南极。

更进一步地，嵌入式永磁同步电机的初始位置估测方法，利用步骤D中极性判断的结果获取准确转子位置θe的具体方法为：

当磁极位置对应的是北极时：准确的转子位置与步骤A中获得的转子磁极位置相同，即θe＝θp；

当磁极位置对应的是南极时：准确的转子位置与步骤A中获得的转子磁极位置相差180度，弧度制表示为θe＝θp+π。

更进一步地，嵌入式永磁同步电机的初始位置估测方法，当磁极位置对应的是南极时，获取准确的转子位置的同时，将注入到d轴的高频方波电压的极性取反。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明旨在提供一种简单、快速的嵌入式永磁同步电机用初始位置辨识方法。其一，相对于经典的基于高频方波电压注入的无位置控制，仅仅只需要向d轴额外注入一段时间的直流电流就可以完成初始位置辨识，这种方案大大简化了以往初始位置辨识中复杂的d轴注入电流发生器；其二，在没有额外d轴电流注入情况下的d轴高频响应电流变化率被利用，相比于注入两种极性的d轴电流的方式，再次简化了辨识的过程；其三，d轴高频响应电流变化率相比于以往使用的d轴高频响应电流幅值，具有数值大、变化范围大等特点，更有利于后续的滤波和比较；其四，利用了移动平均滤波器获取d轴高频响应电流变化率，这种方法相对于直接利用d轴高频响应电流变化率或低通滤波器的方案，可以获得更加准确、稳定的电流变化率而d轴高频响应电流变化率是判断转子极性的重要指标，因此使用移动平均滤波器可以提高极性辨识的准确度，使用移动平均滤波器抑制由于采样噪声以及转子位置误差引起的电流变化率波动，提升转子磁极的检测精度；其五，转子位置在极性辨识过程一直在更新，这种运行模式使得本发明不仅仅可以用于处于静止状态的电机，也可以用于处于自由运行状态下的电机；其六，由估测转子位置转变时引起的d轴电流突变也通过改变注入方波的极性得以补偿。

附图说明

图1是本发明提供的嵌入式永磁同步电机的初始位置辨识的系统框图。

图2是本发明提供的嵌入式永磁同步电机的初始位置辨识的时序图。

图3是本发明中使用的移动平均滤波器与不使用滤波器、使用低通滤波器处理d轴高频响应电流变化率的实验对比图。

图4是本发明提供的嵌入式永磁同步电机的初始位置辨识方法在电机静止状态下辨识初始磁极位置是南极的波形图。

图5是本发明提供的嵌入式永磁同步电机的初始位置辨识方法在电机自由运行状态下辨识初始磁极位置对应的是南极的波形图。

图6是不采用本发明提供的补偿方法和采用本发明提供的补偿方法辨识嵌入式永磁同步电机用初始位置的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供嵌入式永磁同步电机的初始位置辨识的系统框图如图1所示，初始位置辨识方法的具体执行过程如图2所示，包括步骤如下：

步骤A、控制器开机以后，将高频方波电压信号注入到d轴，通过q轴电流与其延迟一拍的值互减的方式获取q轴高频响应电流iqh，其中，延迟一拍的周期为采样周期Ts。之后，利用比例积分观测器从q轴高频响应电流中获得电机的转子磁极的位置θp,使用的比例积分观测器在连续域的表达式为：

其中，s为拉普拉斯算子，kp为比例系数，ki为积分系数，

向d轴注入高频方波电压信号需要执行一段时间T1，直到比例积分观测器估测的转子磁极位置收敛后再执行后续步骤。

步骤B、在保持步骤A中注入高频方波电压以及采用比例积分观测器测量转子磁极位置的情况下，通过d轴电流与其延迟一拍的值互减的方式获取d轴高频响应电流idh，然后，计算d轴上的高频响应电流变化率M，d轴上的高频响应电流变化率M的计算公式为：

其中，idh[k-1]、idh[k]为k-1时刻、k时刻的d轴高频响应电流；

之后，利用移动平均滤波器从长度为N的d轴高频响应电流序列提取d轴上的高频响应电流变化率的中值M0并抑制其波动，本发明中使用的移动平均滤波器可以写为：

其中，M[i]、M[k]分别为i时刻、k时刻d轴上的高频响应电流变化率，N为MAF的滤波窗口；

获取d轴上高频响应电流变化率中值M0的执行时间为T2。执行时间T2的设定主要取决于MAF的滤波效果，即滤波窗口N。因此执行时间T2与滤波窗口N之间的关系为：T2＝N·Ts。

步骤C、在保持步骤A中注入高频方波电压以及采用比例积分观测器测量转子磁极位置的情况下，向d轴上注入额外的直流电流，并通过d轴电流与其延迟一拍的值互减的方式获取d轴高频响应电流idh；

之后，利用MAF获取d轴上的高频响应电流变化率M1，与步骤B相似，步骤C向d轴注入额外直流电流的执行时间为T3，T3也与MAF的滤波窗口N相关，两者的关系为T3＝N·Ts。

另外，注入d轴的直流电流可以是正极性的，也可以是负极性的，但是电流的幅值是保持恒定的。

步骤D、在保持步骤A中注入高频方波电压以及采用比例积分观测器测量转子位置的情况下，移除步骤C中额外的电流注入；

之后，比较步骤B和C中获取的d轴上的高频响应电流变化率M0与M1的大小，判断步骤A中估测到的磁极位置θp对应的转子位置是南极还是北极，具体的判断依据如下：

步骤C中注入d轴的直流电流的极性为正：若M0＜M1，θp对应转子位置为北极，否则，为南极；

步骤C中注入d轴的直流电流的极性为负：若M0＞M1，θp对应转子位置为北极，否则，是南极。

步骤E、在保持步骤A中注入高频方波电压以及采用比例积分观测器测量转子磁极位置的情况下，根据步骤D中对于转子极性判断的结果获取准确的转子位置θe，获取转子位置θe的方式如下：

如果转子位置是北极：准确的转子位置与步骤A中获得的转子磁极位置相同，即θe＝θp；

如果转子位置是南极：准确的转子位置与步骤A中获得的转子磁极位置相差180度，弧度制表示为θe＝θp+π。

如果转子位置是南极，在将估测位置从θp转换到θe时候，需要将注入到d轴的高频方波电压的极性取反，以减小由于估测位置的变化导致的d轴电流冲击。

如图3所示，对比在无滤波器处理、低通滤波器处理以及移动平均滤波器处理三种状态下获取的d轴高频响应电流变化率，可见使用移动平均滤波器可以获得更加稳定的d轴高频响应电流变化率。

如图4所示，为电机在静止状态下初始位置辨识的过程的波形图。在经过了简单的d轴电流注入以后，获取得到了转子磁极，并对估测初始位置做出了补偿，整个辨识过程仅为11ms。

如图5所示，为电机在自由运动状态下初始位置辨识的过程的波形图，可见本专利公开的算法在电机低速运行状态下也可以快速识别初始位置。

如图6所示，在转子磁极辨识为南极后，估测转子位置转变后d轴电流的变化。对比来看，本发明中提出的补偿方法可以有效地抑制由于估测转子位置转变带来的电流冲击。