一种泵用永磁同步电机转子初始位置定位方法及装置与流程

1.本发明涉及一种泵用永磁同步电机转子初始位置定位方法及装置，属于水泵、油泵、气泵等泵类负载电机驱动控制技术领域。


背景技术：

2.相比于已经在泵类负载领域得到大规模应用的感应电机，永磁同步电机具有效率高、功率密度高、调速性能好等显著优势。得益于政府日益严格的节能减排要求，将永磁同步电机应用在水泵、油泵正成为行业趋势。工程机械车辆中涵盖液压油泵、刹车气泵、转向助力泵以及带有抢险救援排水功能的水泵，将永磁同步电机加以应用对于提高工程机械车辆的作业时间、工作效率等性能水平具有重要意义。
3.传统的感应电机由于先天结构的优势启动方法比较简单，不存在失步引发启动失败的问题。而对于同步电机来说，逆变驱动装置通过三相线束向永磁同步电机定子绕组通入大小和方向可控的电流矢量，定子绕组线圈会产生定子磁场，定子磁场与转子永磁体磁场若相对角度合理，则会相互作用产生电磁转矩，克服摩擦转矩后向外输出机械转矩，从而实现电机启动。
4.针对永磁同步电机在泵类场合的启动问题，当前较为先进的方案是启动前通过逆变驱动装置向定子绕组注入正弦波、方波等测试电压信号，通过对定子激励电流进行采样并结合电机本体特性解析出转子位置。正式启动后通过逆变驱动装置生成的电流矢量以当前转子位置为初始方向结合运行指令牵引转子运行，此方案性能较好但对电流采样精度要求较高。
5.针对永磁同步电机在泵类场合高可靠性转子定位问题，现有的技术方案是在主控芯片中软件生成正负幅值相等、占空比各为50％的对称高频方波电压信号，该信号通过svpwm调制策略生成三相逆变器桥中功率器件的开关信号，通过三相线束将该高频方波电压施加到电机三相定子绕组。该高频方波电压会在电机定子激励出高频响应电流，由于电机当前转子位置的不同，高频响应电流的特征也会不同。主控芯片通过电流传感器采样得到高频响应电流采样值，然后通过高频响应电流的相位初步判断出转子位置，通过高频响应电流的正负对称性判断转子磁极n-s极性，二者结合得到转子当前位置。
6.由于电流传感器及其信号处理电路包含模拟器件，存在“温漂现象”。环境温度的变化会导致采集到的电流信息与真实电流信息存在偏移误差。成本较低的低精度电流传感器对温漂现象所引起采样误差的抑制和补偿能力较差。而现有技术方案在转子磁极n-s极性判断阶段，电流采样值中的偏移误差会对使主控芯片对高频响应电流的正负对称性产生误判断的可能，导致转子磁极极性判断出错，继而引起转子初始位置定位失败，最终导致启动失败。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种泵用永磁同步电机转子初始
位置定位方法及装置，可有效实现在不增加额外机械传感器的条件下实现永磁同步电机转子初始位置定位。
8.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
9.第一方面，本发明提供了一种泵用永磁同步电机转子初始位置定位方法，包括：
10.获取永磁同步电机在高频电压信号的注入下的高频电流信号；
11.对所述高频电流信号进行第一次信号处理，获取第一高频电流信号；
12.对所述第一高频电流信号进行低通滤波、作差运算以及标幺化处理后，获取转子位置观测误差；
13.将所述转子位置观测误差输入预先构建的转子位置状态观测器，得到转子位置初步观测值；
14.对所述高频电流信号进行第二次信号处理，获取第二高频电流信号；
15.在每个注入周期内，将多个第二高频电流信号进行数值运算，得到单周期饱和电流差值；
16.连续执行若干个注入周期，得到多个单周期饱和电流差值，对其进行累加运算，得到饱和电流差值多周期累加值；
17.通过判断所述饱和电流差值多周期累加值的正负性，得到转子的n-s磁极极性以及极性判断补偿值；
18.将转子位置初步观测值与极性判断补偿值相加，得到转子位置观测值，完成对永磁同步电机转子位置定位。
19.进一步的，所述获取永磁同步电机在高频电压信号的注入下的高频电流信号，包括：
20.向电机旋转观测轴系轴注入高频梯形波电压信号：
[0021][0022]
其中，u
inj
为注入电压信号的幅值，t
inj
为高频信号的注入周期，n为注入信号的周期数；
[0023]
定义永磁同步电机中θe为真实转子磁极角度；为观测转子磁极角度；转子磁极观测误差角，满足
[0024]
将高频电压注入到坐标系下，即
[0025]
[0026]
其中，分别为永磁同步电机观测直轴d轴，观测交轴q轴下注入的高频电压信号；
[0027]
d-q坐标系和坐标系下的电压满足如下关系：
[0028][0029]
其中
[0030][0031]
其中，u
dh
、u
qh
分别为永磁同步电机真实直轴d轴坐标系，真实交轴q轴坐标系下注入的高频电压信号，，t()为坐标变换矩阵；
[0032]
永磁同步电机在高频电压激励信号作用下获得高频电流信号满足：
[0033][0034]
其中，p为微分算子，i
dh
、i
qh
分别为永磁同步电机d-q坐标系下高频电流信号；ld、lq分别为永磁同步电机d-q坐标系下电感参数。
[0035]
进一步的，对所述高频电流信号进行第一次信号处理，获取第一高频电流信号，包括：
[0036]
对所述高频电流信号进行坐标转换，d
m-qm坐标系和d-q坐标系下的电流满足如下关系：
[0037][0038]
其中，分别为d
m-qm坐标系下高频电流信号；
[0039]dm-qm坐标系下包含转子磁极观测误差角的高频电流信号为：
[0040][0041]
其中，l0、l1分别为永磁同步电机平均电感参数：l0＝(ld+lq)/2,l0＝(l
d-lq)/2；
[0042]
接着对坐标转换后的高频电流信号进行取绝对值处理，获取第一高频电流信号。
[0043]
进一步的，对所述第一高频电流信号进行低通滤波、作差运算以及标幺化处理后，获取转子位置观测误差，包括：
[0044]
使用一阶低通滤波器对所述第一高频电流信号进行低通滤波处理，提取出高频电流峰值，公式如下：
[0045][0046]
其中，k为积分过程产生的系数；
[0047]
将所述高频电流峰值进行作差运算，提取到位置误差信号，公式如下：
[0048][0049]
将所述位置误差信号进行标幺化处理，获取转子位置观测误差，具体过程如下：
[0050]
计算高频电流峰值的平方和，公式如下：
[0051][0052]
当观测位置接近真实值，满足：
[0053][0054]
转子位置观测误差表示为：
[0055][0056]
进一步的，将所述转子位置观测误差输入预先构建的转子位置状态观测器，得到转子位置初步观测值，包括：
[0057]
在获取到转子位置观测误差ε后，基于永磁同步电机运动方程，选取转子电角速度ωe、转子电位置θe为状态变量；选取转子电位置θe为输出变量；不考虑电磁转矩与负载转矩的变化，只考虑稳态情况下电磁转矩与负载转矩之差作为系统输入，并且输入为零的情况：
[0058][0059]
构建以θe和ωe为状态变量的状态方程：
[0060][0061]
其中，x为系统状态矢量，x＝[θ
e ωe]
t
；u为系统输入，此系统中假定输入为0；y为系统输入，y＝θe；a为系统矩阵，b为系统输入矩阵，c为系统输出矩阵，c＝[1 0]；
[0062]
构建转子位置状态观测器：
[0063][0064]
其中，为观测器的反馈矩阵；
[0065]
转子位置观测值与转子位置实际值θe的传递函数为
[0066][0067]
其中，s为控制系统中拉普拉斯算子，并且由传递函数分母可以得出，该系统为二阶系统；
[0068]
将该二阶系统设计为阻尼系数ζ为工程上常用的最佳阻尼系数ρ为二阶系统无阻尼振荡频率，将状态观测器的控制参数设计为
[0069][0070]
状态观测器在若干个注入周期后将转子位置初步观测值收敛到转子真实位置。
[0071]
进一步的，所述对所述高频电流信号进行第二次信号处理，获取第二高频电流信号，包括：
[0072]
保持高频梯形波电压信号的持续注入，在时刻进行电流采样并通过坐标变换将三相电流采样值变换到坐标系，得到在时刻进行电流采样并通过坐标变换将三相电流采样值变换到坐标系，得到在时刻进行电流采样并通过坐标变换将三相电流采样值变换到坐标系，得到在t＝(n+1)t
inj
时刻进行电流采样并通过坐标变换将三相电流采样值变换到坐标系，得到
[0073]
进一步的，通过判断所述饱和电流差值多周期累加值的正负性，得到转子的n-s磁极极性以及极性判断补偿值，包括：
[0074]
判断多周期累加值正负性，若大于零，则判断观测位置收敛至转子磁极n极，极性判断补偿值θ
cmp
为零；若小于零，则判断观测位置收敛至转子磁极s极，极性判断补偿值θ
cmp
为180
°
。
[0075]
第二方面，本发明提供一种泵用永磁同步电机转子初始位置定位装置，包括：
[0076]
高频电流信号，用于获取永磁同步电机在高频电压信号的注入下的高频电流信号；
[0077]
信号处理单元，用于对所述高频电流信号进行第一次信号处理，获取第一高频电流信号；
[0078]
转子位置观测误差获取单元，用于对所述第一高频电流信号进行低通滤波、作差运算以及标幺化处理后，获取转子位置观测误差；
[0079]
转子位置初步观测值获取单元，用于将所述转子位置观测误差输入预先构建的转子位置状态观测器，得到转子位置初步观测值；
[0080]
第二高频电流信号获取单元，用于对所述高频电流信号进行第二次信号处理，获取第二高频电流信号；
[0081]
数值运算单元，用于在每个注入周期内，将多个第二高频电流信号进行数值运算，得到单周期饱和电流差值；
[0082]
累加运算单元，用于在连续执行若干个注入周期，得到多个单周期饱和电流差值，对其进行累加运算，得到饱和电流差值多周期累加值；
[0083]
判断单元，用于通过判断所述饱和电流差值多周期累加值的正负性，得到转子的n-s磁极极性以及极性判断补偿值；
[0084]
位置定位单元，用于将转子位置初步观测值与极性判断补偿值相加，得到转子位置观测值，完成对永磁同步电机转子位置定位。
[0085]
第三方面，本发明提供一种泵用永磁同步电机转子初始位置定位装置，包括处理器及存储介质；
[0086]
所述存储介质用于存储指令；
[0087]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据前述任一项所述方法的步骤。
[0088]
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述任一项所述方法的步骤。
[0089]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0090]
本发明提供一种泵用永磁同步电机转子初始位置定位方法及装置，无需使用机械式位置传感器和高精度电流传感器，可在使用低精度电流传感器的条件下实现对永磁同步电机转子位置的定位，为电机执行启动提供转子初始位置信息。相比于传统脉冲信号注入、方波信号注入，本发明所采用的阶梯波信号注入，在利用铁心饱和特性进行转子n-s极性辨识上，可以实现对电流采样偏移误差对饱和电流差值的干扰进行消除，大大提高了n-s极性辨识的准确率；对应用在无机械式位置传感器和低精度电流传感器的泵类负载场合，该方法可以实现对永磁同步电机转子初始位置进行定位。
附图说明
[0091]
图1是本发明实施例提供的电机坐标系示意图；
[0092]
图2是本发明实施例提供的一种泵用永磁同步电机转子初始位置定位方法的整体框图；
[0093]
图3是本发明实施例提供的位置误差信号提取电流信号处理流程示意图；
[0094]
图4是本发明实施例提供的位置观测器信号处理流程示意图。
具体实施方式
[0095]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0096]
实施例1
[0097]
本实施例介绍一种泵用永磁同步电机转子初始位置定位方法，包括：
[0098]
获取永磁同步电机在高频电压信号的注入下的高频电流信号；
[0099]
对所述高频电流信号进行第一次信号处理，获取第一高频电流信号；
[0100]
对所述第一高频电流信号进行低通滤波、作差运算以及标幺化处理后，获取转子位置观测误差；
[0101]
将所述转子位置观测误差输入预先构建的转子位置状态观测器，得到转子位置初步观测值；
[0102]
对所述高频电流信号进行第二次信号处理，获取第二高频电流信号；
[0103]
在每个注入周期内，将多个第二高频电流信号进行数值运算，得到单周期饱和电流差值；
[0104]
连续执行若干个注入周期，得到多个单周期饱和电流差值，对其进行累加运算，得到饱和电流差值多周期累加值；
[0105]
通过判断所述饱和电流差值多周期累加值的正负性，得到转子的n-s磁极极性以及极性判断补偿值；
[0106]
将转子位置初步观测值与极性判断补偿值相加，得到转子位置观测值，完成对永磁同步电机转子位置定位。
[0107]
如图1至图4所示，图1为本发明中作涉及的电机坐标系示意图包含了静止轴系，d-q轴系，轴系(观测轴系)和d
m-qm轴系(测量轴系)的相位关系。其中测量轴系滞后于观测轴系45
°
，其中θe为真实转子磁极角度；为观测转子磁极角度；转子磁极观测误差角，满足
[0108]
图2为本发明的整体框图；图中，为观测轴系下电压指令值；为静止轴系下电压指令值，ia、ib为电机电流采样值，iα、iβ为静止轴系下电流值；ε为提取到的位置观测误差，为转子位置初步观测值，θ
cmp
为极性判断补偿值。
[0109]
图3为位置误差信号提取电流信号处理流程。其中ia、ib为电机电流采样值，iα、iβ为静止轴系下电流值；为观测轴系下电流值，|
·
|为绝对值运算示意，lpf为低通滤波器，为观测轴系下电流峰值,
÷
为除法运算。
[0110]
图4为位置观测器信号处理流程，kp为比例运算系数，ki为积分运算系数。
[0111]
本实施例提供的泵用永磁同步电机转子初始位置定位方法，其应用过程具体涉及如下步骤：
[0112]
步骤一：在永磁同步电机启动前，通过主控芯片生成高频阶梯波电压检测信号注入到电机旋转观测轴系轴；基于永磁同步电机旋转观测坐标系下高频数学模型针对高频电流采样值进行坐标变换等、取绝对值、低通滤波处理、标幺化、观测器追踪位置等一系
列信号处理，得到转子位置初步信息；
[0113]
步骤二：保持高频信号的持续注入，结合永磁同步电机定子饱和非线性特性，对高频电流进行作差、累加运算。通过累加值的正负来判断转子位置初步信息与转子实际位置偏差值是否为180
°
，然后对其进行补偿，完成对转子n-s磁极的辨识，完成对转子初始位置的定位。
[0114]
进一步地，所述步骤一在永磁同步电机启动前，通过主控芯片生成高频阶梯波电压检测信号并对高频电流采样值进行信号处理得到转子位置初步信息具体为：
[0115]
向电机旋转观测轴系轴注入高频梯形波电压信号：
[0116][0117]
其中u
inj
为注入电压信号的幅值，t
inj
为高频信号的注入周期，n为注入信号的周期数。
[0118]
定义永磁同步电机中θe为真实转子磁极角度；为观测转子磁极角度；转子磁极观测误差角，满足
[0119]
将高频电压注入到坐标系下，即
[0120][0121]
其中，分别为永磁同步电机观测直轴d轴，观测交轴q轴下注入的高频电压信号；
[0122]
d-q坐标系和坐标系下的电压满足如下关系
[0123][0124]
其中
[0125][0126]
其中，u
dh
、u
qh
分别为永磁同步电机真实直轴d轴坐标系，真实交轴q轴坐标系下注入的高频电压信号，t()为坐标变换矩阵；
[0127]
并且，永磁同步电机在高频电压激励信号作用下的高频电流响应信号满足
[0128][0129]
其中，p为微分算子，i
dh
、i
qh
分别为永磁同步电机d-q坐标系下高频电流信号；ld、lq分别为永磁同步电机d-q坐标系下电感参数；
[0130]
同样地，d
m-qm坐标系和d-q坐标系下的电流满足如下关系
[0131][0132]
其中，分别为d
m-qm坐标系下高频电流信号；
[0133]dm-qm坐标系下包含转子磁极观测误差角的高频电流信号为：
[0134][0135]
其中，l0、l1分别为永磁同步电机平均电感参数：l0＝(ld+lq)/2,l0＝(l
d-lq)/2；
[0136]
接着对该高频电流进行取绝对值处理；
[0137]
下一步为使用一阶低通滤波器对该信号进行低通滤波处理，提取出高频电流峰值
[0138][0139]
其中，k为积分过程产生的系数；
[0140]
将其进行作差运算，提取到位置误差信号
[0141][0142]
进一步，将其进行标幺化处理，以提高对注入电压幅值和周期的鲁棒性。
[0143]
高频电流峰值的平方和为
[0144][0145]
当观测位置接近真实值，满足
[0146][0147]
位置误差可以表示为
[0148][0149]
在获取到位置观测误差ε后，基于永磁同步电机运动方程，选取转子电角速度ωe、转子电位置θe为状态变量；选取转子电位置θe为输出变量；并不考虑电磁转矩与负载转矩的变化，即只考虑稳态情况下电磁转矩与负载转矩之差作为系统输入，并且输入为零的情况：
[0150][0151]
构建以θe和ωe为状态变量的状态方程
[0152][0153]
其中，x为系统状态矢量，x＝[θ
e ωe]
t
；u为系统输入，此系统中假定输入为0；y为系统输入，y＝θe；a为系统矩阵，b为系统输入矩阵，c为系统输出矩阵，c＝[1 0]。
[0154]
构建转子位置状态观测器：
[0155][0156]
其中，为观测器的反馈矩阵。
[0157]
转子位置观测值与转子位置实际值θe的传递函数为
[0158][0159]
其中，s为控制系统中拉普拉斯算子，并且由传递函数分母可以得出，该系统为二阶系统；
[0160]
为了使系统在较好的稳定性、较快的响应速度间取得平衡，将该二阶系统设计为阻尼系数ζ为工程上常用的最佳阻尼系数ρ为二阶系统无阻尼振荡频率。将状态观测器的控制参数设计为
[0161][0162]
状态观测器在若干个注入周期后将转子位置初步观测值收敛到转子真实位置，但无法区分n-s极性。
[0163]
所述步骤二，保持(1)中高频梯形波电压信号的持续注入，在时刻进行电流采样并通过坐标变换将三相电流采样值变换到坐标系，得到在时刻进行电流采样并通过坐标变换将三相电流采样值变换到坐标系，得到在时刻进行电流采样并通过坐标变换将三相电流采样值变换到坐标系，得到在t＝(n+1)t
inj
时刻进行电流采样并通过坐标变换将三相电流采样值变换到坐标系，得到
[0164]
进一步地，将每个注入周期内的四次电流采样值进行数值运算，得到单周期饱和电流差值ik：
[0165][0166]
连续执行若干个注入周期，得到i1、i2、i3……
ik；将i1、i2、i3……
ik进行累加，得到饱和电流差值多周期累加值σi。
[0167]
进一步，判断多周期累加值σi正负性，若大于零，则判断步骤一观测位置收敛至转子磁极n极，极性判断补偿值θ
cmp
为零；若小于零，则判断步骤一观测位置收敛至转子磁极s极，极性判断补偿值θ
cmp
为180
°
。
[0168]
最后，将转子位置初步观测值与极性判断补偿值θ
cmp
相加，得到转子位置观测值完成对永磁同步电机转子位置定位。
[0169]
本发明技术方案带来的有益效果
[0170]
本发明方法无需使用机械式位置传感器和高精度电流传感器，可在使用低精度电流传感器的条件下实现对永磁同步电机转子位置的定位，为电机执行启动提供转子初始位置信息。相比于传统脉冲信号注入、方波信号注入，本发明所采用的阶梯波信号注入，在利用铁心饱和特性进行转子n-s极性辨识上，可以实现对电流采样偏移误差对饱和电流差值的干扰进行消除，大大提高了n-s极性辨识的准确率；对应用在无机械式位置传感器和低精度电流传感器的泵类负载场合，该方法可以实现对永磁同步电机转子初始位置进行定位。
[0171]
实施例2
[0172]
本实施例提供一种泵用永磁同步电机转子初始位置定位装置，包括：
[0173]
高频电流信号，用于获取永磁同步电机在高频电压信号的注入下的高频电流信号；
[0174]
信号处理单元，用于对所述高频电流信号进行第一次信号处理，获取第一高频电流信号；
[0175]
转子位置观测误差获取单元，用于对所述第一高频电流信号进行低通滤波、作差运算以及标幺化处理后，获取转子位置观测误差；
[0176]
转子位置初步观测值获取单元，用于将所述转子位置观测误差输入预先构建的转子位置状态观测器，得到转子位置初步观测值；
[0177]
第二高频电流信号获取单元，用于对所述高频电流信号进行第二次信号处理，获取第二高频电流信号；
[0178]
数值运算单元，用于在每个注入周期内，将多个第二高频电流信号进行数值运算，得到单周期饱和电流差值；
[0179]
累加运算单元，用于在连续执行若干个注入周期，得到多个单周期饱和电流差值，对其进行累加运算，得到饱和电流差值多周期累加值；
[0180]
判断单元，用于通过判断所述饱和电流差值多周期累加值的正负性，得到转子的n-s磁极极性以及极性判断补偿值；
[0181]
位置定位单元，用于将转子位置初步观测值与极性判断补偿值相加，得到转子位置观测值，完成对永磁同步电机转子位置定位。
[0182]
实施例3
[0183]
本实施例提供一种泵用永磁同步电机转子初始位置定位装置，包括处理器及存储介质；
[0184]
所述存储介质用于存储指令；
[0185]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1中任一项所述方法的步骤。
[0186]
实施例4
[0187]
本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例1中任一项所述方法的步骤。
[0188]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。