一种永磁同步电机低速区域转子位置估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种永磁同步电机低速区域转子位置估计方法，属于电机控制技术领 域。
【背景技术】
[0002] 对于永磁同步电机低速区域转子位置估计的方法，由于低转速下电机反电势较 小，基于反电势观测的转子位置估计方法不再适用，目前一般都是采用信号注入的方式跟 踪电机的凸极特性，实现转子位置估计，其中研宄较多的是高频信号注入法。
[0003] 刘颖、周波、李帅等在中国电机工程学报上发表的《转子磁钢表贴式永磁同步电机 转子初始位置检测》，在估计转子同步旋转坐标系的d轴注入高频正弦电压信号，检测q轴 高频电流响应并建立位置估计闭环得到估计转子位置。该方法在低速区域能有效检测电机 转子位置，但系统的稳定性受电阻变化的影响，且高频信号是以开环形式注入的，实际注入 的高频信号受逆变器死区效应等因素的影响会产生一定畸变。刘颖、周波、赵承亮等在中 国电工技术学报上发表的《基于脉振高频电流注入SPMSM低速无位置传感器控制》，首次采 用脉振高频电流注入法实现SPMSM转子位置估计，以闭环形式在d轴注入高频正弦电流信 号，从q轴电压响应中提取位置估计误差信息，建立闭环系统得到估计转子位置。采用该方 法可以保证系统的稳定性不受电阻变化的影响，但由于它是从q轴电压响应中提取位置估 计误差信息，该电压响应是电流调节器直接输出的结果，在动态调节过程中，该信号突变较 大，使有效信号中包含较多的干扰，降低了信噪比。
[0004] 如何既能以闭环方式注入高频信号保证系统的稳定性，又能显著降低系统在动态 调节过程中对有效信号产生的干扰，提高信噪比，这是一个有待解决的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种永磁同步电机低速区域转子位置估计方 法，既能以闭环方式注入高频信号来保证系统的稳定性，又能显著降低系统在动态调节过 程中对有效信号产生的干扰，提高信噪比。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0007] 一种永磁同步电机低速区域转子位置估计方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤1，给定注入d轴的脉振高频电流信号的频率；
[0009] 步骤2,利用矢量控制方式对永磁同步电机进行转速、dq轴电流双闭环控制，且转 速环、q轴电流环均利用比例积分调节器进行控制，d轴电流环利用比例积分-谐振调节器 进行控制；设置转速环比例积分调节器的带宽小于dq轴电流环比例积分调节器的带宽，dq 轴电流环比例积分调节器的带宽小于步骤1所述信号的频率，d轴电流环谐振调节器的谐 振频率等于步骤1所述信号的频率；
[0010] 步骤3,在d轴注入步骤1给定频率的脉振高频电流信号，从q轴电流响应的高频 分量中提取转子位置估计误差信号，利用位置估计环比例积分调节器将该误差信号调节到 0,得到估计转子角速度，再对估计转子角速度进行积分得到估计转子位置。
[0011] 优选的，步骤3所述得到估计转子位置的具体步骤为：
[0012] 步骤31，给定d轴电流、q轴电流和转子角速度，其中，d轴电流给定值为0,且在给 定d轴电流处叠加步骤1所述脉振高频电流信号；
[0013] 步骤32,利用比例积分-谐振调节器对d轴电流进行控制，使估计d轴电流与步 骤31叠加的脉振高频电流信号一致；利用比例积分调节器对估计q轴电流进行控制，使估 计q轴电流与给定q轴电流一致；
[0014] 步骤33,对d轴比例积分-谐振调节器输出的电压和q轴比例积分调节器输出的 电压分别进行Park逆变换，对Park逆变换后得到的电压进行空间矢量脉宽调制，得到三相 逆变器的六路开关信号，驱动永磁同步电机；
[0015] 步骤34,检测永磁同步电机三相绕组中的任意两相电流，对任意两相电流依次进 行Clarke变换和Park变换后，得到估计转子同步旋转坐标系下的估计d轴电流和估计q 轴电流，将估计d轴电流反馈至d轴电流比例积分-谐振调节器的输入端，估计q轴电流反 馈至q轴电流比例积分调节器的输入端；
[0016] 步骤35,将估计转子同步旋转坐标系下的估计q轴电流经带通滤波器选出估计q 轴电流的高频响应分量，再与余弦信号cos(uht)相乘进行调制后经过低通滤波器滤除交 流分量提取直流分量，得到位置估计误差信号，其中，t为当前时刻；
[0017] 步骤36,将位置估计误差信号作为位置估计环比例积分调节器的输入，得到估计 转子角速度，对估计转子角速度进行积分得到估计转子位置，且q轴电流给定值由步骤31 给定转子角速度与估计转子角速度的差经转速环比例积分调节器获得；
[0018] 步骤37,重复步骤31至步骤36,直至位置估计误差信号等于0。
[0019] 优选的，步骤35所述位置估计误差信号f(A0 )的表达式为：
[0020]
[0021] 其中，为在d轴注入的脉振高频电流信号的角频率，L,为d轴电感，Lq为q轴
为位置估计误差。
[0022] 优选的，步骤35所述带通滤波器的型号为BF3216B2R4DAAT。
[0023] 优选的，步骤35所述低通滤波器的型号为YB21D4-20A-S。
[0024] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0025] 1、本发明提出了一种新型脉振高频电流注入法实现永磁同步电机低速区域转子 位置估计，在转速、电流双闭环矢量控制的基础上对d轴电流调节器添加了谐振调节器以 快速跟踪高频给定电流信号，将电流环PI调节器的带宽设置在小于所注入的高频信号的 频率处，保证q轴电压不包含高频分量。
[0026] 2、本发明以闭环方式在d轴注入一个脉振高频电流信号，从q轴电流响应的高频 分量中提取转子位置估计误差信号，建立闭环系统将该误差信号调节到〇,实现转子位置估 计。由于电机为感性负载，q轴电流响应是一个连续变化量，不产生突变，因此能显著减小 系统在动态调节过程中对有效信号的干扰。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明永磁同步电机低速区域转子位置估计过程的原理框图。
[0028]图2是本发明两相静止坐标系、实际两相同步旋转坐标系与估计两相同步旋转坐 标系的相对关系不意图。
[0029] 图3是本发明转子位置估计的信号提取与调制过程的原理框图。
[0030]图4是本发明实验测得的转子位置估计误差信号f(A0)与转子位置估计误差A0的对应关系图。
[0031]图5是本发明实现的永磁同步电机低速区域转子位置估计的稳态实验波形图，其 中给定转速为〇.lr/min，约为电机额定转速3000r/min的0. 0033%。
[0032] 图6是本发明实现的永磁同步电机低速区域转子位置估计的给定转速阶跃过程 的动态实验波形图，其中给定转速从-lOOr/min阶跃到100r/min。
【具体实施方式】
[0033] 下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始 至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参 考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0034] 如图1所示，本发明提供一种永磁同步电机低速区域转子位置估计方法，具体包 括以下步骤：
[0035] 步骤1，建立坐标系关系图，如图2所示，d_q为实际同步旋转坐标系，i为估计 转子同步旋转坐标系，a-0为实际两相静止坐标系，并且定义估计位置误差= 其中，0为实际转子位置，^为估计转子位置，^的初始值为〇。
[0036] 步骤2,如图1所示，在给定d轴电流id_raf#叠加一个脉振高频电流信号 InfcCos(Oht)。其中，Infc为在d轴注入高频电流的幅值，《h为在d轴注入高频电流的角频 率，t表示当前时刻。
[0037] 步骤3,d轴电流环采用PI-R调节器对估计d轴