一种采用方波注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机控制领域，涉及一种基于方波信号注入的适用于低速（零速）永 磁同步电机无位置传感器控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，永磁同步电机调速系统逐渐成为交流调速传动领域的研究热点。究其原 因，与传统的异步电机相比，永磁同步电机的优点在于：结构简单、体积小、重量轻、运行可 靠、功率密度高、调速性能好等，永磁同步电机已成为变频调速电气传动系统的理想选择， 其应用领域十分广泛。按照永磁同步电机转子永磁体结构的不同，可以分为表贴式和内置 式两种。
[0003] 目前，在高性能永磁同步电机调速系统应用中，通常需要在电机轴端部安装光电 编码器、旋转变压器或者霍尔传感器等机械位置检测元件来获取转子磁极位置信息，然而 位置传感器的安装带来系统成本增加、体积增大、可靠性降低诸多问题，并且限制了永磁同 步电机的应用场合。因此，研究低成本、强鲁棒性无位置传感器永磁同步电机控制方法，成 了交流电机控制技术领域中的研究热点。
[0004] 按照永磁同步电机无位置传感器技术的适用范围，通常将其分成两类：一类是适 用于中高速的无位置传感器技术，另一类是适用于低速（零速）的无位置传感器技术，分别 是根据电机基频数学模型和凸极结构特性来实现的。适用于中高速的永磁同步电机无位置 传感器技术通过基频激励的反电动势或者磁链模型来观测转子位置/速度信息，称之为模 型法。适用于低速（零速）的无位置传感器技术通常需要注入高频辅助信号，通过采样高 频响应进行信号处理进而实现转子位置观测，成为目前永磁同步电机无位置传感器控制低 速（零速）运行的有效解决方案。
[0005] 然而，传统的正弦信号注入形式对注入信号频率要求较高，尤其在大功率变频器 载波频率较低的条件下由于注入频率与运行频率频差较小导致位置偏差信号提取困难。此 外，传统的适用于低速（零速）无位置传感器运行的高频辅助信号注入方法，通常需要采用 滤波器实现高频响应信号和基频信号分离、位置误差信号提取，进而限制了永磁同步电机 无位置传感器控制系统的动态性能。因此，对于永磁同步电机无位置传感器控制系统，针 对方波信号注入形式，简化信号处理过程、取消滤波器作用，对提高其动态响应能力至关重 要。
【发明内容】
[0006] 本发明目的是为了解决现有适用于低速（零速）的永磁同步电机无位置传感器控 制技术，在信号处理过程需要采用滤波器，系统动态性能较差等问题，提供一种采用方波注 入的永磁同步电机无位置传感器控制方法。
[0007] -种采用方波注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，该方法 包括以下步骤：
[0008] 步骤一、基于永磁同步电机高频数学模型，在控制轴系d轴注入方波电压信号，并 提取控制轴系下高频电流响应信号和基频信号；
[0009] 步骤一所述的提取控制轴系下高频电流响应信号和基频信号，该提取过程无需使 用滤波器，提取过程为：
[0010]步骤一一、通过Park变换将采样得到的三相电流ia，ib，i。变换到控制轴系下，得 到控制轴系下电流信号id，iq，其中，|为位置观测值；其过程为：
[0012] 步骤一二、通过作差处理得到控制轴系下高频电流响应信号idh(k)，iqh(k)，其中， k为米样时刻；其过程为：
[0014] 步骤一三、通过求和处理得到控制轴系下基频信号idl (k)，iql (k)，其过程为：
[0016] 步骤二、采用坐标变换将控制轴系下高频电流响应信号变换到观测轴系，通过信 号处理得到位置偏差信号；
[0017] 步骤二所述的采用坐标变换将控制轴系下高频电流响应信号变换到观测轴系，通 过信号处理得到位置偏差信号，该提取过程无需引入低通滤波器，提取过程如下：
[0018] 步骤二一、通过Park变换将控制轴系下高频电流响应信号idh(k)，iqh(k)，变换到 滞后控制轴系45°电角度的观测轴系下得到G，/$，其具体过程为：
[0020] 步骤二二、通过差分处理得到位置偏差信号εe，其具体过程为：
[0022] 步骤三、通过基于机械模型的Luenberger观测器获得转子位置观测值。
[0023] 步骤三所述的通过基于机械模型的Luenberger观测器获得转子位置观测值，其 中，基于机械模型的Luenberger观测器实现无相位滞后，转速提取无需低通滤波器。
[0024] 有益效果：本发明采用的基于方波信号注入的永磁同步电机低速（零速）无位置 传感器控制技术，信号处理方法简单易行、可靠实用，无需采用滤波器，提高了永磁同步电 机无位置传感器控制系统动态性能；可以广泛地应用到永磁同步电机控制系统中，不需要 额外硬件开销，可以获得较好的控制性能。
[0025] 本发明提供了一种基于方波信号注入的转子位置观测方法，其信号处理过程无需 采用滤波器，能够有效提高永磁同步电机无位置控制系统低速（零速）动态响应能力。本 发明适用于永磁同步电机无位置传感器控制。
【附图说明】
[0026] 图1是一种采用方波注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法的原理框图；
[0027] 图2是注入电压和响应电流示意图；
[0028] 图3是控制轴系高频电流响应信号和基频信号分离框图；
[0029] 图4是位置偏差信号提取过程框图；
[0030] 图5是基于机械模型的Luenberger转子位置观测器原理框图；
[0031] 图6是一种采用方波信号注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法中涉及的 坐标系关系不意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0032] 一、参照图1至图6具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种采 用方波注入的永磁同步电机无位置传感器控制方法，该方法包括以下步骤：
[0033] 步骤一、基于永磁同步电机高频数学模型，在控制轴系d轴注入方波电压信号，并 提取控制轴系下高频电流响应信号和基频信号，具体方法如下：
[0034] 步骤--、基于永磁同步电机高频数学模型，在控制轴系d轴注入频率为fs= 1/ Ts、幅值为的方波电压信号<，
[0035] 按照公式（1)进行Park变换可得到控制轴系下电流信号id，iq，其中，I为位置观 测值；
[0037] 步骤一二、按照公式（2)通过作差处理得到控制轴系下高频电流