一种减小永磁同步电机转子位置和转速估计误差的方法
【专利摘要】本发明公开了一种减小永磁同步电机转子位置和转速估计误差的方法，在永磁同步电机无位置传感器控制中，由于逆变器开关管开通关断延时和死区作用、数字控制器的离散化控制、电机参数不对称等各种非理想因素的存在，转子估计位置和估计转速中存在一些周期性变化的误差分量，这些误差使得无位置传感器控制性能变差，甚至当误差较大时，系统不能正常运行。本发明提出了一个由1个比例环节和2个积分环节构成的误差抑制模块，在基于脉振高频电压注入法的永磁同步电机无位置传感器控制系统中采用至少一个误差抑制模块来减小转子位置和转速估计误差，仅需增加很少的计算量就能显著减小估计误差，改善系统的控制性能，具有较大的实际应用价值。
【专利说明】
-种减小永磁同步电机转子位置和转速估计误差的方法
技术领域
[0001] 本发明设及电机控制领域，尤其设及一种减小永磁同步电机转子位置和转速估计 误差的方法。
【背景技术】
[0002] 永磁同步电机无位置传感器控制因为不包含机械式位置传感器，可显著降低系统 的体积重量和成本，很多学者对其进行了研究。
[0003] J . Η. Jang , S . K . Sul , J . I . Ha , "Sensorless Drive of Surface-Mounted Permanent-Magnet Motor by High-Frequency Signal Injection Based on Magnetic Saliency，''IEEE Transactions on Industry Applications ,vol. 39 ,no . 4,pp. 1031- 1039,2003.首次提出脉振高频电压注入法并将其应用到表贴式永磁同步电机无位置传感 器控制中，该研究在d轴注入脉振高频电压信号，对q轴电流进行带通滤波得到高频响应分 量，再用一个同频率的正弦调制信号与其相乘，最后经过低通滤波得到转子位置估计误差 信号，构建闭环将该误差信号调节到零实现转子位置估计。该方法受电机参数影响小，实现 简单，但受各种非理想因素的影响，该方法所得到的估计位置和转速存在一定的误差。
[0004] 目前减小永磁同步电机无位置传感器控制中的转子位置和转速估计误差的相关 研究很少，刘海东，周波，郭鸿浩，刘兵等.脉振高频信号注入法误差分析[J].电工技术学 报，2015,30(6) :38-44.分析了永磁同步电机系统各参数对脉振高频信号注入法位置估计 误差的影响，但没有给出减小误差的具体方法。实际上在永磁同步电机无位置传感器控制 中，由于逆变器开关管开通关断延时和死区作用、数字控制器的离散化控制、电机参数不对 称等各种非理想因素的存在，转子估计位置和估计转速中存在一些周期性变化的误差分 量，运些误差使得无位置传感器控制性能变差，甚至当误差较大时，系统不能正常运行。因 此有关减小转子位置和转速估计误差的研究对永磁同步电机无位置传感器的实际应用具 有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对【背景技术】中所设及到的问题，提出一种减小永 磁同步电机转子位置和转速估计误差的方法。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用W下技术方案：
[0007] -种减小永磁同步电机转子位置和转速估计误差的方法，包含W下步骤：
[000引步骤1)，建立误差抑制模块，所述误差抑制模块包含1个比例环节和2个积分环节， 具体构成如下：
[0009] 1)，输入包含X和ω。，输出包含Y和ε，其中X为待处理的信号，ω。为待抑制信号的角 频率，Υ为输入信号X中角频率为ω。的分量，ε为输入信号X中消除角频率为ω。的分量后的剩 余分量；
[0010] 2)，Χ和Υ的差构成了信号节点ε ;
[0011] 3)，ε经过比例环节乘W系数k构成了信号节点a;
[0012] 4)，Υ经过其中一个积分环节1/s后，再与ω。相乘，构成了信号节点b;
[0013] 5)，日和6的差构成了信号节点(3;
[0014] 6)，c和ω。相乘后，再经过另一个积分环节1/s，构成了信号节点Y;
[0015] 步骤2)，在基于脉振高频电压注入法的永磁同步电机无位置传感器控制中，将系 统中的位置估计误差函数经过至少一个所述误差抑制模块进行处理，消除其中与位置估计 误差不相关的频率分量，然后再参与系统控制，从而减小转子位置和转速估计误差。
[0016] 作为本发明一种减小永磁同步电机转子位置和转速估计误差的方法进一步的优 化方案，所述步骤2的具体步骤如下：
[0017] 步骤2.1)，根据给定角速度和估计角速度获取估计交轴电流参考值；
[001引步骤2.2)，获取估计直轴和交轴电压参考值；
[0019] 步骤2.3)，在直轴叠加高频电压，采用SVPWM调制驱动电机；
[0020]步骤2.4)，检测相电流，经坐标变换得到估计交轴电流；
[0021 ]步骤2.5)，获取转子位置估计误差函数；
[0022] 步骤2.6)，采用至少一个所述误差抑制模块对转子位置估计误差函数进行处理， 获取处理后的转子位置估计误差函数；
[0023] 步骤2.7)，根据处理后的转子位置估计误差函数获取转子估计位置和估计角速 度；
[0024] 步骤2.8)，重复步骤2.1)-步骤2.7)。
[0025] 作为本发明一种减小永磁同步电机转子位置和转速估计误差的方法进一步的优 化方案，所述k取0.1。
[0026] 本发明采用W上技术方案与现有技术相比，具有W下技术效果：
[0027] 1.首先提出一个由1个比例环节和2个积分环节构成的误差消除模块，该模块仅需 很少的计算量就能明显抑制输入信号中的特定频率分量，且需抑制信号的频率可主动设 定，便于调整W达到最佳抑制效果；
[0028] 2.将该误差消除模块应用到基于脉振高频电压注入法的无位置传感器控制中，对 系统位置估计误差函数中与位置估计误差无关的误差分量进行消除，且可采用多个误差消 除模块串联的方式消除不同频率的误差分量；
[0029] 3.显著减小了转子位置和转速的估计误差，采用本专利所提的误差抑制方法后， 转子位置估计误差的最大值从0.35rad减小到了0.12rad，转速估计误差的最大值从40r/ min减小到了 Sr/min，改善了无位置传感器控制的性能。
【附图说明】
[0030] 图1为误差抑制模块的信号处理框图；
[0031] 图2为引入误差抑制模块的永磁同步电机无位置传感器控制框图；
[0032] 图3为具体实施流程图；
[0033] 图4(a)为给定转速60r/min稳定运行时，对应误差抑制前转子位置、位置估计误 差、转速和转速估计误差的实验波形；
[0034] 图4(b)为给定转速60r/min稳定运行时，对应误差抑制后转子位置、位置估计误 差、转速和转速估计误差的实验波形；
[0035] 图5(a)为对应误差抑制前位置估计误差的频率分布；
[0036] 图5(b)为对应误差抑制后位置估计误差的频率分布；
[0037] 图6(a)为对应误差抑制前转速估计误差的频率分布；
[0038] 图6(b)为对应误差抑制后转速估计误差的频率分布。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0040] 如图3所示，本发明公开了一种减小永磁同步电机转子位置和转速估计误差的方 法，包含W下步骤：
[0041 ]步骤1 )，如图1所示，构建误差抑制模块，所述误差抑制模块包含1个比例环节和2 个积分环节，具体构成如下：
[0042] 1)，输入包含X和ω。，输出包含Y和ε，其中X为待处理的信号，ω。为待抑制信号的角 频率，Υ为输入信号X中角频率为ω。的分量，ε为输入信号X中消除角频率为ω。的分量后的剩 余分量；
[0043] 2)，Χ和Υ的差构成了信号节点ε;
[0044] 3)，ε经过比例环节乘W系数k构成了信号节点a,其中系数k取值越小，对特定频率 信号的抑制效果越好，但带宽也越窄，运里k取0.1;
[0045] 4)，Υ经过其中一个积分环节1/s后，再与ω。相乘，构成了信号节点b;
[0046] 5)，日和6的差构成了信号节点(3;
[0047] 6)，c和ω。相乘后，再经过另一个积分环节1/s，构成了信号节点Y。
[0048] 步骤2)，如图2所示，在基于脉振高频电压注入法的永磁同步电机无位置传感器控 制中，将系统中的位置估计误差函数经过至少一个所述误差抑制模块进行处理，消除其中 与位置估计误差不相关的频率分量，然后再参与系统控制。
[0049] 步骤2.1)，将给定角速度Wref和估计角速度4作差，输入给PI调节器得到估计交 轴电流参考值将估计直轴电流参考值设为0，其中新的初始值为0;
[0化0] 步骤2.2)，将Ie/与估计直轴电流作差输入给PI调节器，其输出为估计直轴电压 参考值餐，将if与估计交轴电流ζ作差输入给PI调节器，其输出为估计交轴电压参考值; [0化1] 步骤2.3)，将估计直轴电压参考值宿d叠加一个高频电压信号Umh cos( Wht)，构成 新的估计直轴电压参考值爲+(/,,,& cos(巧Ο，估计交轴电压参考值为lig，再根据估计转子位置 苗进行化rk逆变换(Park-1)，，得到ua和ue，再采用空间矢量脉宽调制策略(SVPWM)，得到逆变 器6个开关管的驱动状态S。逆变器直流侧所加的电压为Ud。。其中t表示时间，Umh表示注入高 频电压信号的幅值，一般取5-30V，运里取15V，Oh表示注入高频电压信号的角频率，一般取 100031-4000町ad/s，运里取2000町ad/s，訓勺初始值为0;Udc-般由电机的额定值确定，本系 统中其值为310V;
[0052] 步骤2.4)，检测永磁同步电机PMSM中的两相电流，如iA和iB，对其进行Clarke变换 得到ia和ie，再根据知?其进行化rk变换得到i和ζ:;
[0化3]步骤2.5)，采用一个选通角频率在Oh附近的带通滤波器BPF对估计交轴电流ξ进 行滤波，得到估计交轴电流的高频分量ζ,，将其与2sin( wht)相乘，再经过一个低通滤波器 LPF得到转子位置估计误差函数f ( Δ Θ);
[0054]步骤2.6)，运里选择两个误差抑制模块，将得到的?·(ΔΘ)送入第一个误差抑制模 块的X输入端，将2 ω e送入第一个误差抑制模块的ω。输入端，将第一个误差抑制模块的ε输 出端送入第二个误差抑制模块的X输入端，将3 ω e送入第二个误差抑制模块的ω。输入端，第 二个误差抑制模块的ε输出端即为处理后的位置估计误差函数fc( Δ Θ)，其中COe为电角速 度，运里选择消除转子位置估计误差函数中频率为和3〇e的误差分量；
[0化日]步骤2.7)，将fc(A0)作为PI调节器的输入，PI调节器的输出为估计角速度4,再 经过I积分器得到转子估计位置房;^
[0056] 步骤2.8)，重复步骤2.1)-步骤2.7)。
[0057] 在一台额定功率1.5kW的SPMSM上对本专利所提的减小永磁同步电机转子位置和 转速估计误差的方法进行了实验验证。如图4所示，电机的给定转速为eOr/min，所加负载转 矩为额定值5Nm。图4(a)为误差抑制前的转子位置、位置估计误差、转速和转速估计误差的 实验波形；图4(b)为误差抑制后的转子位置、位置估计误差、转速和转速估计误差的实验波 形。采用该误差抑制方法前，转子位置估计误差的最大值约为〇.35rad，转速估计误差的最 大值约为40r/min;采用该补偿方法后，转子位置估计误差的最大值减小为0.12rad，转速估 计误差的最大值减小为Sr/m i η。
[0058] 如图5所示，对转子位置估计误差进行频谱分析，图5(a)对应误差抑制前的情况， 图5(b)对应误差抑制后的情况，图6为转速估计误差的频率分析结果，图6(a)对应误差抑制 前的情况，图6(b)对应误差抑制后的情况。
[0059] 从对比结果可见，所提的误差抑制模块很好的抑制了估计误差中的2倍和3倍电角 度频率分量，抑制后估计误差明显减小。本专利针对逆变器开关管开通关断延时和死区作 用、数字控制器的离散化控制、电机参数不对称等各种非理想因素所引起的周期性变化的 转子位置和转速估计误差分量，提出了一种基于特定频率误差抑制模块的减小估计误差的 方法，实验结果表明该方法能明显提高转子位置和转速估计精度，改善系统的控制性能。
[0060] 本技术领域技术人员可W理解的是，除非另外定义，运里使用的所有术语(包括技 术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还 应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中 的意义一致的意义，并且除非像运里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0061] W上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步 详细说明，所应理解的是，W上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限制本发 明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种减小永磁同步电机转子位置和转速估计误差的方法，其特征在于，包含以下步 骤： 步骤1)，建立误差抑制模块，所述误差抑制模块包含1个比例环节和2个积分环节，具体 构成如下： 1) ，输入包含X和ω。，输出包含Y和ε，其中X为待处理的信号，ω。为待抑制信号的角频 率，Υ为输入信号X中角频率为ω。的分量，ε为输入信号X中消除角频率为ω。的分量后的剩余 分量； 2) ，Χ和Υ的差构成了信号节点ε; 3) ，ε经过比例环节乘以系数k构成了信号节点a; 4) ，Y经过其中一个积分环节1/s后，再与ω。相乘，构成了信号节点b; 5) ，8和13的差构成了信号节点(3; 6) ，c和ω。相乘后，再经过另一个积分环节1/s，构成了信号节点Y; 步骤2)，在基于脉振高频电压注入法的永磁同步电机无位置传感器控制中，将系统中 的位置估计误差函数经过至少一个所述误差抑制模块进行处理，消除其中与位置估计误差 不相关的频率分量，然后再参与系统控制，从而减小转子位置和转速估计误差。2. 根据权利要求1所述的减小永磁同步电机转子位置和转速估计误差的方法，其特征 在于，所述步骤2的具体步骤如下： 步骤2.1 )，根据给定角速度和估计角速度获取估计交轴电流参考值； 步骤2.2 )，获取估计直轴和交轴电压参考值； 步骤2.3)，在直轴叠加高频电压，采用SVPWM调制驱动电机； 步骤2.4 )，检测相电流，经坐标变换得到估计交轴电流； 步骤2.5 )，获取转子位置估计误差函数； 步骤2.6)，采用至少一个所述误差抑制模块对转子位置估计误差函数进行处理，获取 处理后的转子位置估计误差函数； 步骤2.7)，根据处理后的转子位置估计误差函数获取转子估计位置和估计角速度； 步骤2.8)，重复步骤2.1)-步骤2.7)。3. 根据权利要求1所述的减小永磁同步电机转子位置和转速估计误差的方法，其特征 在于，所述k取0.1。
【文档编号】H02P21/24GK106059436SQ201610525182
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】周波, 刘兵, 倪天恒
【申请人】南京航空航天大学