一种用于电动汽车驱动电机的无位置传感控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于电动汽车驱动电机的无位置传感控制方法，在电动汽车启动之前采用脉冲电压注入法对驱动电机转子初始位置进行检测式；电动汽车启动之后，为了进行准确的检测，在低速段采的旋转式高频电压注入法实时检测驱动电机转子位置，且为了避免电机多重凸极效应的影响，在高频电压注入法的结构上加入双重凸极解耦观测器，中速时采用高频注入法和反电动势法相结合的方式并经过神经网络控制器处理检测驱动电机转子位置，高速时采用反电动势来检测驱动电机转子位置，同时为解决在高速下由于外界干扰而可能导致观测器收敛到转子磁极相反位置的状态，加入了转子位置鲁棒观测器。本发明可以准确、有效的检测电动汽车驱动电机的转子位置信息。
【专利说明】-种用于电动汽车驱动电机的无位置传感控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于电动汽车驱动电机的无位置传感控制方法，将脉冲电压注入 法、旋转高频电压注入法、反电动势法、神经网络控制器、双重凸极解耦观测器和转子位置 鲁棒观测器结合在一起的位置传感器技术。
【背景技术】
[0002] 电动汽车的发展是石油危机及人们对环境要求的必然产物，与内燃机汽车相比， 电动汽车是以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，且满足道路安全法规对汽车的各 项要求的车辆。由于永磁同步电机具有高功率密度以及快速、精确的高控制性能，使其成为 电动汽车的首选。永磁同步电机（PMSM)凭借其高运行效率和高功率密度，被广泛的应用于 电动汽车上。在目前高性能的永磁同步电机调速系统中最成熟的当属矢量控制技术，但通 常要在电机主轴侧安装位置传感器，用以检测转子的实时位置和速度信息。但位置传感器 的存在不但增加了整个系统的成本，也降低了系统的可靠性，所以无位置传感器控制技术 成为当今重要的研究方向。
[0003] 传感器的核心是控制系统能对转子的实时位置和速度进行准确的估算，常用无传 感器的控制方法可分为3类：
[0004] (1)采用电机理想模型的开环计算法，如直接计算法、反电动势积分法等；基于开 环的计算方法简单直接、动态性能较好；但计算时依赖电机参数，而电机运行时参数总处于 变化之中，这样势必会影响转子位置估计的准确性；并且在电机速度很低时，反电动势非常 小，容易和各种干扰信号掺杂在一起，信噪比变低，使得反电势难于检测。所以这种方法并 不适合用于电机静止或低速时无传感器位置估算。
[0005] (2)基于外部高频信号注入的转子位置辨识方案，如旋转高频电压注入法、旋转高 频电压注入法和旋转高频电流注入法。高频信号注入法是通过给电机三相绕组注入高频信 号（电压或电流信号），依靠电机转子自身的凸极性或由于饱和导致的凸极效应，使高频信 号产生的磁场受到转子凸极的调制作用，因此高频信号中将带有转子位置信息，再将高频 信号从定子电流或电压中解调出来就能提取出电机转子的位置信息。这种方法依靠外加激 励信号，并不依赖于转速，但估算转子位置所需要的时间较长，位置量更新频率不高，所以 高频信号注入法在电机静止和低速时有更好的估算效果。
[0006] (3)基于状态观测器的闭环算法，如滑模观测器法（SM0)、模型参考自适应系统法 (MRAS)、扩展卡尔曼滤波器法（EKF)等。观测器的本质就是系统状态重构，即重新构造一个 系统，利用原系统中直接可以测到的输出向量和输入向量作为它的输入信号，并使重构系 统的输出信号在一定的条件下等价于原系统的状态，这个重新构造的系统就称为观测器。
[0007] 以上方法均有各自的适用范围，还没有一种方法能使各种永磁同步电机在全速下 都能完美稳定的运行。
【发明内容】
[0008] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于电动汽车驱动 电机的无位置传感控制方法，把全速度周期分为初始位置检测、低速段位置检测、中速度位 置检测和高速段位置检测，从而实现电动汽车驱动电机在全速范围内的无传感器控制，可 以针对不同的速度段来选择检测方法并且将脉冲电压注入法、旋转高频电压注入法、反电 动势法、神经网络控制器、双重凸极解耦观测器和转子位置鲁棒观测器结合在一起，可以准 确、有效的检测电动汽车驱动电机的转子位置信息。
[0009] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0010] 一种用于电动汽车驱动电机的无位置传感控制方法，包括初始位置检测、低速段 位置检测、中速段位置检测和高速段位置检测，具体包括以下步骤：
[0011] (1)初始位置检测：采用脉冲电压注入法检测转子位置，向电机的电枢绕组施加 空间电压矢量，利用等效电路时间常数的不同，通过比较响应电流的衰减时间，确定转子初 始位置，最短的衰减时间所对应的电压矢量角度即为转子初始角度；最终保证电动汽车实 现无反转和以最大转矩启动；
[0012] (2)低速段位置检测：采用旋转式高频电压注入法实时检测转子位置，通过软件 锁相环实现对负序高频电流的相位的跟踪，从而获取矢量角误差，同时采用PI调节器调节 矢量角的误差使之趋于零，使转子位置角的估计值t收敛于真实值θρ对成作时间微分， 获得转子角速度錢·*为了避免电机多重凸极效应的影响，在高频电压注入法的结构上加入 双重凸极解耦观测器；
[0013] (3)中速段位置检测，采用高频注入法和反电动势法相结合的方式并通过神经网 络控制器处理实时检测转子位置，高频注入法检测结果、反电动势法检测结果以及两者检 测结果误差经神经网络控制器处理后的信号采用ΡΙ调节器进行调节，其输出量作为转子 位置信息；
[0014] (4)高速段位置检测，采用反电动势来实时检测转子位置，采取滑膜观测器获取转 子位置信息；为了消弱滑膜观测器的抖振现象，采用饱和函数代替传统的开关函数ζ，得 到等效电动势，从而获得转子位置检测值；为了解决在高速下由于外界干扰而可能导致滑 膜观测器收敛到转子磁极相反位置的状态，加入转子位置鲁棒观测器。
[0015] 有益效果：本发明提供的用于电动汽车驱动电机的无位置传感控制方法，将脉冲 电压注入法、旋转高频电压注入法、反电动势法、神经网络控制器、双重凸极解耦观测器和 转子位置鲁棒观测器结合在一起，具有如下优势：1、初始位置检测采用脉冲电压注入法的 方式，向电动汽车驱动电机的电枢绕组施加空间电压矢量，能够非常准确的检测电动汽车 驱动电机的转子初始位置，实现电动汽车的顺利起动；2、可以针对不同的速度段来选择检 测方法，提高了电动汽车驱动系统的稳定性和精确度；3、在低速段，采用高频注入法，并配 合双重凸极解耦观测器，有效的解决了在低速段，性能下降，控制精度不高等问题；4、在中、 高段采取高频注入法和反电动势相结合的方式，同时加入转子位置鲁棒观测器解决磁极收 敛的问题，有效的解决了高速下转子位置检测苦困难和磁极收敛的问题；5、节约了硬件成 本和维修成体，同时提高了系统的抗干扰性和鲁棒性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为两组d、q绕组在不同位置时的示意图；
[0017] 图2为空间电压矢量图；
[0018] 图3为初始位置检测流程图和操作图；
[0019] 图4为旋转式高频电压注入法原理图；
[0020] 图5为用于高频电压注入法的双重凸极解耦观测器模型图；
[0021] 图6为带有滑模观测器的反电动势检测法原理图；
[0022] 图7为用于反电动势法的转子位置鲁棒观测器观测原理图
[0023] 图8为中速段驱动电机转子位置检测原理图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0025] -种用于电动汽车驱动电机的无位置传感控制方法，包括初始位置检测、低速段 位置检测、中速段位置检测和高速段位置检测，具体包括以下步骤：
[0026] (1)初始位置检测：采用脉冲电压注入法检测转子位置，向电机的电枢绕组施加 空间电压矢量，利用等效电路时间常数的不同，通过比较响应电流的衰减时间，确定转子初 始位置，最短的衰减时间所对应的电压矢量角度即为转子初始角度；最终保证电动汽车实 现无反转和以最大转矩启动；
[0027] (2)低速段位置检测：采用旋转式高频电压注入法实时检测转子位置，通过软件 锁相环实现对负序高频电流的相位的跟踪，从而获取矢量角误差，同时采用PI调节器调节 矢量角的误差使之趋于零，使转子位置角的估计值4收敛于真实值θ P对綠作时间微分，获 得转子角速度&，为了避免电机多重凸极效应的影响，在高频电压注入法的结构上加入双 重凸极解耦观测器；
[0028] (3)中速段位置检测，采用高频注入法和反电动势法相结合的方式并通过神经网 络控制器处理实时检测转子位置，高频注入法检测结果、反电动势法检测结果以及两者检 测结果误差经神经网络控制器处理后的信号采用PI调节器进行调节，其输出量作为转子 位置信息；
[0029] (4)高速段位置检测，采用反电动势来实时检测转子位置，采取滑膜观测器获取转 子位置信息；为了消弱滑膜观测器的抖振现象，采用饱和函数代替传统的开关函数z，得到 等效电动势，从而获得转子位置检测值；为了解决在高速下由于外界干扰而可能导致滑膜 观测器收敛到转子磁极相反位置的状态，加入转子位置鲁棒观测器。
[0030] 下面就本发明的具体实现思想和过程加以说明。
[0031] 初始位置检测
[0032] 转子位置的检测原理是基于定子铁心的非线性磁化特性。如图1所示，设转子永 磁体产生的磁链为，方向和d 1轴重合，贝U在d2轴方向的分量为ilifcosA Θ ;d、q轴下电 机d轴磁链方程为：
[0033] ψ? = Ldid + ψ? (1)
[0034] 其中，Θ为转子位置角，Ld为d轴电感，id为d轴电流。
[0035] 根据式⑴得：
[0036]
【权利要求】
1. 一种用于电动汽车驱动电机的无位置传感控制方法，其特征在于：包括初始位置检 测、低速段位置检测、中速段位置检测和高速段位置检测，具体包括以下步骤： (1) 初始位置检测：采用脉冲电压注入法检测转子位置，向电机的电枢绕组施加空间 电压矢量，利用等效电路时间常数的不同，通过比较响应电流的衰减时间，确定转子初始位 置，最短的衰减时间所对应的电压矢量角度即为转子初始角度；最终保证电动汽车实现无 反转和以最大转矩启动； (2) 低速段位置检测：采用旋转式高频电压注入法实时检测转子位置，通过软件锁相 环实现对负序高频电流的相位的跟踪，从而获取矢量角误差，同时采用PI调节器调节矢量 角的误差使之趋于零，使转子位置角的估计值4收敛于真实值θ p对緣作时间微分，获得 转子角速度錢^为了避免电机多重凸极效应的影响，在高频电压注入法的结构上加入双重 凸极解耦观测器； (3) 中速段位置检测，采用高频注入法和反电动势法相结合的方式并通过神经网络控 制器处理实时检测转子位置，高频注入法检测结果、反电动势法检测结果以及两者检测结 果误差经神经网络控制器处理后的信号采用PI调节器进行调节，其输出量作为转子位置 信息； (4) 高速段位置检测，采用反电动势来实时检测转子位置，采取滑膜观测器获取转子位 置信息；为了消弱滑膜观测器的抖振现象，采用饱和函数代替传统的开关函数z，得到等效 电动势，从而获得转子位置检测值；为了解决在高速下由于外界干扰而可能导致滑膜观测 器收敛到转子磁极相反位置的状态，加入转子位置鲁棒观测器。
2. 根据权利要求1所述的用于电动汽车驱动电机的无位置传感控制方法，其特征在 于：所述步骤（1)中，初始位置检测具体实现过程为：（11)首先每隔30°向电机的电枢绕 组施加一个空间电压矢量，总共施加12个不同的电压矢量；（12)然后针对每个电压矢量， 检测出d轴电流从稳态值衰减到0的时间t，记最小的时间t为t d min，td min所对应的电压矢 量角度范围即为转子初始角度范围；（13)对得到的转子初始角度范围进行η均分，每隔一 个均分值向电机的电枢绕组施加一个空间电压矢量，总共施加 η+1个不同的电压矢量；重 复步骤（12)，直至获得精度范围内的转子初始角。
3. 根据权利要求1所述的用于电动汽车驱动电机的无位置传感控制方法，其特征在 于：所述步骤（2)中，低速段位置检测具体实现过程为： 设旋转高频电压信号的角频率为
，幅值为vsi，则旋转高频电压信号
表示为:
其中：
为高频电压的q轴分量；
为高频电压的d轴分量； 旋转高频电压信号激励下的三相逆变器输出端电机的直流响应为
，将
经过带通 滤波器BPF滤波后，得到dq轴高频电流
为：
其中：
为正相序电流分量；
为负相序电流分 量；
为正相序电流直流分量；
为负相序电流直流分量；
为动子速 度；
为注入高频电压后反映的动子位置角，即低速段位置时动子的位置角；上式最后一 个等号后面：第1项是高频电流的正序分量；第2项是当k = 0时，电机的静态凸极；第3项 是当k = 1时，由d轴和q轴的电感差异所引起的电流负序分量；从第4项到第8项分别是
及k = 4时受负载条件下的磁饱和影响，由饱和引进的凸极； 由于只有负相序电流分量
包含动子的位置角信息，因此首先通过高通滤波器 SFF将正相序电流分量
滤除，再让负相序电流分量
乘以
，得到
后，再乘 以
后，可得矢量角误差
为：
其中：
为负相序电流q轴分量；
为负相序电流d轴分量；
为低速段位置时 的动子位置的估计值，
为低速段位置时动子的真实值；同时采用PI调节器调节矢量角 的误差使之趋于零，使得
收敛于真实值
作时间微分以获得动子角速度^
【文档编号】H02P21/14GK104158456SQ201410231925
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】余海涛, 孟高军, 胡敏强, 黄磊 申请人:东南大学