一種無位置傳感器控制下的電流解耦方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種無位置傳感器控制下的電流解耦方法，將轉(zhuǎn)子位置估計誤差對電流耦合的影響考慮在內(nèi)，對直軸和交軸電流進行更全面的解耦，從而減小轉(zhuǎn)子位置估計誤差，改善系統(tǒng)的控制性能。該方法在永磁同步電機的無位置傳感器控制方式下，由于參與電流解耦控制的均為估計量，使得轉(zhuǎn)子位置估計誤差對電流耦合存在明顯的影響，其中電流的部分耦合項與電流的導(dǎo)數(shù)、轉(zhuǎn)子位置估計誤差、直軸電感飽和值與交軸電感的差異均有關(guān)。
【專利說明】
一種無位置傳感器控制下的電流解耦方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電機控制領(lǐng)域，尤其涉及一種無位置傳感器控制下的電流解耦方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 永磁同步電機憑借其體積重量小、功率因素高、控制性能好等優(yōu)點得到了廣泛的 工業(yè)應(yīng)用。在其控制過程中需要獲取準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息，常采用機械式傳感器獲得，如光 電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。但這增加了系統(tǒng)的體積、重量和成本，并且在一些劇烈震動、潮濕 的場合這類傳感器易失效，為了解決上述問題，不少學(xué)者對永磁同步電機無位置傳感器控 制技術(shù)展開了研究。
[0003] J.H.Jang,S.K.Sul,J.I.Ha,αSensorless 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 .在d軸注入脈振高頻電壓信號，對q軸電流進行帶通濾波得到高頻響應(yīng)分量，再 用一個同頻率的正弦調(diào)制信號與其相乘，最后經(jīng)過低通濾波得到轉(zhuǎn)子位置估計誤差信號， 構(gòu)建閉環(huán)將該誤差信號調(diào)節(jié)到零實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置估計。
[0004] 采用矢量控制技術(shù)實現(xiàn)永磁同步電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，dq軸電流存在一定的親合，主 要包括反電勢耦合項和dq軸電感相關(guān)的耦合項，通?？蓪q軸電流進行解耦，提高系統(tǒng)的 控制性能。而在永磁同步電機無位置傳感器控制中，由于解耦所涉及的相關(guān)變量均為估計 值，轉(zhuǎn)子位置估計誤差對電流耦合也有一定的影響，因此在無位置傳感器控制下的電流解 耦方法中，應(yīng)考慮轉(zhuǎn)子位置估計誤差對電流耦合的影響，提高轉(zhuǎn)子位置估計精度，改善系統(tǒng) 的控制性能。而如何在電流解耦方法中考慮轉(zhuǎn)子位置估計誤差對電流耦合的影響還缺乏研 究，這也是本申請所致力解決的實際問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對【背景技術(shù)】中所涉及到的問題，提出一種無位置 傳感器控制下的電流解耦方法，將轉(zhuǎn)子位置估計誤差對電流耦合的影響考慮在內(nèi)，對直軸 和交軸電流進行更全面的解耦，從而減小轉(zhuǎn)子位置估計誤差，改善系統(tǒng)的控制性能。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明永磁同步電機無位置傳感器控制下的電流解耦方法，該首先考慮位置估計 誤差在直軸和交軸間的耦合作用，對直軸和交軸電流進行解耦，得到估計直軸和交軸電壓 參考值;然后基于脈振高頻電壓注入法實現(xiàn)無位置傳感器控制；其中獲取估計直軸和交軸 電壓參考值的步驟如下：
[0008] 1.1)獲取估計直軸電壓參考值化
[0009] 1.1.1)讀取PI的輸出值(1);
[0010] 1 · 1 · 2)計算估計交軸電流反饋值相關(guān)項-?, ( 12 ):
[0011 ] 1丄3)計算估計交軸電流反饋值導(dǎo)數(shù)與轉(zhuǎn)子位置估計誤差
U1 )；
[0012] 1.1.4)將得到的數(shù)值I,。（1)、-?,Ζ乂（12)和
（Π )相加， 作為估計直軸電壓參考值i
[0013] 1.2)獲取估計交軸電壓參考值i
[0014] 1.2.1)讀取PI的輸出值（6>,
[0015] 1.2.2)計算估計直軸電流反饋值相關(guān)項(9);
[0016] 1.2.3)計算估計直軸電流反饋值導(dǎo)數(shù)與轉(zhuǎn)子位置估計誤差相關(guān)項 (10);
[0017] 1.2.4)計算反電勢相關(guān)項或於,<13
[0018] 1.2.5)將得到的數(shù)值'（6)、?,Ζ乂（9)、 (10)和（13) 相加，作為估計交軸電壓參考值4。
[0019] 其中所述的基于脈振高頻電壓注入法實現(xiàn)無位置傳感器控制，其步驟如下：
[0020] 2.1)在直軸疊加高頻電壓，根據(jù)SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制策略)得到逆變器驅(qū)動 邏輯；
[0021 ] 2.2)檢測電機相電流，采用Clarke (克拉克變換)和Park(派克變換)變換得到估計 直軸和交軸電流反饋值；
[0022 ] 2.3)從估計交軸電流反饋值中獲取估計轉(zhuǎn)子位置和角速度；
[0023] 2.4)獲取估計交軸電流參考值，并將估計直軸電流參考值設(shè)為0。
[0024] 如圖1所示，在采用脈振高頻電壓注入法實現(xiàn)永磁同步電機無位置傳感器控制的 基礎(chǔ)上，提出了一種電流解耦方法對電流進行解耦控制。該無位置傳感器控制方法采用脈 振高頻電壓注入法，在估計直軸注入一個幅值為U mh、角頻率為ω h的余弦高頻電壓信號Umh c〇s( c〇ht)，利用位置估計模塊從估計交軸電流中解算估計轉(zhuǎn)子角速度，進一步積分得到估 計轉(zhuǎn)子位置。該位置估計模塊的輸入量包括估計交軸電流反饋值，輸出量包括估計轉(zhuǎn)子角 速度和轉(zhuǎn)子位置估計誤差函數(shù)。該電流解耦方法的輸入量包括估計直軸和交軸電流參考 值、估計直軸和交軸電流反饋值、估計轉(zhuǎn)子角速度、轉(zhuǎn)子位置估計誤差函數(shù)和永磁體磁鏈 等，輸出量包括估計直軸和交軸電壓參考值。
[0025] 現(xiàn)有常規(guī)電流解耦方法如圖2所示，估計直軸電壓參考值毛由2部分組成，分別是 直軸電流PI調(diào)節(jié)器的輸出和交軸電感在直軸的耦合項估計交軸電壓參考值4由 3部分組成，分別是交軸電流PI調(diào)節(jié)器的輸出&。、直軸電感在交軸的耦合項?,Ζ 乂和反電勢 項成私,·。在永磁同步電機無位置傳感器控制中，由于參與反饋解耦的都是估計量，因此轉(zhuǎn)子 位置估計誤差也會對電流耦合產(chǎn)生一定的影響，采用常規(guī)電流解耦方法并不能實現(xiàn)直軸和 交軸電流的完全解耦。
[0026] 為了解決該問題，本申請將轉(zhuǎn)子位置估計誤差考慮在內(nèi)，提出一種新的電流解耦 方法，如圖3所示。估計直軸電壓參考值化由4部分構(gòu)成，分別是PI的輸出(1)、估計交軸 電流反饋值相關(guān)項(△ - h cos 2Δ60& ( 5 1、估計交軸電流反饋值導(dǎo)數(shù)與轉(zhuǎn)子位置估計誤差 相關(guān)項4 sin/虛（4)和反電勢相關(guān)項sinΔ0 C7);估計交軸電壓參考值為由4 部分構(gòu)成，分別是PI的輸出(6)、估計直軸電流反饋值相關(guān)項?,.(Ζ + L。cos2A^irf (2)、估 計直軸電流反饋值導(dǎo)數(shù)與轉(zhuǎn)子位置估計誤差相關(guān)項A sin2A6W〖,/? (3 )和反電勢相關(guān)項 S^fcosA0 (8)〇
[0027] 進一步的，由于直軸電感飽和值與交軸電感的差異Lo無法直接獲取，圖3所示的電 流解耦方法還不能直接應(yīng)用到實際系統(tǒng)中?？紤]到圖1中的位置估計模塊所提取的轉(zhuǎn)子位 置估計誤差函數(shù)就包含Lo信息，因此利用轉(zhuǎn)子位置估計誤差函數(shù)間接解算出Lo,同時在轉(zhuǎn)子 位置估計誤差較小的前提下，圖3中的相關(guān)耦合項可作進一步簡化，如下：
[0029] 簡化后的電流解耦方法如圖4所示，4(i + ￡6c〇S2A0 (2)、々齟叢仏見/辦（3)、 Z,,sin2A(9</f" (4)、-今(5)和 4心:c〇sA# (8)分別被簡化為 44 (:9)、
-(%? (1:2)和病^ j .(13?. (7)被簡化 為〇〇
[0030] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0031] 1)提出一種新的直軸和交軸電流解耦控制方法，與現(xiàn)有解耦控制方法相比，本申 請考慮了轉(zhuǎn)子位置估計誤差這一因素，在現(xiàn)有的解耦控制方法基礎(chǔ)上添加了與位置估計誤 差相關(guān)的解耦項，使直軸和交軸電流解耦更加充分；
[0032] 2)該方法在永磁同步電機的無位置傳感器控制方式下，由于參與電流解耦控制的 均為估計量，使得轉(zhuǎn)子位置估計誤差對電流耦合存在明顯的影響，其中電流的部分耦合項 與電流的導(dǎo)數(shù)、轉(zhuǎn)子位置估計誤差、直軸電感飽和值與交軸電感的差異均有關(guān)。
[0033] 3)采用本申請所提的直軸和交軸電流解耦方法，提高了轉(zhuǎn)子位置的估計精度，轉(zhuǎn) 子位置估計誤差的最大值從〇. 14rad減小到了0.08rad，改善了無位置傳感器控制的性能。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明電流解耦方法的永磁同步電機無位置傳感器控制框圖；
[0035] 圖2為現(xiàn)有常規(guī)電流解耦控制框圖；
[0036] 圖3為本發(fā)明電流解耦控制框圖；
[0037] 圖4為本發(fā)明簡化的電流解耦控制框圖；
[0038]圖5為本發(fā)明方法的流程圖；
[0039] 圖6(a)-6(b)為給定轉(zhuǎn)速50r/min穩(wěn)定運行時實際轉(zhuǎn)子位置、估計轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)子 位置估計誤差的實驗波形，（a)對應(yīng)不采用電流解耦控制的情況，（b)對應(yīng)采用電流解耦控 制的情況。
【具體實施方式】
[0040] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明。
[0041] 實施例一：
[0042] 如圖5所示，本發(fā)明的具體實施步驟為：
[0043] 1)采用解耦算法獲取估計直軸和交軸電壓參考值。
[0044] 1.1)獲取估計直軸電壓參考值心。
[0045] 1.1.1)將估計直軸電流參考值4^與估計直軸電流反饋值&的差作為PI調(diào)節(jié)器的 輸入，讀取PI調(diào)節(jié)器的輸出(1)，其中和^的初始值為〇。
[0046] 1.1.2)將估計交軸電流反饋值&、估計轉(zhuǎn)子角速度<和交軸電感Lq三者相乘，計算 估計交軸電流反饋值相關(guān)項-(12)，其中ζ和％的初始值為〇; Lq是電機本體參數(shù)，一 般可從銘牌直接獲得。
[0047] 1.1.3)將估計交軸電流反饋值導(dǎo)數(shù)、注入高頻信號的角頻率coh、直軸電感 Ld、交軸電感Lq、轉(zhuǎn)子位置估計誤差函數(shù)f( △ Θ)相乘，再除以注入高頻信號幅值的相反數(shù)-
Umh，計算估計交軸電流反饋值導(dǎo)數(shù)與轉(zhuǎn)子位置估計誤差相關(guān)項 其中 ω h-般取l〇〇〇jirad/s-400〇3irad/s，本實例取200〇Jirad/s;IU-般取5-30V，本實例取 15V;Ld是電機本體參數(shù)，一般可從銘牌直接獲得;f( △ Θ)的初始值為0。
[0048] 1.1.4)將得到的數(shù)值(:1)、
（11)相加， 作為估計直軸電壓參考值4。
[0049] 1.2)獲取估計交軸電壓參考值之。
[0050] 1.2.1)將估計交軸電流參考值與估計交軸電流反饋值ζ的差作為PI調(diào)節(jié)器的 輸入，讀取ΡΙ的輸出值七。 （6>，其中的初始值為〇。
[0051 ] 1.2.2)將估計直軸電流反饋值I；、估計轉(zhuǎn)子角速度彖和直軸電感Ld三者相乘，計算 估計直軸電流反饋值相關(guān)項命乂乂，（ 9)。
[0052] 1.2.3)將估計直軸電流反饋值導(dǎo)數(shù)<,/辦、注入高頻信號的角頻率ω h、直軸電感 Ld、交軸電感Lq、轉(zhuǎn)子位置估計誤差f( △ Θ)相乘，再除以注入高頻信號幅值的相反數(shù)-Umh，計 算估計直軸電流反饋值導(dǎo)數(shù)與轉(zhuǎn)子位置估計誤差相關(guān)項

[0053] 1.2.4)將估計轉(zhuǎn)子角速度成和永磁體磁鏈如相乘，計算反電勢相關(guān)項(13)， 其中ifc是電機本體參數(shù)，一般可從銘牌直接獲得。
[0054] 1.2.5)將得至啲數(shù)值'（6:)、44又（9) 相加，作為估計交軸電壓參考值^ β
[0055] 2)在直軸疊加高頻電壓，根據(jù)SVPWM得到逆變器驅(qū)動邏輯。
[0056] 將電流解耦方法輸出的估計直軸電壓參考值&疊加一個高頻電壓信號1]_ cos (c〇ht)(已在驟1.1.3對幅值和角頻率進行了說明和限定），構(gòu)成新的估計直軸電壓參考值 估計交軸電壓參考值仍為％，再根據(jù)估計轉(zhuǎn)子位置g進行Park逆變換 (PariT1)，得到ua和ue，再采用空間矢量脈寬調(diào)制策略(SVPWM)得到逆變器6個開關(guān)管的驅(qū)動 狀態(tài)S。逆變器直流側(cè)所加的電壓為U dc。其中6的初始值為;Udc-般根據(jù)電機的額定值選擇， 本系統(tǒng)中其值為310V。
[0057] 3)檢測電機相電流，采用Clarke和Park變換得到估計直軸和交軸電流反饋值。
[0058] 檢測永磁同步電機PMSM中的兩相電流，如iA和iB，對其進行Clarke變換得到ia和 ie，再根據(jù)沒對其進行Park變換得到估計直軸電流反饋值&和估計交軸電流反饋值冬?
[0059] 4)從估計交軸電流反饋值中獲取估計轉(zhuǎn)子位置和角速度。
[0060] 采用一個選通角頻率在(^附近的帶通濾波器BPF對估計交軸電流反饋值ζ進行濾 波，得到估計交軸電流反饋值的高頻分量&;,，將其與2sin( c〇ht)相乘，再經(jīng)過一個低通濾波 器LPF得到轉(zhuǎn)子位置估計誤差函數(shù)f( △ Θ)，作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，PI調(diào)節(jié)器的輸出為估計轉(zhuǎn) 子角速度氧，再經(jīng)過I積分器得到估計轉(zhuǎn)子位置 [0061 ] 5)獲取估計交軸電流參考值，并將估計直軸電流參考值設(shè)為0。
[0062] 將給定轉(zhuǎn)子角速度《ref和估計轉(zhuǎn)子角速度成作差，輸入給PI調(diào)節(jié)器得到估計交軸 電流參考值(#，將估計直軸電流參考值設(shè)為〇。
[0063] 6)重復(fù)步驟1-5。
[0064]對該電流解耦方法的理論分析如下，劉穎，周波，李帥，在中國電機工程學(xué)報，2011 年第31卷18期的論文轉(zhuǎn)子磁鋼表貼式永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置檢測中給出了在d軸注入 脈振高頻電壓信號后的q軸電流響應(yīng)的高頻分量：
[0066]由于高頻感抗比電阻大得多，忽略定子電阻的影響，上式可表示為：
[0068]根據(jù)圖1中的位置估計模塊對該電流信號的處理，得到轉(zhuǎn)子位置估計誤差函數(shù)為：
[0074]根據(jù)上式可給出如圖3所示的新的電流解耦方法，考慮到Lo無法通過直接測量得 到，根據(jù)公式(1)對圖3的結(jié)構(gòu)進行一定的簡化，得到最終簡化的電流解耦方法如圖4所示。 [0075] 采用加拿大公司出品的半實物仿真器RT-LAB在一臺額定功率1.5kW的SPMSM上對 本申請的方法進行了實驗驗證，如圖6(a)和圖6(b)所示。圖6(a)為不采用電流解耦控制下 的轉(zhuǎn)子實際位置、估計位置和轉(zhuǎn)子位置估計誤差的實驗波形；圖6(b)為采用電流解耦控制 下的轉(zhuǎn)子實際位置、估計位置和轉(zhuǎn)子位置估計誤差的實驗波形?？梢姴捎迷撾娏鹘怦罘椒?前，轉(zhuǎn)子位置估計誤差的最大值約為〇.14rad;采用該電流解耦方法后，轉(zhuǎn)子位置估計誤差 的最大值減小為〇. 〇8rad，估計位置更加接近實際位置?？傊?，該方法將轉(zhuǎn)子位置估計誤差 對電流耦合的影響考慮在內(nèi)，對dq軸電流進行了更全面的解耦，減小了轉(zhuǎn)子位置估計誤差， 改善了系統(tǒng)的控制性能。
[0076]本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技 術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還 應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中 的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。 [0077]以上所述的【具體實施方式】，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步 詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的【具體實施方式】而已，并不用于限制本發(fā) 明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明 的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種無位置傳感器控制下的電流解耦方法，其特征在于:該方法首先對直軸和交軸 電流進行解耦，得到估計直軸和交軸電壓參考值;然后基于脈振高頻電壓注入法實現(xiàn)無位 置傳感器控制;其中獲取估計直軸和交軸電壓參考值的步驟如下： 1.1) 獲取估計直軸電壓參考值屯 1.1.1) 讀取PI的輸出值心。（:1); 1.1.2) 計算估計交軸電流反饋值相關(guān)?1.1.3) 計算估計交軸電流反饋值導(dǎo)數(shù)與轉(zhuǎn)子位置估計誤差相關(guān)項1.1·4)將得到的數(shù)值A(chǔ)0(:1>、-4/^ ( " (11)相加，作為估 計直軸電壓參考值4 1.2)獲取估計交軸電壓參考值4 1.2.1) 讀取PI的輸出值心3 (6); 1.2.2) 計算估計直軸電流反饋值相關(guān)項0>,.1/(;〔9); 1.2.3) 計算估計直軸電流反饋值導(dǎo)數(shù)與轉(zhuǎn)子位置估計誤差相關(guān)項1.2.4) 計算反電勢相主痛A"，， 1.2.5) 將得到的數(shù)值 ?也V A13)相加， 作為估計交軸電壓參考值％。_2. 如權(quán)利要求1無位置傳感器控制下的電流解耦方法，其中，基于脈振高頻電壓注入法 實現(xiàn)無位置傳感器控制的步驟如下： 2.1) 在直軸疊加高頻電壓，根據(jù)SVPffM得到逆變器驅(qū)動邏輯； 2.2) 檢測電機相電流，采用Clarke和Park變換得到估計直軸和交軸電流反饋值； 2.3) 從估計交軸電流反饋值中獲取估計轉(zhuǎn)子位置和角速度； 2.4) 獲取估計交軸電流參考值，并將估計直軸電流參考值設(shè)為O。
【文檔編號】H02P21/22GK106026831SQ201610513313
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】周融, 柏文杰, 劉兵, 魏佳丹
【申請人】南京檢驗檢疫技術(shù)中心