永磁同步电机无位置传感器全速域转子位置测量方法技术

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机无位置传感器全速域转子位置测量方法，将零低速运行阶段的旋转高频信号注入法和中高速阶段反电势解析计算法相结合，构成全速域转子位置测量策略，分别对旋转高频信号注入法和反电势解析计算法的获得位置估计误差信号进行归一化处理，获得混合位置误差信号，作为控制策略切换区间的位置误差信号，经过PI调节器，收敛为零后，从而获得转子位置，实现永磁同步电机全转速范围内无位置传感器控制。内无位置传感器控制。内无位置传感器控制。

Sensorless rotor position measurement method for permanent magnet synchronous motor in full speed range

【技术实现步骤摘要】
永磁同步电机无位置传感器全速域转子位置测量方法


[0001]本专利技术涉及电机控制领域，尤其涉及一种永磁同步电机无位置传感器全速域转子位置测量方法。

技术介绍

[0002]随着技术的不断发展，现代永磁同步电机系统对体积、质量、成本与可靠性等性能参数提出了更高的要求，其行业逐渐呈现向高效率、高性能、低能耗、轻型化、机电一体化、专用电机等方向发展的趋势。永磁同步电机的控制一般需要获取电机转子的转速和位置信息。传统永磁同步电机通过安装机械式位置传感器获得转子位置信息。目前尽管位置传感器技术在不断进步，但是在一些特定场合例如物理空间不足无法安装位置传感器或者航空航天领域中外界的环境变化导致传感器无法正常工作，无位置传感器技术是十分必要且关键的。永磁同步电机无位置传感器控制技术研究从20世纪80年代开始，最早的转差频率估计法实现了对异步电机的转速和位置估计。由于其广阔的应用前景，大量国内外学者着手研究永磁同步电机的无位置传感器技术，该技术在20世纪90年代发展迅速。目前，适用于永磁同步电机的无位置控制方法可以分为两类：1)基于基波模型的位置检测方法；2)基于谐波模型的位置检测方法。
[0003]基于基波模型的位置检测方法主要利用基波模型中电压、电流、磁链、反电势等相应的物理量波形进行检测，得到转速和位置。但在零速和低速时，反电势幅值较小，提取困难，因此这类方法不适用于零速和低速，一般在中高速时采用。
[0004]基于谐波模型的位置检测方法普遍利用转子的凸极性实现位置检测。以高频信号注入法为代表，相比于其它零低速的无位置控制方法，实现方式简单灵活，鲁棒性好，调速范围较宽，对电机参数变化不敏感，适用于零低速的无位置传感器控制。
[0005]旋转高频信号注入法是向定子电枢绕组中在两相静止坐标系下注入高频正弦信号，检测高频电流响应，对其进行信号解调处理，从而获得转子位置信息，该方法适用于具有明显凸极特性的内嵌式和内埋式永磁同步电机。相对于其他方法来说，旋转高频电压注入法中的位置跟踪观测器独立存在，其检测系统相对容易实现，更加适合凸极电机；注入的电压对平均转矩影响相对较小。但在电机转速较高时，反电势幅值、基波频率较大，使得注入电压的频率不能满足远远高于电机基波频率的条件，给高频电流响应的提取带来了困难。因此，传统的旋转高频信号注入法不适用于中高速，一般在零速和低速采用。
[0006]因此，在永磁同步电机的无位置传感器控制过程中常常采用将两种置检测方法切换使用的全速域转子位置测量策略。传统的切换方法依据转速进行简单加权平均，切换过程误差较大，甚至有可能在转子位置过零时震荡，导致切换失败。
[0007]综上，现有技术目前仍有数个关键问题亟待解决：
[0008]1)位置传感器的应用具有一定的环境限制，例如高温度、高湿度、剧烈振动等条件，因此加装位置传感器使得永磁同步电机存在一些特定场合不可以正常使用的问题，例如物理空间不足无法安装位置传感器或者航空航天领域中外界的环境变化导致传感器无
法正常工作。
[0009]2)加装位置传感器不仅增加了系统的成本与电机的尺寸，同时位置传感器与控制系统之间还需要增加接口电路，使电机结构复杂化，使得其易于受到干扰，降低电机的可靠性，给电机的安装与维护带来困难。
[0010]3)基于基波模型的位置检测方法不适用于所有的转速范围，在零速和低速时，反电势幅值较小，位置检测困难，精度低。
[0011]4)基于谐波模型的位置检测方法在电机转速较高时，由于反电势幅值、基波频率较大，使得注入电压的频率不能满足远远高于电机基波频率的条件，给高频电流响应的提取带来了困难，位置检测困难。
[0012]传统的全转速范围的无位置传感器全速域转子位置测量策略依据转速进行简单加权平均，切换过程误差较大，甚至有可能在转子位置过零时震荡，导致切换失败。

技术实现思路

[0013]本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种永磁同步电机无位置传感器全速域转子位置测量方法。
[0014]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0015]永磁同步电机无位置传感器全速域转子位置测量方法，包括如下步骤：
[0016]步骤1)，将永磁同步电机的速域按照预先设定的第一转速阈值ω
p1
、第二转速阈值ω
p2
划分为低速域、切换速域、中高速域，其中，低速域的范围为(0，ω
p1
]，切换速域的范围为(ω
p1
，ω
p2
]，中高速域的范围为大于ω
p2
，ω
p1
<ω
p2
；
[0017]步骤2)，当永磁同步电机处于零速或永磁同步电机的速度位于低速域内时，采用旋转高频信号注入法获得转子位置；
[0018]步骤3)，当永磁同步电机的速度位于中高速域时，通过电机反电势解析计算转子位置；
[0019]步骤4)，当永磁同步电机的速度位于切换速域时，首先通过旋转高频信号注入法获得第一位置误差信号，通过电机反电势解析获得第二位置误差信号；然后对第一位置误差信号和第二位置误差信号进行归一化处理，获得混合位置误差信号；最后将该混合位置误差信号经过PI调节器收敛为零，获得转子位置。
[0020]作为本专利技术永磁同步电机无位置传感器全速域转子位置测量方法进一步的优化方案，所述步骤2)的详细步骤如下：
[0021]步骤2.1)，通过SVPWM调制模块将预设的角频率为ω
h
、幅值为v
h
的旋转高频电压信号加在永磁同步电机的电枢绕组上，注入高频电压的频率范围为0.5～2kHz；
[0022]步骤2.2)，采集永磁同步电机的三相电流i
a_h
、i
b_h
、i
c_h
，进行Clark变换得到α
‑
β坐标系下的两相高频电流响应i
β_h
和i
α_h
；将i
β_h
乘以i
α_h
乘以后将两者相减，通过外差处理得到误差信号ε
f
，为转子位置的检测值；
[0023]步骤2.3)，将误差信号ε
f
通过低通滤波器滤除高频项，得到ε，该值与转子实际位置与估计位置的误差值成正比，将其作为位置跟踪观测器的输入，通过位置调节器将误差值调节为零，获得转子位置的检测值
[0024]作为本专利技术永磁同步电机无位置传感器全速域转子位置测量方法进一步的优化
方案，所述步骤3)的详细步骤如下：
[0025]步骤3.1)，采集永磁同步电机的相电压u
a
、u
b
、u
c
和相电流i
a
、i
b
、i
c
，进行Clark变换得到α
‑
β坐标系下的两相电压u...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.永磁同步电机无位置传感器全速域转子位置测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)，将永磁同步电机的速域按照预先设定的第一转速阈值ω
p1
、第二转速阈值ω
p2
划分为低速域、切换速域、中高速域，其中，低速域的范围为(0，ω
p1
]，切换速域的范围为(ω
p1
，ω
p2
]，中高速域的范围为大于ω
p2
，ω
p1
<ω
p2
；步骤2)，当永磁同步电机处于零速或永磁同步电机的速度位于低速域内时，采用旋转高频信号注入法获得转子位置；步骤3)，当永磁同步电机的速度位于中高速域时，通过电机反电势解析计算转子位置；步骤4)，当永磁同步电机的速度位于切换速域时，首先通过旋转高频信号注入法获得第一位置误差信号，通过电机反电势解析获得第二位置误差信号；然后对第一位置误差信号和第二位置误差信号进行归一化处理，获得混合位置误差信号；最后将该混合位置误差信号经过PI调节器收敛为零，获得转子位置。2.根据权利要求1所述的永磁同步电机无位置传感器全速域转子位置测量方法，其特征在于，所述步骤2)的详细步骤如下：步骤2.1)，通过SVPWM调制模块将预设的角频率为ω
h
、幅值为v
h
的旋转高频电压信号加在永磁同步电机的电枢绕组上，注入高频电压的频率范围为0.5～2kHz；步骤2.2)，采集永磁同步电机的三相电流i
a_h
、i
b_h
、i
c_h
，进行Clark变换得到α
‑
β坐标系下的两相高频电流响应i
β_h
和i
α_h
；将i
β_h
乘以i
α_h
乘以后将两者相减，通过外差处理得到误差信号ε
f
，为转子位置的检测值；步骤2.3)，将误差信号ε
f
通过低通滤波器滤除高频项，得到ε，该值与转子实际位置与估计位置的误差值成正比...

【专利技术属性】
技术研发人员：张家特，魏佳丹，王艺威，颜闵杰，黄思宇，郇希岳，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：