[发明专利]一种基于组合方波注入的电机高动态无位置传感器控制方法

说明书

本发明公开了一种基于组合方波注入的电机高动态无位置传感器控制方法。含有以下步骤：在估计旋转坐标系下，将高频方波信号注入直轴电压中，通过提取q轴高频响应电流，解调并预估电机的转子位置。同时将方波电流注入至直轴电流给定，通过判断正负半电周期d轴响应电流纹波幅值的大小，辨识转子极性。若转子位置处于正半电周期，响应电流纹波的幅值不变；若转子位置处于负半电周期，电机发生磁饱和效应，响应电流纹波的幅值增加，由此判别转子位置极性。采用方波电压电流的组合注入，可省去滤波器并使电机能快速进入饱和，有效提升了转子位置估计和极性辨识的收敛速度。电压注入和电流注入可并行解算，进一步提升了位置估计的动态特性。

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种永磁同步电机无位置传感器控制技术，具体是一种的转子位置快速估计方法，目的是实现电机转子位置和极性的快速准确估计，有利于伺服电机的高动态控制。该方法适用于航空航天、工业生产以及军事装备中的高精度高动态电动伺服系统。

背景技术

永磁同步电机的控制需要通过位置传感器获得转子位置信息实现磁场定向，高品质的位置反馈将直接影响电机系统的控制性能。无位置传感器控制技术可有效减少系统复杂度、提高系统可靠性，还可减小系统体积重量，降低成本，已经逐步得到推广应用。然而，在航空航天等高端装备的高动态机电作动系统中，无位置传感器控制技术仍难以取代传感器。主要原因是伺服控制系统的实际工况，具有起停频繁、响应迅速、负载变化大等运行特点，对位置估计的要求很高。而现有的无位置传感器控制方法在收敛速度、估计精度、抗扰性等方面，仍难以满足高性能伺服控制的要求。

由于电机在零低速时的反电动势过小，通过测量反电势难以准确获取转子位置信息，因此常采用电压信号注入实现对电机转子位置的估计。基本原理是通过注入高频电压信号，以激发与位置信号相关的高频电流响应，从高频电流中提取出转子位置信息。主要分为脉振注入和旋转注入两类。其中，脉振注入法将高频脉振电压注入到估计的旋转坐标d轴；而旋转注入法将高频电压矢量分解，并分别注入至静止αβ坐标系。然而，上述方法均存在估计收敛速度慢的问题，难以满足高动态伺服系统的控制性能方面需求。此外，由于单个电周期内电机存在两个凸极周期，因此，基于电机凸极效应的估计方法需要辨识转子极性才能获得最终的位置信息。而目前公开的文献提供的转子极性辨识方案，均存在辨识动态性能低的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于组合方波注入的电机高动态无位置传感器控制方法，其特征在于含有以下步骤：

步骤1：将高频方波电压注入至估计d轴的电压分量u_d，实现方波电压的d轴注入；

步骤2：检测并解调该高频方波所激励出的q轴高频电流信号，根据高频激励下电机的高频数学模型，利用锁相环观测器解析获得转子位置预估值。

步骤3：在注入高频方波电压信号的同时，在估计d轴给定方波电流信号，通过d轴电流控制器，实现对d轴注入方波电流信号的无差跟踪。

步骤4：在方波电流的正半周期和负半周期，分别获取d轴电流高频分量的幅值，并对幅值进行窗口积分，分别得到和

步骤5：分别根据方波正、负电流幅值的滑动窗口积分和的大小关系，判断转子位置极性。当大于时，转子位置处于电周期的正半周期，无需对转子位置预估值补偿，转子位置预估值即为转子位置角；当小于时，转子位置处于电周期的负半周期，需对转子位置预估值补偿180°，得到估计的转子位置角。

步骤6：在极性识别过程中，位置估计同步并行进行。通过高频方波电压注入，不断在线更新转子位置角，两种注入互不干扰。在完成极性辨识后，将d轴电流给定切换至d轴电流参考输入，并将所得转子位置角用于电机控制器坐标变换，实现伺服系统的高动态控制。

在所述步骤1中，实现方波电压的d轴注入，其特征在于，在估计的旋转坐标系中注入高频方波电压信号，并具有如下表达式：