[发明专利]基于低频电压注入法的永磁同步电机无位置传感器的控制方法

摘要

基于低频电压注入法的永磁同步电机无位置传感器的控制方法，本发明涉及永磁同步电机无位置传感器的控制方法。本发明为了解决在内置式永磁同步电机无位置传感器控制中，传统的零低速时所使用的高频信号注入法带来的高频噪音污染问题。本发明包括：一：永磁同步电机运行过程中，通过微处理器控制，向永磁同步电机的dq轴系中注入低频脉冲电压；将电机的控制序列分为注入周期和控制周期；二：根据在永磁同步电机αβ轴系中提取的脉冲电流信息，并通过电流微分计算得到转子的位置正交信号；三：设计基于空间傅里叶变换的矢量跟踪器，得到转子位置和转速，用于电机转速和电流闭环控制，实现无位置传感器控制。本发明用于电机控制技术领域。

主权项

1.基于低频电压注入法的永磁同步电机无位置传感器的控制方法，其特征在于：所述永磁同步电机无位置传感器的控制方法包括以下步骤：/n步骤一：永磁同步电机运行过程中，通过微处理器控制，向永磁同步电机的dq轴系中注入低频脉冲电压；将电机的控制序列分为注入周期和控制周期；dq轴系是指电机的旋转坐标系，低频脉冲电压注入时为注入周期，控制电机时为控制周期；dq轴系包括d轴和q轴，d轴指向转子磁场的N极方向，q轴与d轴垂直；/n所述永磁同步电机运行过程中，通过微处理器控制，向永磁同步电机的dq轴系中注入低频脉冲电压具体为：/n在矢量控制系统的dq轴系中注入低频脉冲电压：/n /n其中u_dqi为dq轴系中注入的低频脉冲电压，k为控制序列，且k＝1,2,3,....，V_i为注入电压的幅值；/n当进行电机控制时，dq轴系下的给定电压为电流环的输出电压；当需要注入电压时，在电流环的输出位置注入电压，原电流环的输出电压不再使用，则此时d轴电压为注入的低频脉冲电压，q轴电压为0；/n每两个注入周期之间间隔N个控制周期，N的取值为1～200，在无电压注入的情况下控制电机N个控制周期后，将电机的dq电压切换为注入低频脉冲电压；通过改变N的大小，调节注入电压的频率，N越大注入的电压频率越低，实现低频注入；/n步骤二：根据在永磁同步电机αβ轴系中提取的脉冲电流信息，并通过电流微分计算得到转子的位置正交信号；αβ轴系是指电机的静止坐标系；αβ轴系包括α轴和β轴，α轴指向定子的A相，β轴与α轴垂直；/n所述根据在永磁同步电机αβ轴系中提取的脉冲电流信息，并通过电流微分计算得到转子位置正交信号的具体过程为：/n永磁同步电机dq轴系方程为：/n /n式中u_d和u_q分别为d轴和q轴的定子电压，式中i_d和i_q分别为d轴和q轴的定子电流，R_s为定子电阻，L_d和L_q分别为d轴和q轴的定子电感，ω_e为转子电频率，ψ_f为转子磁链；/n将式(2)通过坐标变换到αβ轴系下，公式(2)简化为：/n /n式中：L₀为均值电感，L₁为差值电感，L₀＝(L_d+L_q)/2，L₁＝(L_d-L_q)/2，u_αi和u_βi分别为α轴和β轴注入的定子电压，i_αi和i_βi为α轴和β轴激励的电流，θ_e为转子位置角；/n将式(3)中的电流提取出来，并将式(1)中dq轴系下注入的电压转换到αβ轴系下，得到：/n /n式中K为转子位置正交信号的幅值，δ为等效位置误差，其中Δθ为位置估计误差，Δi_αi和Δi_βi分别为α轴和β轴差分电流；/n将(4)中的幅值K消除，采用归一化的方法：/n /n /n式中Δi_{αi_pu}和Δi_{βi_pu}为α轴和β轴转子的位置正交信号；/n步骤三：根据步骤二得到的转子的位置正交信号，设计基于空间傅里叶变换的矢量跟踪器，得到转子位置和转速，用于电机转速和电流闭环控制，实现无位置传感器控制；/n具体过程为：/n将公式(6)改写为矢量形式：/nH＝cos(θ_e-δ)+jsin(θ_e-δ) (7)/n其中j为虚数单位，H为输入的位置正交信号矢量；/n构建基于空间傅里叶变换的展开式：/n /n式中H_f为实际的基波矢量，H_h为实际的谐波矢量，为相位，N＝2πf_i/ω_e，f_i为注入脉冲电压的频率，ω_e为转子电频率，t为时间，n为求和函数的序列号；/n注入脉冲电压的频率f_i定义为：/nf_i＝1/[(N+2)·T_s] (9)/n其中T_s为程序控制周期；/n步骤三一：根据和得到N和的估计值为：/n /n /n式中，和分别表示和N的估计值，为估计的转子电频率；/n根据式(8)得到基波估计值和谐波估计值分别为：/n /n /n其中为估计的基波矢量，为估计的谐波矢量，为转子位置的估计值，/n执行步骤三二；/n步骤三二：根据公式(7)和公式(8)得到的位置正交信号矢量减去由式(13)得到的估计的谐波矢量，得到基波分量实际值H_f：/n /n然后执行步骤三三；/n步骤三三：步骤三二得到的基波分量实际值H_f和步骤三一得到的估计的基波矢量得到位置误差信号ε：/n /n执行步骤三四；/n步骤三四：步骤三三得到的ε送入陷波滤波器H(s)中：/n其中陷波滤波器表示为：/n /n式中/n /n其中s为拉普拉斯算子，a、b、c为陷波滤波器中间参数，k₁为陷波宽度因子，k₂为陷波深度因子，ω₀为陷波中心频率；/n得到滤波后的位置误差信号ε′：/nε′＝H(s)·ε (17)/n执行步骤三五；/n步骤三五：建立PID环节；/n永磁同步电机的电磁转矩T_e方程为：/n /n其中P为极对数，ψ_f为转子磁链；/n忽略粘滞摩擦系数，机械运动方程为：/n /n /n其中J为转动惯量，T_L为负载转矩；/n负载转矩的变化率近似为0，得到：/n /n将式(18)至(21)写为状态方程的形式，以θ_e,ω_e,T_L为状态变量，T_e为输入变量，得到如下状态方程：/n /n式中：/n u＝T_e；y＝θ_e；/nx为状态矩阵，为x的导数，u为输入矩阵，y为输出变量，A、B、C为中间变量矩阵；/n由方程(22)得到带有全阶状态反馈矩阵的状态方程：/n /n 为估计的状态矩阵，为的估计值，L为参数矩阵；/n即：/n /n其中为估计的负载转矩，是的一阶导数，是的一阶导数，是的一阶导数，l₁、l₂、l₃为PID环节参数；/n通过对公式(24)极点配置，得到l₁、l₂、l₃参数的值为：/n /n其中，λ为极点的值；/n步骤三六：将步骤三四得到的滤波后的位置误差信号ε′带入式(24)，得到估计的转子的位置和转速；/n /n