一種采用方波注入的永磁同步電機無位置傳感器控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電機控制領(lǐng)域，涉及一種基于方波信號注入的適用于低速（零速）永 磁同步電機無位置傳感器控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)逐漸成為交流調(diào)速傳動領(lǐng)域的研究熱點。究其原 因，與傳統(tǒng)的異步電機相比，永磁同步電機的優(yōu)點在于：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、運行可 靠、功率密度高、調(diào)速性能好等，永磁同步電機已成為變頻調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)的理想選擇， 其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。按照永磁同步電機轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)的不同，可以分為表貼式和內(nèi)置 式兩種。
[0003] 目前，在高性能永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用中，通常需要在電機軸端部安裝光電 編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器或者霍爾傳感器等機械位置檢測元件來獲取轉(zhuǎn)子磁極位置信息，然而 位置傳感器的安裝帶來系統(tǒng)成本增加、體積增大、可靠性降低諸多問題，并且限制了永磁同 步電機的應(yīng)用場合。因此，研究低成本、強魯棒性無位置傳感器永磁同步電機控制方法，成 了交流電機控制技術(shù)領(lǐng)域中的研究熱點。
[0004] 按照永磁同步電機無位置傳感器技術(shù)的適用范圍，通常將其分成兩類：一類是適 用于中高速的無位置傳感器技術(shù)，另一類是適用于低速（零速）的無位置傳感器技術(shù)，分別 是根據(jù)電機基頻數(shù)學(xué)模型和凸極結(jié)構(gòu)特性來實現(xiàn)的。適用于中高速的永磁同步電機無位置 傳感器技術(shù)通過基頻激勵的反電動勢或者磁鏈模型來觀測轉(zhuǎn)子位置/速度信息，稱之為模 型法。適用于低速（零速）的無位置傳感器技術(shù)通常需要注入高頻輔助信號，通過采樣高 頻響應(yīng)進行信號處理進而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置觀測，成為目前永磁同步電機無位置傳感器控制低 速（零速）運行的有效解決方案。
[0005] 然而，傳統(tǒng)的正弦信號注入形式對注入信號頻率要求較高，尤其在大功率變頻器 載波頻率較低的條件下由于注入頻率與運行頻率頻差較小導(dǎo)致位置偏差信號提取困難。此 外，傳統(tǒng)的適用于低速（零速）無位置傳感器運行的高頻輔助信號注入方法，通常需要采用 濾波器實現(xiàn)高頻響應(yīng)信號和基頻信號分離、位置誤差信號提取，進而限制了永磁同步電機 無位置傳感器控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，對于永磁同步電機無位置傳感器控制系統(tǒng)，針 對方波信號注入形式，簡化信號處理過程、取消濾波器作用，對提高其動態(tài)響應(yīng)能力至關(guān)重 要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有適用于低速（零速）的永磁同步電機無位置傳感器控 制技術(shù)，在信號處理過程需要采用濾波器，系統(tǒng)動態(tài)性能較差等問題，提供一種采用方波注 入的永磁同步電機無位置傳感器控制方法。
[0007] -種采用方波注入的永磁同步電機無位置傳感器控制方法，其特征在于，該方法 包括以下步驟：
[0008] 步驟一、基于永磁同步電機高頻數(shù)學(xué)模型，在控制軸系d軸注入方波電壓信號，并 提取控制軸系下高頻電流響應(yīng)信號和基頻信號；
[0009] 步驟一所述的提取控制軸系下高頻電流響應(yīng)信號和基頻信號，該提取過程無需使 用濾波器，提取過程為：
[0010]步驟一一、通過Park變換將采樣得到的三相電流ia，ib，i。變換到控制軸系下，得 到控制軸系下電流信號id，iq，其中，|為位置觀測值；其過程為：
[0012] 步驟一二、通過作差處理得到控制軸系下高頻電流響應(yīng)信號idh(k)，iqh(k)，其中， k為米樣時刻；其過程為：
[0014] 步驟一三、通過求和處理得到控制軸系下基頻信號idl (k)，iql (k)，其過程為：
[0016] 步驟二、采用坐標變換將控制軸系下高頻電流響應(yīng)信號變換到觀測軸系，通過信 號處理得到位置偏差信號；
[0017] 步驟二所述的采用坐標變換將控制軸系下高頻電流響應(yīng)信號變換到觀測軸系，通 過信號處理得到位置偏差信號，該提取過程無需引入低通濾波器，提取過程如下：
[0018] 步驟二一、通過Park變換將控制軸系下高頻電流響應(yīng)信號idh(k)，iqh(k)，變換到 滯后控制軸系45°電角度的觀測軸系下得到G，/$，其具體過程為：
[0020] 步驟二二、通過差分處理得到位置偏差信號εe，其具體過程為：
[0022] 步驟三、通過基于機械模型的Luenberger觀測器獲得轉(zhuǎn)子位置觀測值。
[0023] 步驟三所述的通過基于機械模型的Luenberger觀測器獲得轉(zhuǎn)子位置觀測值，其 中，基于機械模型的Luenberger觀測器實現(xiàn)無相位滯后，轉(zhuǎn)速提取無需低通濾波器。
[0024] 有益效果：本發(fā)明采用的基于方波信號注入的永磁同步電機低速（零速）無位置 傳感器控制技術(shù)，信號處理方法簡單易行、可靠實用，無需采用濾波器，提高了永磁同步電 機無位置傳感器控制系統(tǒng)動態(tài)性能；可以廣泛地應(yīng)用到永磁同步電機控制系統(tǒng)中，不需要 額外硬件開銷，可以獲得較好的控制性能。
[0025] 本發(fā)明提供了一種基于方波信號注入的轉(zhuǎn)子位置觀測方法，其信號處理過程無需 采用濾波器，能夠有效提高永磁同步電機無位置控制系統(tǒng)低速（零速）動態(tài)響應(yīng)能力。本 發(fā)明適用于永磁同步電機無位置傳感器控制。
【附圖說明】
[0026] 圖1是一種采用方波注入的永磁同步電機無位置傳感器控制方法的原理框圖；
[0027] 圖2是注入電壓和響應(yīng)電流示意圖；
[0028] 圖3是控制軸系高頻電流響應(yīng)信號和基頻信號分離框圖；
[0029] 圖4是位置偏差信號提取過程框圖；
[0030] 圖5是基于機械模型的Luenberger轉(zhuǎn)子位置觀測器原理框圖；
[0031] 圖6是一種采用方波信號注入的永磁同步電機無位置傳感器控制方法中涉及的 坐標系關(guān)系不意圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0032] 一、參照圖1至圖6具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種采 用方波注入的永磁同步電機無位置傳感器控制方法，該方法包括以下步驟：
[0033] 步驟一、基于永磁同步電機高頻數(shù)學(xué)模型，在控制軸系d軸注入方波電壓信號，并 提取控制軸系下高頻電流響應(yīng)信號和基頻信號，具體方法如下：
[0034] 步驟--、基于永磁同步電機高頻數(shù)學(xué)模型，在控制軸系d軸注入頻率為fs= 1/ Ts、幅值為的方波電壓信號<，
[0035] 按照公式（1)進行Park變換可得到控制軸系下電流信號id，iq，其中，I為位置觀 測值；
[0037] 步驟一二、按照公式（2)通過作差處理得到控制軸系下高頻電流