CN110048654B - 永磁同步电动机转子位置估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁同步电动机转子位置估计方法，包括以下步骤：S1，利用永磁同步电动机定子电压数学模型，求解出定子电流时间导数的数学模型；S2，将模型离散化，并在角θ_inj处注入高频电压V_inj，得到永磁同步电动机高频定子电流差模型；S3，根据三角等式变换进一步简化所述永磁同步电动机高频定子电流差模型，求解出所述永磁同步电动机高频定子电流差模型中包含的转子位置。

Description

永磁同步电动机转子位置估计方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体为一种永磁同步电动机转子位置估计方法。

背景技术

永磁同步电动机矢量控制性能很大程度上取决于转子位置信息的准确性。对于电动汽车等对电机控制性能要求较为苛刻的场景，高品质的编码器可满足其需求。但编码器等传感器部件的加入使得机械、电气故障发生概率大大增加，这使得除编码器等位置传感器以外的容错机制——无位置传感器转子位置估计算法显得异常重要。目前大部分无位置传感器算法适用于电机高速运行下的转子位置估计，在静止/低速工况下一般采用高频电压注入的方法，但定子电压、定子电流等的测量误差以及观测器、状态变换器等模块的参数调节准确性很大程度上限制了无位置传感器算法的转子位置估计准确性，无法适应苛刻场景的电机控制性能要求。必须寻求新的永磁同步电动机转子位置估计方法。

发明内容

鉴于上述情况，有必要提供一种测量参数较少、尽量避免繁琐参数调节过程的无位置传感器转子估计方法。

本发明是这样实现的：

一种永磁同步电动机转子位置估计方法，包括以下步骤：

S1，利用永磁同步电动机定子电压数学模型，求解出定子电流时间导数的数学模型；

S2，将模型离散化，并在角θ_inj处注入高频电压V_inj，得到永磁同步电动机高频定子电流差模型；

S3，根据三角等式变换进一步简化所述永磁同步电动机高频定子电流差模型，求解出所述永磁同步电动机高频定子电流差模型中包含的转子位置。

本发明的有益效果是：该方法在估计转子位置时无需永磁同步电动机定子绕组的电压信息，因此从根本上避免了定子绕组电压测量误差带来的估计误差，同时，该方法也无需任何观测器、控制器或状态变换器，避免了繁琐的参数调节过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1静止坐标系下半开关频率信号注入解调算法的永磁同步电动机转子位置估计方法的流程图。

图2电压矢量

和

构成图；

图3abc参考坐标系中的三相控制信号V_a、V_b和V_c以及开关信号S_a、S_b和S_c与电流采样频率及PWM周期的关系图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参照图1-3，静止坐标系下本发明实施半开关频率信号注入解调算法的永磁同步电动机转子位置估计方法，包括如下步骤：

S1，利用永磁同步电动机定子电压数学模型，求解出定子电流时间导数的数学模型；

S2，将模型离散化，并在角θ_inj处注入高频电压V_inj，得到永磁同步电动机高频定子电流差模型；

S3，根据三角等式变换进一步简化所述永磁同步电动机高频定子电流差模型，求解出所述永磁同步电动机高频定子电流差模型中包含的转子位置。

在步骤S1中，永磁同步电动机定子电压数学模型描述如下：

其中，V_α为永磁同步电动机定子电压在静止坐标系中α轴分量，V_β为永磁同步电动机定子电压在静止坐标系中β轴分量，R_s为永磁同步电动机定子绕组阻值，I_α为永磁同步电动机定子电流在静止坐标系中α轴分量，L_s为永磁同步电动机定子绕组电感矩阵，I_β为永磁同步电动机定子电流在静止坐标系中β轴分量，Φ_r为转子磁链，θ_r为转子实际位置。

其中，定子绕组电感矩阵L_s定义为：

其中，L为定子绕组平均电感，ΔL为定子绕组电感差。

所述求解出定子电流时间导数的数学模型的步骤包括：对式(1)进行导数运算得到：

其中，ω_r为永磁同步电动机定子实际转速，可由定子实际位置求导得到，L_n定义为：

通过求解定子电流在(3)和(4)中的时间导数，得到永磁同步电动机定子电流数学模型描述如下：

其中：

在步骤S2中，所述将模型离散化的步骤包括：

S21，以(5)为基础，将连续的导数算子用离散化符号代替，得到电流采样周期ΔT_k中的电流差ΔI描述如下：

请参考图2及图3，电压矢量

和

由控制器基本控制矢量

分别在时刻T_k和T_k+1注入的频率为控制器PWM载波频率一半的高频电压

和

组成。当电流采样时间间隔足够小时，可认为T_k≈T_k+1，以下假设在两个连续的PWM周期期间成立：

电机及控制器各项参数保持不变；

基本电流分量呈线性变化；

在低速时，转子位置的变化可忽略；

在高惯性机械轴中，转子速度的变化可忽略。

考虑控制器基本控制矢量

在角θ_inj注入高频电压

则PWM两周周期之间的高频定子电流差：

在步骤S3中，对式(9)进行三角等式变换，简化为：

由式(10)可以注意到，静止坐标系中，电流差的α轴和β轴分量都包含有转子位置信息，进一步求解，得到实际转子位置表达式：

由上述推导得出的实际转子位置θ_r可近似为生产实际中的电机转子实际位置，由于θ_inj∈{0,π}，式(11)可进一步简化并得出电机转子实际位置的估计值：

其中，

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种永磁同步电动机转子位置估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，利用永磁同步电动机定子电压数学模型，求解出定子电流时间导数的数学模型；

S2，将模型离散化，并在角θ_inj处注入高频电压V_inj，得到永磁同步电动机高频定子电流差模型；

S3，根据三角等式变换进一步简化所述永磁同步电动机高频定子电流差模型，求解出所述永磁同步电动机高频定子电流差模型中包含的转子位置；

在步骤S1中，所述永磁同步电动机定子电压数学模型为：

其中，V_α为永磁同步电动机定子电压在静止坐标系中α轴分量，V_β为永磁同步电动机定子电压在静止坐标系中β轴分量，R_s为永磁同步电动机定子绕组阻值，I_α为永磁同步电动机定子电流在静止坐标系中α轴分量，L_s为永磁同步电动机定子绕组电感矩阵，I_β为永磁同步电动机定子电流在静止坐标系中β轴分量，Φ_r为转子磁链，θ_r为转子实际位置；

所述永磁同步电动机定子绕组电感矩阵L_s定义为：

其中，L为定子绕组平均电感，ΔL为定子绕组电感差；

在步骤S1中，所述求解出定子电流时间导数的数学模型的步骤包括：

S11，对式(1)进行导数运算得到：

其中，ω_r为永磁同步电动机定子实际转速，由定子实际位置求导得到，L_n定义为：

S12，通过求解定子电流在(3)和(4)中的时间导数，获得永磁同步电动机定子电流数学模型描述如下：

其中：

在步骤S2中，所述将模型离散化的步骤包括：

S21，以(5)为基础，将连续的导数算子用离散化符号代替，得到电流采样周期ΔT_k中的电流差ΔI描述如下：

在步骤S2中，所述高频电压V_inj由将电压矢量

和

由控制器基本控制矢量

分别在时刻T_k和T_k+1注入的频率为控制器PWM载波频率一半的高频电压

和

组成；

在步骤S2中，所述永磁同步电动机高频定子电流差模型满足：

在步骤S3中，所述根据三角等式变换进一步简化模型的步骤包括：

S31，对式(9)进行三角等式变换，简化为：

在步骤S3中，所述求解出电流差模型中包含的转子位置的步骤包括：

S32，对式(10)进行求解，得到实际转子位置表达式：

S33，将实际转子位置θ_r近似为生产实际中的电机转子实际位置；

在步骤S32中，进一步包括：

S321：将式(11)进一步简化并得出电机转子实际位置的估计值：

其中，

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