[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

权利要求书

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：

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；

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：

在矢量控制系统的dq轴系中注入低频脉冲电压：

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；

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；

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；

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；

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：

永磁同步电机dq轴系方程为：

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；

将式(2)通过坐标变换到αβ轴系下，公式(2)简化为：

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；

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：

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；

将(4)中的幅值K消除，采用归一化的方法：

式中Δi_{αi_pu}和Δi_{βi_pu}为α轴和β轴转子的位置正交信号；

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；

具体过程为：

将公式(6)改写为矢量形式：

H＝cos(θ_e-δ)+jsin(θ_e-δ) (7)

其中j为虚数单位，H为输入的位置正交信号矢量；

构建基于空间傅里叶变换的展开式：

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；

注入脉冲电压的频率f_i定义为：

f_i＝1/[(N+2)·T_s] (9)

其中T_s为程序控制周期；

步骤三一：根据和得到N和的估计值为：

式中，和分别表示和N的估计值，为估计的转子电频率；

根据式(8)得到基波估计值和谐波估计值分别为：

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，

执行步骤三二；

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：

然后执行步骤三三；

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：

执行步骤三四；

步骤三四：步骤三三得到的ε送入陷波滤波器H(s)中：

其中陷波滤波器表示为：

式中

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；

得到滤波后的位置误差信号ε′：

ε′＝H(s)·ε (17)

执行步骤三五；

步骤三五：建立PID环节；

永磁同步电机的电磁转矩T_e方程为：

其中P为极对数，ψ_f为转子磁链；

忽略粘滞摩擦系数，机械运动方程为：

其中J为转动惯量，T_L为负载转矩；

负载转矩的变化率近似为0，得到：

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：

式中：

u＝T_e；y＝θ_e；

x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；

由方程(22)得到带有全阶状态反馈矩阵的状态方程：

为估计的状态矩阵，为的估计值，L为参数矩阵；

即：

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；

通过对公式(24)极点配置，得到l₁、l₂、l₃参数的值为：

其中，λ为极点的值；

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；