永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法
2023-10-09 05:44:39
永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法
【專利摘要】本發明涉及一種永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法，該方法在導通的兩相串聯繞組中注入高頻電流，提取包括不導通相繞組在內的三相繞組相電壓中高頻分量；基於高頻相電壓與轉子位置角的關係，藉助乘法器、低通濾波器、加法器、坐標變換環節等獲得轉子位置角觀測誤差相關變量，並將所述轉子位置角觀測誤差相關變量依次送至PI控制器、積分器，積分器穩態時輸出即為轉子位置角觀測值。該方法可以準確、可靠地觀測出永磁無刷直流電機在兩相導通模式下低速及零速運行時的轉子位置，應用範圍廣，實現成本低。
【專利說明】永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電機轉子位置檢測【技術領域】，特別涉及一種兩相導通模式下永磁無刷 直流電機低速及零速轉子位置觀測方法。
【背景技術】
[0002] 永磁無刷直流電機（BLDCM)由於其具有結構簡單、出力大和效率高等特點，已在國 防、航空航天、機器人、工業過程控制、精密工具機、汽車電子、家用電器和辦公自動化等領域 中得到了較好的應用，對其高性能控制策略的研究具有重要的理論意義和使用價值。目前 對其控制策略的研究主要有兩種：電流閉環PWM控制和直接轉矩控制（DTC)。
[0003] 與傳統的正弦波永磁同步電機相比較，永磁無刷直流電機轉子反電動勢理論上設 計為方波，這樣在繞組中流過方波電流，調節方波電流的幅值即可控制電磁轉矩，任何瞬時 只有兩相定子繞組串聯實現機電能量轉換，而第三相定子繞組懸空沒有電流，這種繞組導 通方式稱為兩相導通模式。
[0004] 為了實現繞組可靠換流，絕大多數永磁無刷直流電機內置了霍爾傳感器，輸出三 路開關信號，據此實現繞組電流的換流。但從系統可靠運行及降低系統成本角度，希望實現 無位置傳感器運行。對於電流閉環PWM系統，主要採用的無位置傳感器方案有高頻信號注 入法、基於基波模型法，除了高頻信號注入法外，其它方案無位置傳感器運行的最低轉速只 有lOOr/min左右，這樣一種運行最低轉速的瓶頸會帶來兩個主要不利影響：1)電機由零轉 速閉環負載啟動困難，甚至出現啟動失敗。這是由於極低轉速區域，轉子位置觀測值極不準 確，致使繞組電流換流及電磁轉矩控制不正確。為此，只能採用其他輔助方法進行啟動電 機，例如：三段式啟動法、預定位啟動法、升頻升壓同步啟動法、電壓插值啟動法等。這些輔 助啟動方法一定程度上制約電機啟動時負載能力，同時也制約了驅動系統極低轉速運行。 2)無位置傳感器運行有效調速範圍較窄。雖然高頻信號注入方法理論上可以實現零轉速運 行，但現有的文獻研究的高頻信號注入法要求電機處於三相導通模型，研究成果無法應用 於兩相導通模式。若在永磁無刷直流電機上採用三相導通模式，則從根本上磨滅了該種電 機設計的初始出發點。
[0005] 雖然電流閉環PWM系統無位置傳感器技術研究的較多，但對於直接轉矩控制無刷 直流電機驅動系統的無位置傳感器技術的研究還很少，現有的技術均是基於可測量的電 壓、電流量，藉助電機的基波數學模型構建觀測器法。從公開文獻的實驗結果可見，能夠穩 定運行的最低轉速約為60r/min (對應電頻率為5Hz)。
[0006] 縱觀目前的兩相導通模式的永磁無刷直流電機無位置傳感器技術研究現狀，電機 處於中、高轉速區的技術已經比較成熟，但低速及零轉速無位置傳感器技術研究還是一個 空白，而且也是一個難點。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在於提供一種永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法，該 方法可以準確、可靠地觀測出永磁無刷直流電機在兩相導通模式下低速及零速運行時的轉 子位置，應用範圍廣，實現成本低。
[0008] 為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種永磁無刷直流電機低速及零速轉子 位置觀測方法，該方法在導通的兩相串聯繞組中注入高頻電流，提取包括不導通相繞組在 內的三相繞組相電壓中高頻分量；基於高頻相電壓與轉子位置角的關係，藉助乘法器、低 通濾波器、加法器、坐標變換環節等獲得轉子位置角觀測誤差相關變量，並將所述轉子位置 角觀測誤差相關變量依次送至PI控制器、積分器，積分器穩態時輸出即為轉子位置角觀測 值。
[0009] 進一步的，所述永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法，包括以下步 驟： (1) 在導通的兩相串聯繞組中注入頻率為ω的高頻電流； (2) 對三相繞組相電壓士、辦、《,進行採樣，分別經過中心頻率為ω的帶通濾波器濾波， 輸出對應的三個高頻電壓分量《1、《1、; (3) 分別將所述高頻電壓分量依次送給乘法器及低通濾波器，輸出經過信號 解調後的三個直流分量· COSW ?)· COSW ?)· COSW ?); (4) 將直流量0、
【權利要求】
1. 一種永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法，其特徵在於，該方法在導通 的兩相串聯繞組中注入高頻電流，提取包括不導通相繞組在內的三相繞組相電壓中高頻分 量；基於高頻相電壓與轉子位置角的關係，藉助乘法器、低通濾波器、加法器、坐標變換環節 等獲得轉子位置角觀測誤差相關變量，並將所述轉子位置角觀測誤差相關變量依次送至PI 控制器、積分器，積分器穩態時輸出即為轉子位置角觀測值。
2. 根據權利要求1所述的永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法，其特徵在 於，包括以下步驟： (1) 在導通的兩相串聯繞組中注入頻率為ω的高頻電流； (2) 對三相繞組相電壓士、辦、《,進行採樣，分別經過中心頻率為ω的帶通濾波器濾波， 輸出對應的三個高頻電壓分量《1、《1、; (3) 分別將所述高頻電壓分量依次送給乘法器及低通濾波器，輸出經過信號 解調後的三個直流分量·COSW?)·COSW?)·COSW?); (4) 將直流量0、 十0·5Ι,"_(Γ-Μ)、-0.5Jw&T(f-Μ)同時接至三個三位開關馬、&、S4並 依次錯開一個工位，以使三位開關導通相在任一時刻輸出的直流量為 +0·5]"β5(?-Μ)、〇、-CL5J",cy(f-Μ)或-M)、-Μ) 、?或 0、-0.SImG](iL-Aif) >-*-Q.SImii^L-A/");將所述直流分量LPF、uAg ·cos〇t、、 Z/7/7(% ·cos?i)、Z/7/7·cos?i)及分別由所述三位開關馬、A、S4的導通相 輸出的直流量對應送給三個加法器，進一步解調出三個直流電壓分量?、、化； f= 4σ^ -I3J,醜=-Mrcri -025(1-，Il3nJ, 分別為相繞組電感 中d、q軸方向主電感峰值，Ζ5σ1、#5σ1分別為繞組自電感中漏感和繞組之間的互漏感； (5) 將所述直流電壓分量送給3/2坐標變換環節，輸出〇軸直流電壓A軸直流電壓?# ; (6) 將~一_，以及根據反饋回來的轉子位置角觀測值&計算獲得的旋轉坐標系夾角 +$δ送給坐標旋轉變換環節，輸出與轉子位置角觀測誤差相關的變量f/軸直流電壓 ;所述為旋轉坐標系角度修正值； (7) 將變量送給Pl調節器，Pl調節器穩態時輸出轉子電角速度觀測值￡% ; (8) 將轉子電角速度觀測值￡%送至積分器，積分器穩態時輸出轉子位置角觀測值或： 4 =丨。
3. 根據權利要求2所述的永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法，其特徵在 於，在步驟（1)中，採用閉環控制在導通的兩相串聯繞組中注入高頻電流，包括以下步驟： (I. 1)高頻信號發生器分別產生高頻正交基準信號sin?i、cos?i; (1. 2)根據高頻正弦信號sin?i及高頻電流幅值厶，計算出在繞組中注入的高頻電流 給定值i/=4 ·sinω?; (I. 3)對三相繞組電流心、i5、i,進行採樣，分別經過中心頻率為ω的帶通濾波器濾波， 輸出對應的三個高頻電流分量ii、i&、; (I. 4)將所述高頻電流分量接至三位開關兄，根據三位開關兄的導通情況， 輸出三位開關兄的導通相對應的高頻電流,即高頻電流反饋值& ; (1. 5)計算高頻電流給定值i/和高頻電流反饋值&的誤差，並將其送給高頻電流控制 器，輸出控制高頻電流的導通串聯繞組線電壓高頻電壓給定值 (1. 6)將導通串聯繞組線電壓高頻電壓給定值和導通串聯繞組線電壓基波電壓給 定值同時送給定子繞組電壓PWM環節，再經過功率開關驅動控制三相逆變器，實現電機 轉矩閉環控制，同時在導通的兩相串聯繞組中注入高頻電流4 ·sin--。
4. 根據權利要求3所述的永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法，其特徵 在於，所述三相繞組電流4、厶、i,分別經過中心頻率為ω的帶阻濾波器濾波，輸出對應的 三個基波電流分量、i#、;將基波電流分量、i#、及轉子位置角觀測值< 輸入電 流PWM閉環控制或直接轉矩控制算法環節，計算得到導通串聯繞組線電壓基波電壓給定值 氺 Ut。
5. 根據權利要求2所述的永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法，其特徵在 於，在步驟（2)中，若是AB相繞組導通，則：
若是BC相繞組導通，則：
若是CA相繞組導通，則：
6. 根據權利要求2所述的永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法，其特徵在 於，在步驟（3)中，若是AB相繞組導通，則：
若是BC相繞組導通，則：
若是CA相繞組導通，則：
7.根據權利要求2所述的永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法，其特徵在 於，在步驟（4)中，若是AB相繞組導通，則：
若是BC相繞組導通，則：
若是CA相繞組導通，則：
8. 根據權利要求2所述的永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法，其特徵在 於，在步驟（5)中，所述3/2坐標變換環節輸出的為：
9. 根據權利要求2所述的永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法，其特徵在 於，在步驟（6)中，所述坐標旋轉變換環節的輸出為 ：
其中，為與轉子位置角觀測誤差相關的變量,24〇為，軸直流電壓。
10. 根據權利要求2所述的永磁無刷直流電機低速及零速轉子位置觀測方法，其特徵 在於，在步驟（7)中，所述PI調節器穩態時輸出的轉子電角速度觀測值每為：
其中&為比例係數，&>〇,為積分係數，足>>〇。
【文檔編號】H02P21/14GK104320034SQ201410594477
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月30日 優先權日:2014年10月30日
【發明者】周揚忠, 張登靈, 陳旭東 申請人:福州大學