同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法
阅读说明：本技术 同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法 (Self-adaptive adjustment sensorless control method for synchronous reluctance motor ) 是由 徐殿国 李成睿 王高林 张国强 赵楠楠 于 2020-06-09 设计创作，主要内容包括：一种同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法,属于电机控制技术领域。本发明针对现有同步磁阻电机无位置传感器控制中,零低速运行时采用的高频信号注入法在电机负载较大时存在损耗较大及观测精度降低的问题。包括在同步磁阻电机运行过程中,向其dq轴系注入高频脉冲电压信号；由abc三相轴系下的三相脉冲电流信号得到dq轴系下的电流信号；由dq轴系下的电流信号计算得到转子位置估计误差θ<Sub>err</Sub>,再进一步得到转子估计位置<Image he="77" wi="54" file="DDA0002531400750000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>与转子估计转速<Image he="74" wi="90" file="DDA0002531400750000012.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>同时计算得到高频脉冲电压信号的当前注入电压幅值,使高频脉冲电压信号的幅值按所述当前注入电压幅值进行自适应调整,频率与相位随机,再注入到所述dq轴系中。本发明用于实现电机的无传感器控制。(A synchronous reluctance motor self-adaptive adjustment sensorless control method belongs to the technical field of motor control. The invention aims at the problems of large loss and low observation precision when the motor load is large in the high-frequency signal injection method adopted in zero low-speed operation in the control of the existing synchronous reluctance motor without a position sensor. Injecting a high-frequency pulse voltage signal into a dq shafting of a synchronous reluctance motor in the operation process of the synchronous reluctance motor; obtaining a current signal under a dq shafting from a three-phase pulse current signal under an abc three-phase shafting; calculating to obtain a rotor position estimation error theta from a current signal under a dq shafting err And further obtaining the estimated position of the rotor And estimated rotor speed And meanwhile, calculating to obtain the current injection voltage amplitude of the high-frequency pulse voltage signal, so that the amplitude of the high-frequency pulse voltage signal is adaptively adjusted according to the current injection voltage amplitude, and the frequency and the phase are random and then injected into the dq shafting. The invention is used for realizing the sensorless control of the motor.)
技术领域
本发明涉及同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法，属于电机控制技术领域。
背景技术
同步磁阻电机在工业驱动领域具有越来越高的竞争力，其低成本且鲁棒性强的特点使其在一些低成本、工作环境恶劣的应用领域可以替代目前广泛应用的感应电机、永磁同步电机等。目前工业领域中应用最广泛的矢量控制方式需要电机转子位置信息用于电流信号解耦等控制过程，无位置传感器控制技术可以解决应用位置传感器带来的额外成本以及可靠性降低等问题，是目前电机控制领域一个主要的研究方向。
当前，越来越多的应用领域对电机低速运行时的无传感器控制提出了新的需求，如矿车驱动电机、切割机、拉丝机等。同步磁阻电机零低速运行时采用的无位置传感器技术主要采用高频信号注入法，通过提取电机的凸极特性信息确定转子位置。传统的高频信号注入法主要分为高频旋转电压注入法、高频脉振电压注入法和高频方波电压注入法。相比之下，高频脉振电压注入法的原理更加简单且转矩脉动更小，因此得到更为广泛的应用，但是依旧需要使用滤波器；而高频方波电压注入法则不需要使用滤波器，且电压信号频率可以选择得更高，所以控制性能更加优越。然而，由于注入信号频率较高，会给驱动系统带来额外的高频噪音，又限制了高频方波电压注入法在实际工业领域的应用。目前采用的随机高频方波信号注入方法，将电机相电流PSD中离散分量转化为连续分量，可以降低由于电压注入导致的高频噪音。然而，由于同步磁阻电机参数随负载变化较大的特性，定幅高频电压注入法除了电流噪音污染问题外，在电机运行在较高负载情况时，注入带来的损耗问题尤其突出，且由于注入导致的转矩脉动会导致转子位置估计的准确度降低，使这类方案的实用性降低，限制了其广泛应用。
因此，为了提高无位置传感器技术的实用性，研究具有低噪音及低损耗的零低速同步磁阻电机无位置传感器控制策略具有重要的理论意义和应用价值。
发明内容
针对现有同步磁阻电机无位置传感器控制中，零低速运行时采用的高频信号注入法在电机负载较大时存在损耗较大及观测精度降低的问题，本发明提供一种同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法。
本发明的一种同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法，包括：
在同步磁阻电机运行过程中，向其dq轴系注入高频脉冲电压信号；
然后提取同步磁阻电机abc三相轴系下的三相脉冲电流信号并进行变换，得到dq轴系下的电流信号；
对所述dq轴系下的电流信号进行计算，获得转子位置估计误差θerr；再对转子位置估计误差θerr进行PI调节使其值为零，得到转子估计位置
同时对所述dq轴系下的电流信号进行计算，获得高频脉冲电压信号的当前注入电压幅值，使高频脉冲电压信号的幅值按所述当前注入电压幅值进行自适应调整，频率与相位随机，再注入到所述dq轴系中。
根据本发明的同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法，
所述高频脉冲电压信号包括高频方波电压信号，获得方法包括：
式中，为同步磁阻电机定子注入的d轴高频方波电压信号，
根据本发明的同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法，
所述同步磁阻电机abc三相轴系下的三相脉冲电流信号经clark、park变换后得到dq轴系下的电流信号。
根据本发明的同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法，
所述转子位置估计误差θerr的获得方法包括：
对所述dq轴系下的电流信号
其中
式中Lqh为同步磁阻电机q轴定子电感，Mh为同步磁阻电机互感；Ldh为同步磁阻电机d轴定子电感，Ts为PWM周期，γd2为第二解调信号；
L2＝(Ld-Lq)/2，
Ld为同步磁阻电机d轴电感，Lq为同步磁阻电机q轴电感。
根据本发明的同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法，
所述转子位置估计误差θerr的计算方法包括：
根据同步磁阻电机的dq轴系方程：
式中ud为电机d轴定子电压，uq为电机q轴定子电压，id为电机d轴定子电流，iq为电机q轴定子电流；Rs为定子电阻，ωe为电机的电转速；p为求导；
当同步磁阻电机低于额定转速10％或静止，且高频脉冲电压幅值高于设定阈值时，所述轴系方程简化为：
将简化后的轴系方程变形到测量轴系下：
式中L1＝(Ld+Lq)/2，
θm＝arctan[2Mh/(Ldh-Lqh)]；
当转子位置估计误差θerr在5°以内时，将测量轴系下方程简化，得到转子位置估计误差θerr：
根据本发明的同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法，
对转子位置估计误差θerr进行PI调节，得到转子估计转速
根据本发明的同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法，
转子估计位置与转子估计转速用于同步磁阻电机的转速和电流闭环控制中包括：
将转子给定转速ωref与转子估计转速
所述dq轴电流反馈由dq轴系下的电流信号
根据本发明的同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法，
获得高频脉冲电压信号的当前注入电压幅值的方法包括：
将d轴高频电流反馈值和q轴高频电流反馈值与第二解调信号γd2相乘后得到其变化量
根据本发明的同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法，
所述高频方波电压信号频率与相位随机选取的方法包括：
采用四种高频方波电压信号，分别具有两组频率，每组频率具有90°与270°两组相位，注入电压的定义如下：
式中uk为第k周期注入电压信号，γs为频率、相位随机方波信号，Ti为为注入信号单位周期；所述Ti与TΣ之间满足：TΣ＝Ti或TΣ＝2Ti。
本发明的有益效果：本发明方法基于幅值自适应调节高频信号注入，它在同步磁阻电机运行过程中，向同步磁阻电机的d轴系中注入频率、相位随机，幅值自适应调节的高频脉冲电压；根据同步磁阻电机测量dq轴系下反馈的电流信息，通过dq轴电流微分计算并利用耦合参数进行耦合，得到转子的位置估计误差信号；再利用PI控制将转子的位置估计误差信号调节为零，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；最后利用反馈d轴高频电流信号的幅值进行自适应调节，得到注入电压幅值，保证d轴高频电流信号幅值恒定。
在保证永磁同步电机无位置传感器系统正常运行的情况下，本发明方法采用d轴注入幅值自适应调节的高频电压信号的方式，使得由于高频信号注入导致的噪音污染及损耗大幅下降(经实验验证，输出功率结果显示在满载、150r/min运行情况下，注入导致的损耗降低了77％，以电流功率密度衡量高频噪音，在注入频率附近与传统注入方法相比降低了40dB)，提高了本发明方法的实用性。
本发明方法相比于传统的高频信号注入法而言，在d轴注入幅值可以自适应调整的高频电压，可以有效地降低传统方法中所产生的额外功率损耗及高频噪音，提升无位置传感器的应用价值。
本发明的信号注入方法，实现了同步磁阻电机零低速下，基于幅值自适应调节高频信号注入的无位置传感器控制策略，有效的降低了噪音污染、转矩脉动及功率损耗，提高了位置观测准确度，提高了无位置传感器技术的实用性。
本发明方法无需使用位置传感器即可进行同步磁阻电机的矢量控制，通过在电机电压上叠加一个高频电压信号，即可检测出转子的位置和转速信息，并用于电机闭环控制。相比于传统的高频信号方法，本发明所采用的方法能有效的降低由注入信号带来的损耗，同时由于在重载情况下注入幅值的降低，可以降低注入引起的高频噪音及转矩波动，提高位置观测准确性，大大提高了无位置传感器的使用价值。
附图说明
图1是本发明所述同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法的整体框图；图中SVPWM为空间矢量调制模块，SynRM为同步磁阻电机；
图2是本发明方法中注入高频脉冲电压与激励电流及解调信号的示意图；图中PWMPdriod为PWM周期；
图3是电机在低速150转/分钟转速下，加载至额定负载时，使用本发明方法时的实验波形图；由上至下依次为转子的实际位置波形、转子位置的估计误差波形及相电流波形；；
图4是电机在低速150转/分钟转速下，采用传统的随机高频电压注入法在不同负载情况下的工作波形图；其中(a)为d轴高频电流、转子位置估计误差图；(b)为满载情况下相电流的功率密度谱(PSD)图，(c)为满载情况下相电流的傅里叶分析(FFT)图；
图5是同步磁阻电机在低速150转/分钟转速下，使用本发明方法时在不同负载情况下的工作波形图；其中(a)为d轴高频电流、转子位置估计误差图；(b)为满载情况下相电流的功率密度谱(PSD)图，(c)为满载情况下相电流的傅里叶分析(FFT)图；
图6是不同转速、不同负载情况下，本发明方法与传统高频注入法相比，由注入引起的额外损耗降低百分比。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1所示，本发明提供了一种同步磁阻电机自适应调节无传感器控制方法，包括：
在同步磁阻电机运行过程中，向其dq轴系注入高频脉冲电压信号；dq轴系是指电机的旋转坐标系，dq轴系包括d轴和q轴，d轴指向转子磁阻较小方向，q轴与d轴垂直；
然后提取同步磁阻电机abc三相轴系下的三相脉冲电流信号并进行变换，得到dq轴系下的电流信号；
对所述dq轴系下的电流信号进行计算，获得转子位置估计误差θerr；再对转子位置估计误差θerr进行PI调节使其值为零，得到转子估计位置
同时对所述dq轴系下的电流信号进行计算，获得高频脉冲电压信号的当前注入电压幅值，使高频脉冲电压信号的幅值按所述当前注入电压幅值进行自适应调整，频率与相位随机，再注入到所述dq轴系中。
本实施方式中，对所述dq轴系下的电流信号进行计算，获得转子位置估计误差θerr的过程包括，通过dq轴电流微分计算并利用耦合参数进行耦合，得到转子的位置估计误差。
利用测量得到的d轴当前注入电压幅值，设计自适应调节器，将d轴高频电流幅值保持恒定，将调节器输出作为参考设定注入电压幅值。
图1中，同步磁阻电机无位置传感器系统分为三个部分：电机部分、变频驱动部分和ARM控制部分。电机部分由一台同步磁阻电机构成，作为控制对象。变频驱动部分输出到同步磁阻电机的电流和编码器的位置信息经过采样、A/D转换和滤波等环节输出到ARM控制芯片中作为反馈量。在ARM部分中，电流内环均为PI调节器，用以调节给定电压值的大小，速度外环采用PI调节和无位置传感器控制策略来实现同步磁阻电机的控制，包括随机信号处理及位置观测器和自适应高频电流调节部分。
进一步，所述高频脉冲电压信号包括高频方波电压信号，获得方法包括：
式中，
本实施方式中，q轴高频方波电压信号设置为0。
采用d轴系注入的方法，注入的电压采用方波电压，共有四种信号的电压注入，四种注入方波电压信号具有两个不同的周期，相同周期信号具有两种各不同相位。注入电压的幅值采用本发明方法提出的自适应调节方法，通过检测d轴高频电流分量幅值，采用自适应调节器使其幅值保持恒定。
进一步，结合图1所示，所述同步磁阻电机abc三相轴系下的三相脉冲电流信号经clark、park变换后得到dq轴系下的电流信号。
再进一步，结合图1至图5所示，所述转子位置估计误差θerr的获得方法包括：
对所述dq轴系下的电流信号进行高通滤波得到d轴高频电流反馈值
其中
式中Lqh为同步磁阻电机q轴定子电感，Mh为同步磁阻电机互感；Ldh为同步磁阻电机d轴定子电感，Ts为PWM周期，γd2为第二解调信号；
L2＝(Ld-Lq)/2，
Ld为同步磁阻电机d轴电感，Lq为同步磁阻电机q轴电感。
对于转子位置估计误差θerr，将其作为PI观测器的输入，PI观测器将其变化量调节为零，将观测器输出的位置信号反馈给FOC过程中的位置输入环节，转速信号反馈至转速PI调节控制过程，完成同步磁阻电机的闭环控制过程。
再进一步，结合图1至图5所示，所述转子位置估计误差θerr的计算方法包括：
根据同步磁阻电机的dq轴系方程：
式中ud为电机d轴定子电压，uq为电机q轴定子电压，id为电机d轴定子电流，iq为电机q轴定子电流；Rs为定子电阻，ωe为电机的电转速；p为求导；
当同步磁阻电机低于额定转速10％或静止，且高频脉冲电压幅值高于设定阈值时，所述轴系方程简化为：
将简化后的轴系方程变形到测量轴系下：
式中L1＝(Ld+Lq)/2，
θm＝arctan[2Mh/(Ldh-Lqh)]；
为测量轴系下d轴高频电流信号，为测量轴系下q轴高频电流信号；
当转子位置估计误差θerr在5°以内时，将测量轴系下方程简化，得到转子位置估计误差θerr：
本实施方式中所述设定阈值可以根据实际情况进行选择，满足高频脉冲电压幅值较高的情况。
再进一步，结合图1所示，对转子位置估计误差θerr进行PI调节，得到转子估计转速对转子位置估计误差θerr进行PI调节后再积分，得到转子估计位置
所述转子估计位置在电流闭环控制中输入至三相脉冲电流信号的park变换环节。
再进一步，结合图1到图5所示，转子估计位置与转子估计转速
将转子给定转速ωref与转子估计转速作差，得到转速误差信号，经PI调节后得到dq轴电流给定
所述dq轴电流反馈由dq轴系下的电流信号经低通滤波得到。所述dq轴电流反馈
再进一步，结合图1到图5所示，获得高频脉冲电压信号的当前注入电压幅值的方法包括：
将d轴高频电流反馈值和q轴高频电流反馈值与第二解调信号γd2相乘后得到其变化量进行绝对值计算后与给定值
通过PI调节计算注入电压幅值Uinj，通过实时调节注入电压幅值，保证电机在较高负载时仍能保持d轴高频电流恒定，从而减小由于高频注入为系统带来的额外损耗，同时由于注入幅值的降低，减小系统运行时带来的高频噪音。
再进一步，结合图1到图5所示，所述高频方波电压信号频率与相位随机选取的方法包括：
采用四种高频方波电压信号，分别具有两组频率，每组频率具有90°与270°两组相位，注入电压的定义如下：
式中uk为第k周期注入电压信号，γs为频率、相位随机方波信号，Ti为为注入信号单位周期；所述Ti与TΣ之间满足：TΣ＝Ti或TΣ＝2Ti。
下面采用以下具体实施例来验证本发明的有益效果：
实施例一：
在同步磁阻电机对拖实验平台进行验证。一台3kW永磁同步电机与5.5kW永磁同步电机通过JN338转矩转速测试仪联接，两台变频器采用共直流母线方式相连；永磁同步电机作为加载电机，同步磁阻电机作为测试电机，通过转矩测试仪对转矩转速实时监测。系统装有编码器，用于得到实际位置，并与观测信号进行比较；通过STM32F103VBARM实现矢量控制算法，对同步磁阻电机进行控制；逆变器选用PM25RLA120IPM功率模块，定子电流通过PHA20VB15霍尔电流传感器进行检测；开关频率6kHz；
所使用的同步磁阻电机的主要参数为：额定电压360V，额定电流7.6A，额定转矩9.55N·m，额定频率100Hz，Ld＝51mH，Lq＝19mH，P＝2，Rs＝0.524Ω，注入方波电压频率分别为1.5kHz、750Hz，注入方波电压相位分别为90°、270°；
由图3可以看出，在低速下加载至额定负载，本发明设计的自适应随机注入无位置传感器控制方法能保证系统的稳定运行，且位置误差保持在±8°电角度以内，转子位置估计准确。
图4所示为低速150转/分钟转速下，传统的随机高频方波电压注入法在0、25％、50％、100％额定负载情况下的d轴高频电流分量大小及位置估计误差，额定负载情况下的相电流PSD分析结果，额定负载情况下的相电流FFT分析结果。可以看出，在低速运行下，传统高频注入法在重载时会导致d轴高频电流分量幅值增大，导致较大的波动，进而降低了位置观测精度。
图5所示为低速150转/分钟转速下，本方法的自适应随机高频方波电压注入法在0、25％、50％、100％额定负载情况下的d轴高频电流分量大小及位置估计误差，额定负载情况下的相电流PSD分析结果，额定负载情况下的相电流FFT分析结果；可以看出，在低速运行下，本发明设计的自适应随机注入无位置传感器控制方法可以保证d轴高频电流分量幅值始终恒定保持为190mA，根据相电流PSD分析结果可以看出，在注入频率下无离散尖峰，均为较为平滑的连续谱峰，意味着由高频注入引起的噪声得到了很好的抑制。
图6所示为低速30转/分钟-150转/分钟转速下，负载为0-100％额定负载变化时，与传统高频注入法相比，采用本发明提出的自适应随机注入法时可以减小的由于注入导致的额外损耗百分比。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。