阅读说明：本技术 一种内插式永磁同步电机转子位置信息提取方法 (Interpolation type permanent magnet synchronous motor rotor position information extraction method ) 是由 侯文宝 李德路 张刚 刘志坚 王文杰 于 2020-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种内插式永磁同步电机转子位置信息提取方法,包括转子位置信息实时提取和转子初始位置信息提取,本发明结构科学合理,使用安全方便,通过采用滑窗频谱算法的作用,对前一时刻采样点数据的傅里叶变换进行简单的加减法和一次复数乘法就可得到当前时刻采样点数据的傅里叶变换,大幅降低运算量且易于提取特定频率次信号的幅值,有效提取高频电流信号幅值、实时提取转子位置信息,同时,通过所提取高频电流信号的幅值判断,可得到永磁同步电机的初始位置信息,解决了反电势法无法有效提起转子初始位置的问题,通过搭建小功率实验平台的作用,完成了不同转速下的转子位置辨识验证及转子初始位置精准度测试。(The invention discloses an interpolation permanent magnet synchronous motor rotor position information extraction method, which comprises the steps of rotor position information real-time extraction and rotor initial position information extraction, and the invention has scientific and reasonable structure and safe and convenient use, and adopts the function of a sliding window frequency spectrum algorithm, the Fourier transform of the sampling point data at the current moment can be obtained by carrying out simple addition and subtraction and one-time complex multiplication on the Fourier transform of the sampling point data at the previous moment, the operation amount is greatly reduced, the amplitude of a signal with specific frequency is easy to extract, the amplitude of a high-frequency current signal is effectively extracted, the position information of a rotor is extracted in real time, meanwhile, the initial position information of the permanent magnet synchronous motor can be obtained through the amplitude judgment of the extracted high-frequency current signal, the problem that the initial position of the rotor cannot be effectively lifted by a back electromotive force method is solved, through the function of building a low-power experiment platform, the rotor position identification verification and the rotor initial position accuracy test under different rotating speeds are completed.)

一种内插式永磁同步电机转子位置信息提取方法

技术领域

本发明涉及内插式永磁同步电机技术领域，具体为一种内插式永磁同步电机转子位置信息提取方法置。

背景技术

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用，永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，而转子位置信息的实时有效提取是永磁同步电机是高效可靠运行的前提，现有技术中，实时获取转子位置信息时，运算量大，提取特定频率次信号的幅值困难，运算成本较高，且利用反电势法无法有效提起转子初始位置的问题，所以急需一种内插式永磁同步电机转子位置信息提取方法来解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种内插式永磁同步电机转子位置信息提取方法，可以有效解决上述背景技术中提出现有技术中，实时获取转子位置信息时，运算量大，提取特定频率次信号的幅值困难，运算成本较高，且利用反电势法无法有效提起转子初始位置的问题的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种内插式永磁同步电机转子位置信息提取方法，包括转子位置信息实时提取和转子初始位置信息提取，其具体步骤如下所示：

转子位置信息实时提取：

S1、定义转子励磁绕组上的直角dq坐标系，原点O、纵轴q和横轴d以及定子A轴，其中，定子A轴与横轴d之间的夹角为θ；

S2、定义虚拟旋转

坐标系，其中，坐标系与dq坐标系为同一原点O，且以原点O进行旋转，旋转角度小于θ，轴与A轴之间的夹角为

S3、得出两个坐标系的变换矩阵为：

对于内插式永磁同步电机，其在dq坐标系下的磁链方程表示为：

S4、在电机定子侧注入高频电压激励信号，并由高频电流矢量产生的磁链方程为并将ψ_id,ψ_iq转换到虚拟旋转

坐标系，则有

并将高频电流分量转换到虚拟旋转

坐标系下，得出

整理得出

其中，L_Σ＝(L_d+L_q)/2，L_Δ＝(L_q-L_d)/2；

S5、采用滑窗离散傅里叶变换进行高频电流分量幅值的提取，定义高频电流为一有限长数据序列，表示为i(m)，其长度为M，则其传统离散傅里叶变换为：

其中：W_M＝e^-j2π/M，并将其展开得出

进行两次采样，设第一次采样的M个数据为i(0))到i(M-1)，用数据列i₀表示；第二次采样的M个数据为i(1)到i(M)，用数据列i₁表示，分别对第一和第二次采样数据进行传统离散傅里叶变换，可得I₀(k)和I₁(k)分别为：

通过对前一时刻采样点数据的傅里叶变换进行加减法和一次复数乘法就可得到当前时刻采样点数据的傅里叶变换，即为：

转子初始位置信息提取：检测高频电流信号幅值，当检测到的高频电流信号幅值达到最大时，所对应的相位即为转子N极的位置θ_N，且将θ_N与转子夹角相比较，若二者相差小于90°，则提取出来的为实际转子位置角；若二者相差大于90°，则提取出来的为S级位置，并加上180°后才为实际转子位置角度。

优选的，所述步骤S3中，磁链方程为其中ψ_d和ψ_q为定子磁链的dq轴分量；i_d和i_q为定子电流的dq轴分量；l_d和l_q分别为交直轴电感，ψ_f则为永磁励磁分量。

优选的，所述步骤S4中，在电机定子侧注入高频电压激励信号，其中，注入高频电压的角速度远大于转子角速度。

优选的，所述步骤S4中，磁链方程其中，ψ_id和ψ_iq为高频电流矢量产生的dq轴磁链分量；i_id和i_iq则为对应的高频电流分量。

优选的，所述步骤S5中，

其中通过设定特定的k值，即可读取特定频率的信号幅值。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明结构科学合理，使用安全方便，通过采用滑窗频谱算法的作用，通过对前一时刻采样点数据的傅里叶变换进行简单的加减法和一次复数乘法就可得到当前时刻采样点数据的傅里叶变换，大幅降低运算量且易于提取特定频率次信号的幅值，有效提取高频电流信号幅值、进而通过PI偏差调节实时提取转子位置信息，同时，通过所提取高频电流信号的幅值判断，可得到永磁同步电机的初始位置信息，解决了反电势法无法有效提起转子初始位置的问题，通过搭建小功率实验平台的作用，完成了不同转速下的转子位置辨识验证及转子初始位置精准度测试，节约时间，降低运算成本。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明的虚拟旋转坐标系；

图2是本发明的转子位置信息提取原理框图；

图3是本发明的离散数据处理示意图；

图4是本发明的定子磁链d轴分量与电流之间关系示意图；

图5是本发明的内插式永磁同步电机实验平台原理图；

图6是本发明的高频注入下电流波形图；

图7是本发明的高频电流SDFT解调波形图；

图8是本发明的SDFT法提取转子位置角及转速示意图；

图9是本发明的不同转子位置初始位置下高频电流矢量图；

图10是本发明的转子初始位置角检测误差示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：如图1-2所示，本发明提供一种技术方案，一种内插式永磁同步电机转子位置信息提取方法，包括转子位置信息实时提取和转子初始位置信息提取，其具体步骤如下所示：

转子位置信息实时提取：

S1、定义转子励磁绕组上的直角dq坐标系，原点O、纵轴q和横轴d以及定子A轴，其中，定子A轴与横轴d之间的夹角为θ；

S2、定义虚拟旋转坐标系，其中，坐标系与dq坐标系为同一原点O，且以原点O进行旋转，旋转角度小于θ，轴与A轴之间的夹角为

S3、得出两个坐标系的变换矩阵为：对于内插式永磁同步电机，其在dq坐标系下的磁链方程表示为：

S4、在电机定子侧注入高频电压激励信号，并由高频电流矢量产生的磁链方程为并将ψ_id,ψ_iq转换到虚拟旋转

坐标系，则有并将高频电流分量转换到虚拟旋转

坐标系下，得出

整理得出

其中，L_Σ＝(L_d+L_q)/2，L_Δ＝(L_q-L_d)/2；

S5、采用滑窗离散傅里叶变换进行高频电流分量幅值的提取，定义高频电流为一有限长数据序列，表示为i(m)，其长度为M，则其传统离散傅里叶变换为：

其中：W_M＝e^-j2π/M，并将其展开得出进行两次采样，如图3所示，设第一次采样的M个数据为i(0))到i(M-1)，用数据列i₀表示；第二次采样的M个数据为i(1)到i(M)，用数据列i₁表示，分别对第一和第二次采样数据进行传统离散傅里叶变换，可得I₀(k)和I₁(k)分别为：

通过对前一时刻采样点数据的傅里叶变换进行加减法和一次复数乘法就可得到当前时刻采样点数据的傅里叶变换，即为：

为了确保电机的有效启动和运行，需要对同步电机需要进行转子位置进行检测，基于反电动势或者磁链观测原理的无位置传感器控制技术，由于电机静止时反电动势为0，无法进行有效的初始位置检测，而对于内插式永磁同步电机而言，由于其本身的凸级效应，当注入高频电压信号时，其高频电流响应信号中包含的转子位置信息在电机静止时仍然存在，故可进行转子初始位置信息提取；

如图4所示，定子磁链d轴分量与电流之间的关系，定子铁芯的饱和程度与d轴电流大小有关，当d轴电流产生的磁通分量与转子永磁磁通方向相同时，饱和程度增加，反之相反，基于上述饱和效应的存在，当注入高频旋转电压信号时，产生的高频电流响应会受到调制，当高频电流响应矢量转到转子N极时，幅值达到最大；相反当转到S极时饱和程度减弱，电感增大，电流幅值减小，因此可通过判断SDFT算法提取的感应电流幅值大小来辨识转子磁极N/S极性。

转子初始位置信息提取：检测高频电流信号幅值，当检测到的高频电流信号幅值达到最大时，所对应的相位即为转子N极的位置θ_N，且将θ_N与转子夹角

相比较，若二者相差小于90°，则提取出来的为实际转子位置角；若二者相差大于90°，则提取出来的

为S级位置，并加上180°后才为实际转子位置角度。

步骤S3中，磁链方程为其中ψ_d和ψ_q为定子磁链的dq轴分量；i_d和i_q为定子电流的dq轴分量；l_d和l_q分别为交直轴电感，ψ_f则为永磁励磁分量。

步骤S4中，在电机定子侧注入高频电压激励信号，其中，注入高频电压的角速度远大于转子角速度。

步骤S4中，磁链方程其中，ψ_id和ψ_iq为高频电流矢量产生的dq轴磁链分量；i_id和i_iq则为对应的高频电流分量。

步骤S5中，其中通过设定特定的k值，即可读取特定频率的信号幅值。

对比例：

传统转子位置信息实时提取：

第一步，定义转子励磁绕组上的直角dq坐标系，原点O、纵轴q和横轴d以及定子A轴，其中，定子A轴与横轴d之间的夹角为θ；

第二步，定义虚拟旋转坐标系，其中，坐标系与dq坐标系为同一原点O，且以原点O进行旋转，旋转角度小于θ，轴与A轴之间的夹角为

第三步、得出两个坐标系的变换矩阵为：对于内插式永磁同步电机，其在dq坐标系下的磁链方程表示为：

第四步、在电机定子侧注入高频电压激励信号，并由高频电流矢量产生的磁链方程为并将ψ_id,ψ_iq转换到虚拟旋转坐标系，则有

并将高频电流分量转换到虚拟旋转

坐标系下，得出

整理得出

其中，L_Σ＝(L_d+L_q)/2，L_Δ＝(L_q-L_d)/2；

第五步、注入的旋转高频电压激励为：由电压-磁链关系可得，

并将其代入第四步中，得出：

进一步简化：

其中，

可求解得到在虚拟坐标系下高频电流的幅值为：

进一步可得：

其中，含有虚拟旋转坐标系和dq坐标系的偏差角Δθ的余弦分量，可通过步骤三中的

将其变换成偏差角Δθ的正弦分量，将虚拟旋转坐标系进行调整角度，即

进一步可得：其中，已知高频电流分量的平方差值，即，通过设置合适的观测器或PI调节器将其调节至0，则此时即此时定义的虚拟位置角即为实际的转子位置信息，从而实现了转子位置信息的实时有效提取。

传统转子位置信息实提取前提是高频电流分量的平方差值的实时获取，操作复杂，且运算量大，与对比例相比，本实施例采用滑窗离散傅里叶变换进行高频电流分量幅值的提取，通过对前一时刻采样点数据的傅里叶变换进行简单的加减法和一次复数乘法就可得到当前时刻采样点数据的傅里叶变换，大幅降低运算量且易于提取特定频率次信号的幅值，提高运行效率，节约时间，降低运算成本。

结果验证分析：

如图5所示，搭建以TMS320F28335为主控芯片的内插式永磁同步电机实验平台，注入的旋转高频电压频率为1250Hz，幅值为6V，其中，内插式永磁同步电机参数如下表所示：

如图6所示，为转速0.1Pu时，注入频率1250Hz，幅值10V的旋转高频电压后，电机绕组的高频电流响应，其中图6(a)所示为A相绕组相电流，由图可知，在原有基波分量上叠加了注入高频分量，图6(b)所示为经带通滤波器滤波后得到的两相绕组高频电流波形。

如图7所示，为采用滑窗离散傅里叶变换算法的高频电流解调波形，其中，图7(a)和7(c)分别为高频电流d、q轴分量及其滑窗离散傅里叶变换算法提取出的幅值平方量，图7(b)和7(d)为二者的放大图，由图可知，滑窗离散傅里叶变换算法能够将高频电流信号的幅值完整的提取出来，这是利用二者幅值间的关系，对高频电流进行解调，得到包含转子位置信息误差项的重要前提。

如图8所示，为采用滑窗离散傅里叶变换算法的转子位置信息提取实验波形，其中图8(a)所示为转速斜坡给定值为0.01Pu时，电机从零速空载启动至稳态时，转速给定值与滑窗离散傅里叶变换算法提取出的转速波形，图8(b)所示为稳态运行至0.01Pu时，实测转子位置角与高频注入法估计的转子位置角波形，由图中可知，本实施例所采用的滑窗离散傅里叶变换算法将高频电流解调，能够提取出其中包含的位置信息，在无位置传感器控制中，解决基于反电动势观测法在低速段失效问题。

如图9所示，为转子初始位置分别为0°、45°、90°、135°和180°时高频电流矢量运动轨迹波形，由图中可知，高频电流矢量的运动轨迹为一椭圆，而且椭圆的位置与转子初始位置角有关，运动轨迹图中椭圆的长轴与水平线夹角即为此时的转子位置角。

在实验平台上对转子初始位置角检测原理进行验证，转子位置实际值事先通过编码器测量得到并在轴上标记好，将实际值作为为横坐标，检测值和检测误差作为纵坐标得到的拟合曲线如图10所示，由图中可知，检测误差基本能够控制在6°电角度以内，能够满足矢量控制的精度要求。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。