抗积分饱和的无感永磁同步电机转子位置检测方法
阅读说明：本技术 抗积分饱和的无感永磁同步电机转子位置检测方法 (Integration saturation resistant non-inductive permanent magnet synchronous motor rotor position detection method ) 是由 王可睿 孔令新 王乃龙 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种抗积分饱和的无感永磁同步电机转子位置检测方法,所述方法包括：获取电压V-(α)与电压V-(β)及电流I-(α)与电流I-(β)；构建关于电机磁通量Ψ在ɑ轴上的投影磁通量Ψ-(α)以及在β轴上的投影磁通量Ψ-(β)的数学模型,使用积分运算器对数学模型中的积分项进行运算；并根据积分运算器的积分值实时对偏置值进行调整；对磁通量Ψ-(α)及磁通量Ψ-(β)进行高通滤波后进行反正切运算以得到转子原始角度位置θ-(raw)；对转子原始角度位置θ-(raw)进行差分运算得到转子原始角速度ω-(raw)；随对将转子原始角速度ω-(raw)进行低通滤波器从而得到转子角速度ω；根据转子角速度ω得转子角度位置θ。(The invention discloses an integral saturation resistant noninductive permanent magnet synchronous motor rotor position detection method, which comprises the following steps: obtaining a voltage V α And voltage V β And current I α And current I β (ii) a Constructing a projected magnetic flux Ψ on an axis alpha with respect to a motor magnetic flux Ψ α And the projected magnetic flux Ψ on the β axis β The integral operator is used for operating an integral term in the mathematical model; adjusting the bias value in real time according to the integral value of the integral arithmetic unit; for the magnetic flux Ψ α And magnetic flux Ψ β Performing high-pass filtering and performing arc tangent operation to obtain the original angle position theta of the rotor raw (ii) a For the original angular position theta of the rotor raw Carrying out differential operation to obtain the original angular velocity omega of the rotor raw (ii) a Rotor original angular velocity omega along with pair raw Performing a low-pass filter to obtain a rotor angular velocity omega; and obtaining the rotor angular position theta according to the rotor angular speed omega.)
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种抗积分饱和的无感永磁同步电机转子位置检测方法和系统。
背景技术
在电机控制中为实现效率最大化，需要获知转子的实时位置信息。该位置信息既可来自于传感器，又可通过一定算法估计获得。其中，前者称为有感方案，后者称为无感方案。相较于有感方案，无感方案有成本低、适应传感器可能失效的高温高压环境等优势。
无感方案中，检测转子位置的算法模块称为观测器。根据算法原理，观测器可分为两类：第一类为基于凸极性的观测器。该类算法借助电机电感并非各向同性的特点，采用高频注入的方法提取位置信息，其优势在于可适用于低速场景，且对电机参数不敏感。其劣势在于当电机凸极性较弱时，位置估计准确度大大下降，并且高频注入会产生噪音。第二类为基于反电动势模型的观测器。该类算法通过估计电机转动时产生的反电动势提取其中包含的位置信息。常见的提取算法有卡尔曼滤波算法，扩展磁链算法，和基于定子电压模型的直接积分算法等。其中直接积分算法计算简单，但系统中存在的直流偏置会使得积分器饱和，从而大大降低位置估计精度。卡尔曼滤波算法，扩展磁链算法等不存在积分器饱和的现象，但运算过于复杂，工程上付出的计算代价过大。且对于不同电机，这些算法中引入的一些参数取值不同，如何选取合适的参数对于使用者造成很大挑战。
本发明立足于现有的位置观测器原理和不足的分析，提出一种基于反电动势模型，可抗积分器饱和的无感永磁同步电机位置检测方法。该方法解决了基于定子电压模型的直接积分算法中积分器饱和的问题，运算量小，节省逻辑资源，易于在工程上实现。同时该算法具有较好的参数鲁棒性，不需要使用者调节算法参数，易于推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是解决基于定子电压模型的电机转子位置检测直接积分算法中积分器饱和的问题，且运算量小、节省逻辑资源，易于在工程上实现。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种抗积分饱和的无感永磁同步电机转子位置检测方法，所述方法包括：
获取电机定子坐标系下ɑ及β轴上的施加的电压Vα与电压Vβ，以及ɑ及β轴上的电流Iα与电流Iβ；
构建关于电机磁通量Ψ在ɑ轴上的投影磁通量Ψα以及在β轴上的投影磁通量Ψβ的数学模型，所述数学模型表示为：
；；
上述数学模型中，R为电机的相电阻，L为电机的相电感，Ψ为电机的磁通量，θ为电 子转子的角度位置；为第一积分项，为第二积 分项，Offsetα为第一偏置值，Offsetβ为第二偏置值；
使用第一积分运算器对第一积分项进行运算，使用第二积分运算器对第二积分项进行运算；并根据第一积分运算器和第二积分运算器的积分值实时对第一偏置值Offsetα和第二偏置值Offsetβ进行调整；
将磁通量Ψα及磁通量Ψβ输入高通滤波器滤波后的磁通量Ψα_hpf及磁通量Ψβ_hpf；并对磁通量Ψα_hpf和磁通量Ψβ_hpf进行反正切运算以得到转子原始角度位置θraw；
对转子原始角度位置θraw进行差分运算得到转子原始角速度ωraw；
随后将转子原始角速度ωraw输入至低通滤波器以消除差分运算器引入的高频噪声从而得到转子角速度ω；
根据转子角速度ω得到转子角度位置补偿值Δθ，将转子角度位置补偿值Δθ与转子原始角度位置θraw进行加法运算从而得到转子角度位置θ。
在一个实施例中，所述根据第一积分运算器和第二积分运算器的运算值对第一偏置值Offsetα和第二偏置值Offsetβ进行调整具体为：
令第一积分运算器和第二积分运算器的最大容纳值为Tmax，最小容纳值为Tmin；
当第一积分运算器的积分值处于至之间时，第一偏置值Offsetα设置为0； 当第一积分运算器的积分值处于至之间时，第一偏置值Offsetα设置为a，a为正数； 当第一积分运算器的积分值处于至之间时，第一偏置值Offsetα设置为-a；
当第二积分运算器的积分值处于至之间时，第二偏置值Offsetβ设置为0； 当第二积分运算器的积分值处于至之间时，第二偏置值Offsetβ设置为a，a为正数； 当第二积分运算器的积分值处于至之间时，第二偏置值Offsetβ设置为-a。
在一个实施例中，第一偏置值Offsetα与第二偏置值Offsetβ的取值a为1。
在一个实施例中，将磁通量Ψα及磁通量Ψβ输入高通滤波器滤波后由第一偏置值Offsetα和第二偏置值Offsetβ带来的直流偏置量将被过滤掉。
在一个实施例中，根据转子角速度ω与通过查找角速度与补偿值数值关系表的方式得到转子角速度ω下的角度位置补偿值Δθ，
根据本发明的另一方面，还提供了一种抗积分饱和的无感永磁同步电机转子位置检测系统，所述系统包括第一增益运算器1、第一加法运算器2、第一积分器运算器3、第二增益运算器4及第二加法运算器5；当电机定子坐标系下ɑ轴上的施加的电压为电压Vα且ɑ轴上施加的电流为电流Iα时；电流Iα通过第一增益运算器1后输入至第一加法运算器2，电压Vα与第一偏置值Offsetα同时输入至第一加法运算器2，所述第一加法运算器2的输出值输入至第一积分运算器3，第一积分运算器3的积分运算结果输入至第二加法运算器5，同时电流Iα通过第二增益运算器4后输入至第二加法运算器5，经第二加法运算器5运算得到电机磁通量Ψ在ɑ轴上的投影量Ψα；
所述系统还包括第三增益运算器6、第三加法运算器7、第二积分器运算器8、第四增益运算器9及第四加法运算器10；当电机定子坐标系下β轴上的施加的电压为电压Vβ且β轴上施加的电流为电流Iβ时；电流Iβ通过第三增益运算器6后输入至第三加法运算器7，电压Vα与第二偏置值Offsetβ同时输入至第三加法运算器7，所述第三加法运算器7的输出值输入至第二积分运算器8，第二积分运算器8的积分运算结果输入至第四加法运算器10，同时电流Iβ通过第四增益运算器9后输入至第四加法运算器10，经第四加法运算器10运算得到电机磁通量Ψ在β轴上的投影量Ψβ
所述系统还包括一高通滤波器11和第二高通滤波器12，磁通量Ψα输入至第一高通滤波器11得到滤波后的磁通量Ψα_hpf；磁通量Ψβ输入至第二高通滤波器12得到滤波后的磁通量Ψβ_hpf；
所述系统还包括反正切函数运算器13、差分运算器14、低通滤波器15及第五加法运算器16；将经过高通滤波的磁通量Ψα_hpf和磁通量Ψβ_hpf送入反正切函数运算器13，从而得到转子的原始角度位置θraw；将原始角度位置θraw输入差分运算器14既可以得到转子原始角速度ωraw，将原始角速度ωraw输入至低通滤波器15得到转子角速度ω；根据转子角速度ω得到角度位置补偿值Δθ；将原始角速度ωraw与角度位置补偿值Δθ送入第五加法运算器16后，即得到电子转子的角度位置θ。
在一个实施例中，所述第一积分运算器3中的积分运算中包含对第一偏置值Offsetα的积分运算；所述第二积分运算器8中的积分运算中包含对第二偏置值Offsetβ的积分运算；令第一积分运算器3和第二积分运算器8的最大容纳值为Tmax，最小容纳值为Tmin；则：
当第一积分运算器3的积分值处于至之间时，第一偏置值Offsetα设置为 0；当第一积分运算器3的积分值处于至之间时，第一偏置值Offsetα设置为a，a为正 数；当第一积分运算器3的积分值处于至之间时，第一偏置值Offsetα设置为-a；
当第二积分运算器8的积分值处于至之间时，第二偏置值Offsetβ设置为 0；当第二积分运算器8的积分值处于至之间时，第二偏置值Offsetβ设置为a，a为正 数；当第二积分运算器8的积分值处于至之间时，第二偏置值Offsetβ设置为-a。
在一个实施例中，第一偏置值Offsetα与第二偏置值Offsetβ的取值a为1。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
1.本发明中在积分运算中引入了动态偏置值，从而实现了有效的抗积分饱和效果，且该动态偏置值能够通过高通滤波器过滤消除，并不影响最终计算结果；
2.本发明的计算量相对于传统的卡尔曼滤波算法，扩展磁链算法大大降低了计算量，且抗积分饱和效果持平。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
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，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明一实施例的抗积分饱和的无感永磁同步电机转子位置检测系统结构示意图；
图2是根据本发明一示例的抗积分饱和的无感永磁同步电机转子位置检测方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图1-2对本发明作进一步地详细说明。
图1是根据本发明一实施例的抗积分饱和的无感永磁同步电机转子位置检测系统结构示意图。下面结合图1对本发明进行说明。
在电机技术领域中，以电机定子作为参照物的定子坐标系，即ɑ-β坐标系中，电机的电压模型表达式为：
；
；
其中，电压Vα与电压Vβ为ɑ，β轴上的施加的电压，电流Iα与电流Iβ为通过ADC电路采集的ɑ，β轴上的电流，R为电机的相电阻，L为电机的相电感，Ψ为电机的磁通量，θ为电子转子的角度位置。
如图1所示，电流Iα通过第一增益运算器1后输入至第一加法运算器2，电压Vα与第一偏置值Offsetα同时输入至第一加法运算器2，所述第一加法运算器2的输出值输入至第一积分运算器3，第一积分运算器3的积分运算结果输入至第二加法运算器5，同时电流Iα通过第二增益运算器4后输入至第二加法运算器5，经第二加法运算器5运算得到电机磁通量Ψ在ɑ轴上的投影量Ψα。上述过程的数学表达式为：
由上式可知，第一增益运算器1用于完成项的运算，第一加法运算器2用于完成 项的运算，第一积分运算器3用于完成项的运算，第 二增益运算器4完成项的运算，第二加法运算器5完成项的 运算。
同样地，电流Iβ通过第三增益运算器6后输入至第三加法运算器7，电压Vα与第二偏置值Offsetβ同时输入至第三加法运算器7，所述第三加法运算器7的输出值输入至第二积分运算器8，第二积分运算器8的积分运算结果输入至第四加法运算器10，同时电流Iβ通过第四增益运算器9后输入至第四加法运算器10，经第四加法运算器10运算得到电机磁通量Ψ在β轴上的投影量Ψβ。上述过程的数学表达式为：
由上式可知，第三增益运算器6用于完成项的运算，第三加法运算器7用于完 成项的运算，第二积分运算器8用于完成项的运算， 第四增益运算器9完成项的运算，由第四加法运算器10完成项的运算。
记上述第一积分运算器3和第二积分运算器8的最大容纳值为Tmax，最小容纳值为Tmin，则本实施例中规定有：
当第一积分运算器3的积分值处于至之间时，第一偏置值Offsetα设置为 0，即此时第一偏置值Offsetα并不会对第一积分运算器3叠加任何偏置。
当第一积分运算器3的积分值处于至之间时，第一偏置值Offsetα设置为 a，a为正数，即此时第一偏置值Offsetα对第一积分运算器3叠加正向偏置，使积分结果随着 积分运算而不断增加，避免第一积分运算器3运算结果达到最小容纳值Tmin。
当第一积分运算器3的积分值处于至之间时，第一偏置值Offsetα设置为- a，即此时第一偏置值Offsetα对第一积分运算器3叠加负向偏置，使积分结果随着积分运算 而不断减少，避免第一积分运算器3运算结果达到最大容纳值Tmax。
同样地，当第二积分运算器8的积分值处于至之间时，第二偏置值Offsetβ 设置为0，即此时第二偏置值Offsetβ并不会对第二积分运算器8叠加任何偏置。
当第二积分运算器8的积分值处于至之间时，第二偏置值Offsetβ设置为 a，a为正数，即此时第二偏置值Offsetβ对第二积分运算器8叠加正向偏置，使积分结果随着 积分运算而不断增加，避免第二积分运算器8运算结果达到最小容纳值Tmin。
当第二积分运算器8的积分值处于至之间时，第二偏置值Offsetβ设置为- a，即此时第二偏置值Offsetβ对第二积分运算器8叠加负向偏置，使积分结果随着积分运算 而不断减少，避免第二积分运算器8运算结果达到最大容纳值Tmax。
在获得了电机磁通量Ψ在ɑ轴上的投影量Ψα，及在β轴上的投影量Ψβ之后，磁通量Ψα输入至第一高通滤波器11得到滤波后的磁通量Ψα_hpf；磁通量Ψβ输入至第二高通滤波器12得到滤波后的磁通量Ψβ_hpf。由于磁通量Ψα与磁通量Ψβ中含有直流偏置量，即在前一步积分运算中引入的第一偏置值Offsetα和第二偏置值Offsetβ，因此在后续计算时需要消除该直流偏置量对运算结果的影响。而第一偏置值Offsetα和第二偏置值Offsetβ在积分过程中是随着积分值的变化在-a、0、a三种数值之间进行变化的，而且这一变化属于慢变信号，频率极低。因此在磁通量Ψα与磁通量Ψβ通过高频滤波器后由第一偏置值Offsetα和第二偏置值Offsetβ带来的直流偏置量将被过滤掉。
当第一偏置值Offsetα和第二偏置值Offsetβ的取值越大时，其产生的偏置效果越明显，即取值越大，则可以更快的将积分值带离积分饱和状态，但也会对信号造成较大变化。偏置值Offset添加在积分器的输入项，用于动态调节积分值的范围，避免积分值接近积分器的上界或下界，即避免饱和现象。
偏置值作为人为引入量，其对计算值的影响需要通过后级的高通滤波器消除。根据高通滤波器特性，为过滤偏置值影响，其应具有“慢变”的特性。根据动态调节偏置值的原则，偏置值幅度越小时，整个积分器结果在上下限之间跳动地越慢，偏置值的调节频率也相应地越低，其引入的影响也越容易被高通滤波器消除。因此，偏置值取值集合应有三个元素：系统能表示的最小正值、系统能表示的最小负值及0。对定点数字系统而言，1为其能表示的最小非零正值，故本实施例中a的取值为+1。
随后，将经过高通滤波的磁通量Ψα_hpf和磁通量Ψβ_hpf送入反正切函数运算器13，从而得到转子的原始角度位置θraw，即：
将原始角度位置θraw输入差分运算器14既可以得到转子的原始角速度ωraw，即：
其中T为无感电机控制系统观测器的更新时间间隔，当系统每固定时间间隔T观测并估计一次转子位置，θraw[n]为第n次估计的原始角度位置。
随后将原始角速度ωraw输入至低通滤波器15，消除差分运算器引入的高频噪声，即得到电机转子的角速度ω。
根据本领域中公知的转子角速度ω与转子角度位置补偿关系曲线得到转子角速度ω下的角度位置补偿值Δθ。
将原始角速度ωraw与角度位置补偿值Δθ送入第五加法运算器16后，即得到电子转子的角度位置θ。
至此，得到电机转子的角速度ω和角度位置θ后即完成了对电机转子的位置检测。
以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。
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