低噪声低频脉振信号注入永磁电机转子位置的检测方法
阅读说明：本技术 低噪声低频脉振信号注入永磁电机转子位置的检测方法 (Method for detecting position of low-noise low-frequency pulse vibration signal injected into permanent magnet motor rotor ) 是由 周洪雷 董震 董清华 王品贺 郭晓宇 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种低噪声低频脉振信号注入永磁电机转子位置的检测方法,在旋转坐标系内注入低频的电压信号,根据响应电流幅值,以自适应学习方式注入电压幅值,记录最后一拍注入电压幅值为V-(inj),在观测的旋转坐标系中,对坐标系的轴注入低频脉振电压,对输出电流进行采样,提取响应电流幅值,通过观测器获取低频响应电流中包含的转子角度信息,得到转子速度,经过算法提取得到转子位置信息,实现闭环控制,得到转子位置信息。本发明能够保证系统环路控制连续性、稳定性的前提下,提取永磁电机转子位置信息,且消除了由于传统高频信号注入引起的噪声,实现了低噪声的永磁电机信号注入无位置传感器控制。(The invention relates to a method for detecting the position of a rotor of a low-noise low-frequency pulse vibration signal injected into a permanent magnet motor inj In the observed rotational coordinate system In the coordinate system And injecting low-frequency pulse vibration voltage into the shaft, sampling the output current, extracting the amplitude of the response current, acquiring rotor angle information contained in the low-frequency response current through an observer to obtain the speed of the rotor, extracting rotor position information through an algorithm to realize closed-loop control, and acquiring the position information of the rotor. The invention can extract the position information of the permanent magnet motor rotor on the premise of ensuring the continuity and stability of the system loop control, eliminates the noise caused by the traditional high-frequency signal injection and realizes the low-noise permanent magnet motor signal injection position-free sensor control.)
技术领域
本发明涉及一种永磁电机转子位置的检测方法，尤其涉及一种低噪声低频脉振信号注入永磁电机转子位置的检测方法。
背景技术
目前，常规采用的永磁同步电机低速无传感器控制的有效方案为高频注入方案，其常规采用三种方案：1、高频旋转注入方案；2、高频脉振注入方案；3、高频方波注入方案。
具体来说，在永磁电机低速运行或零速的情况下，现有技术都是通过在电机内部注入高频的电压信号实现转子位置提取的。其与本发明的方案的主要差别在于，注入信号的特征不同。高频旋转注入方案是在三相定子坐标系内注入旋转的电压矢量获取转子角度信息。高频脉振注入方案是通过在旋转坐标系内注入高频正弦波提取转子角度。高频方波注入方案是基于高频脉振注入方案发展而来，在旋转坐标系内注入高频的电压方波信号以获得转子角度。实施期间，在注入高频的电压信号后，通过信号提取技术得到高频的响应电流，然后经过算法提取得到转子位置信息，实现永磁电机的低速无位置传感器闭环控制。
结合实际实施来看，目前常规采用的基于信号注入的永磁电机无传感器的控制方式，其需要在电机内部注入高频的电压信号。由此，必定会引起刺耳的噪音，限制了该技术在对噪音敏感的领域，至少其无法在某些家电领域中得到推广。
同时，降低注入电压的频率是减小由于高频电压信号注入引起噪声的有效手段。但是，这样的处理方式会存在信号提取困难的问题。并且，也有部分方案通过注入离散的脉冲信号实现了低频信号的提取。然而，这样离散的脉冲信号注入会引起转矩的冲击。此外，为了实现脉冲信号的提取，会将系统环路控制打断，破坏了系统闭环调节的连续性，降低了系统动态响应能力。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种低噪声低频脉振信号注入永磁电机转子位置的检测方法，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种低噪声低频脉振信号注入永磁电机转子位置的检测方法。
本发明的低噪声低频脉振信号注入永磁电机转子位置的检测方法，其包括以下步骤：
步骤一，在旋转坐标系内注入低频的电压信号，根据响应电流幅值，以自适应学习方式注入电压幅值，记录最后一拍注入电压幅值为Vinj；
步骤二，在观测的旋转坐标系中，对坐标系的轴注入低频脉振电压，对输出电流进行采样，提取响应电流幅值；
步骤三，通过观测器获取低频响应电流中包含的转子角度信息，得到转子速度，经过算法提取得到转子位置信息，实现闭环控制。
进一步地，上述的低噪声低频脉振信号注入永磁电机转子位置的检测方法，其中，以自适应学习方式，注入电压幅值的过程为，在停机状态下，以预设步长参数，增加注入电压幅值，监控输出的线电流；
若响应电流幅值小于目标电流的预设值，则保持预设步长参数继续增加注入电压；
若响应电流幅值大于目标电流的预设值，但不超过目标电流，则以调整步长参数继续增加电压幅值，直到响应电流超过目标线电流；
若响应电流幅值大于目标电流，则以预设步长参数减小电压幅值，直到响应电流小于目标线电流；
最终，记录最后一拍注入的电压幅值为Vinj，自适应注入电压学习结束。
更进一步地，上述的低噪声低频脉振信号注入永磁电机转子位置的检测方法，其中，所述预设步长参数、调整步长参数、目标电流的预设值的调节范围为1％至100％。并且，所涉及的切换阈值均可以根据实际处理的情况进行调整，满足最终幅值自适应的需求。
更进一步地，上述的低噪声低频脉振信号注入永磁电机转子位置的检测方法，其中，所述步骤二，在观测的旋转坐标系坐标系的轴，注入低频脉振电压，频率设为20Hz，幅值为步骤一学习得到的Vinj，在静止两相坐标系内，通过傅里叶变换提取与注入低频电压同频的响应电流幅值Iαh,βh；
对输出电流进行采样，并对其进行Clark变换得到两相静止坐标系内的输出电流，Clark变换公式为：
其中，iα,β表示两相静止坐标系内的电流，iU,V,W为三相输出电流；
在两相静止坐标系内，通过傅里叶变换提取与注入电压同频的响应电流幅值。
更进一步地，上述的低噪声低频脉振信号注入永磁电机转子位置的检测方法，其中，所述步骤三中，通过角度观测器，对低频响应电流中包含的转子角度信息进行求解，并对其进行微分得到转子速度，进行反馈实现闭环控制，实施期间可采用锁相环来构成角度观测器。当然，也可以采用其他近似的角度观测器，以数据能直观获取作为优选参考；
设电机的电压方程为，
式(2)为标准的RL电路模型，其中ud,q为d，q轴电压，id,q为d，q轴电流，Ld,q为d，q轴电感，Rs为定子电阻，
保持步骤一中电压幅值的学习结果，在旋转坐标系内的d轴上注入正弦波信号，获取旋转坐标系中的注入电压。
更进一步地，上述的低噪声低频脉振信号注入永磁电机转子位置的检测方法，其中，所述步骤三中，采用的注入电压表达式为，
其中ωh为注入信号频率；
通过式(2)和式(3)的结合，得到在观测旋转坐标系中的响应电流为：
其中，Zd,q＝Rs+jωhLd,q，θe为转子实际电角度，Δθe为观测角度偏差，
通过表示Park坐标变换，下标‘h’表示对应注入频率的分量，
由式(4)可知，在观测的旋转坐标系的坐标系中，轴电流包含转子位置偏差信息Δθe，对其进行如下转换：
其中，
由式(5)可知，在观测的旋转坐标系中，轴电流幅值表达了转子位置信息，能基于轴电流幅值收敛得到转子位置。
更进一步地，上述的低噪声低频脉振信号注入永磁电机转子位置的检测方法，其中，所述步骤三中，在两相静止坐标系内的响应电流表达式为，
更进一步地，上述的低噪声低频脉振信号注入永磁电机转子位置的检测方法，其中，两相静止坐标系内的响应电流表达式中，当位置偏差Δθe较小时，(6)式简化为，
由(7)可知，在位置偏差比较小的情况下，能对两相静止坐标系内注入信号响应电流幅值Iαh,βh，直接求取反正切运算得到转子位置信息，
所述的求取公式为，
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、本发明能够保证系统环路控制连续性、稳定性的前提下，提取永磁电机转子位置信息。
2、本发明消除了由于信号注入引起的噪声，实现了低噪声的永磁电机信号注入无位置传感器控制。
3、本发明可以实现低速运行区间(2Hz以下)的永磁电机无位置传感器控制。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的检测实施示意图。
图2是自适应学习注入电压的流程示意图。
图3是自适应学习注入电压波形的示意图。
图4是响应电流提取的流程示意图。
图5是坐标系空间分布示意图。
图6是角度观测器的实现原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1至6的低噪声低频脉振信号注入永磁电机转子位置的检测方法，其与众不同之处，包括如下步骤：
步骤1：在旋转坐标系内注入低频的电压信号，根据响应电流幅值自适应学习注入电压幅值。在实施期间，为了降低噪声，建议将信号频率限制在50Hz以内。具体来说，在旋转的同步坐标系内注入低频的电压信号，注入电压信号幅值需要自适应，保证响应电流幅值达到电机额定电流的50％左右。同时，为了做到低噪声甚至无噪声，建议将注入电压频率限制在50Hz以内，本实施例以20Hz为例进行方案介绍。同时，自适应学习注入电压幅值流程图如图2所示，对应的响应电流波形如图3。
结合图1来看，在标准的永磁电机控制框图基础上，本方案增加了电压注入部分Vinj，注入电流幅值提取FFT模块以及锁相环PLL模块。需要注意的是，本发明采用的锁相环PLL模块只是转子位置观测的其中一种方式。也可以采用反正切运算用作角度信息获取的模块来替换上述锁相环。图2中包括注入电压补偿的自适应，以及最终注入电压的学习。图3中以某相线电流为示意，给出响应电流幅值随着注入电压增加时的变化，以及最终阶段注入电压幅值自适应调节的过程。当目标电流超出预设范围以后，会自动降低注入电压，使得响应电流落在预设范围以内，实现了注入电压的自适应学习过程。
上述针对转子位置的检测方式，其检测的步骤几乎相同，前两步骤均是一样的方式，但是在步骤三中本发明采用针对角速度信息获取后再得到角度，而反正切运算则与之相反首先通过角度信息的获取再得到角速度，从而实现对转子位置的检测。
在上述的检测中，计算的公式都是一样，只是公式中的已知变量改变，但最终的计算得出的结果是一致的。
结合自适应学习注入电压的过程来看，其可以包含以下步骤：
1)在停机下，以2％的步长作为预设步长参数，增加注入电压幅值。在此期间，监控输出的线电流，若其幅值小于目标电流的预设值90％，则保持步长为2％继续增加注入电压。
2)若响应电流幅值大于目标电流的预设值90％，但不超过目标电流，则以调整步长参数1％的步长继续增加电压幅值，直到响应电流超过目标线电流。
3)若响应电流幅值大于目标电流，则以调整步长参数1％的步长减小电压幅值，直到响应电流小于目标线电流。
4)记录最后一拍注入电压幅值Vinj，自适应注入电压学习结束。
在实际实施时，预设步长参数、调整步长参数、目标电流的预设值的调节范围可设定为1％至100％。当然，所涉及的切换阈值均可以根据实际处理的情况进行调整，满足最终幅值自适应的需求。
需要注意的是，本发明在实施期间可涉及到一些特殊的极端检测，预设步长参数、调整步长参数、目标电流的预设值的调节范围可在1％至100％的基础上进一步延伸扩大。也就是说，上述的各个具体数值只在于列举表述，并不限定其实际的范围。换句话说，在一些特殊的极限检测期间，预设步长参数、调整步长参数等均可小于1％，在个别极限检测下，也会出现超过100％的情况，这两种情况为特殊情况，一般在检测中很难出现，所以在此不再赘述。而本申请都是在正常的范围内进行的检测。
步骤2：在观测的旋转坐标系的轴注入低频脉振电压，频率取20Hz，幅值为步骤1学习得到的Vinj。之后，在静止两相坐标系内通过傅里叶变换提取与注入低频电压同频的响应电流幅值Iαh,βh。
接着，对输出电流进行采样，并对其进行Clark变换得到两相静止坐标系内的输出电流。其中，采用的Clark变换公式为：
其中，iα,β表示两相静止坐标系内的电流，iU,V,W为三相输出电流。在两相静止坐标系内，通过傅里叶变换提取与注入电压同频的响应电流幅值。实际实施期间，响应电流幅值提取过程的示意图如图4所示。从图4可以看到，从上至下分别是注入的低频正弦波电压，采样得到的两相静止坐标系内响应电流，以及经过傅里叶提取以后获取的两相静止坐标系内响应电流的幅值。
步骤3：通过观测器(锁相环)，求解低频响应电流中包含的转子角度信息，并对其进行微分得到转子速度，用来进行反馈实现闭环控制。由于电机运行于低速，因此可忽略互感和反电势的影响，由此得到电机的电压方程为：
具体来说，式(2)为标准的RL电路模型，其中ud,q为d，q轴电压，id,q为d，q轴电流，Ld,q为d，q轴电感，Rs为定子电阻。
在学习到注入电压幅值以后，保持步骤1学习的结果作为注入电压幅值，在旋转坐标系内的d轴上注入正弦波信号。由于转子实际位置未知，因此只能向观测得到的旋转坐标系坐标系中注入低频脉振电压，坐标系示意图如图5所示。从图5中可以看到，坐标系内包括两相静止坐标系，电机转子真实旋转坐标系dq，观测转子旋转坐标系
结合实际实施来看，本发明采用的注入电压表达式为：
其中，ωh为注入信号频率。
由此，基于式(2)和式(3)，可以得到在观测旋转坐标系坐标系中的响应电流如下：
其中，θe为转子实际电角度，Zd,q＝Rs+jωhLd,q，Δθe为观测角度偏差。采用表示Park坐标变换，其下标‘h’表示对应注入频率的分量，
同时，由式(4)可知，在观测的旋转坐标系坐标系中，轴电流包含转子位置偏差信息Δθe，对其进行如下转换：
其中，
由式(5)可知，在观测的旋转坐标系中，轴电流幅值表达了转子位置信息，能基于轴电流幅值收敛得到转子位置。
结合图6所示的角度观测器来看，本发明的实施过程如下：其先对输出电流进行采样。之后，得到两相静止坐标系内的响应电流幅值Iαh,βh。随后，对其进行Park变换，得到观测的旋转坐标系坐标系中的响应电流接着，将轴电流输入到PI调节器中使其收敛为零，即可得到转子位置信息随后对观测转子位置进行微分，得到观测角速度最终，将和用作反馈信号，实现闭环控制。并且，图6中的角度观测方案是基于锁相环PLL方案介绍的，包括Park坐标变换，以及PI观测器和速度积分环节。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。