多极电机转子绝对位置无传感器控制方法
阅读说明：本技术 多极电机转子绝对位置无传感器控制方法 (Sensorless control method for absolute position of multi-pole motor rotor ) 是由 倪荣刚 于 2020-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了多极电机转子绝对位置无传感器控制方法,基于双定子电机结构,限定两个电机单元的极对数p1和p2满足互质且|m×p1-n×p2|＝1的条件,将双定子电机在一个机械周期内的对应关系限定为无重复性,从而能够根据这种无重复性的对应关系计算得到转子绝对角度位置观测值θ-m,进而能够根据转子绝对角度位置观测值θ-m推导出控制功率电路的两路开关信号S-1和S-2,使得功率电路采用该两路开关信号S-1和S-2来驱动双定子电机,实现了一种无需额外安装位置传感器,仅通过逆变器的电压、电流等已知信息辨识得到转子绝对角度位置的方法,具有低成本、高集成度和高可靠性等优点。(The invention discloses a sensor-free control method for the absolute position of a multi-pole motor rotor, which is based on a double-stator motor structure, limits the number of pole pairs p1 and p2 of two motor units to meet the condition of being relatively prime and | m × p1-n × p2| ═ 1, and limits the corresponding relation of the double-stator motor in one mechanical period to be non-repeatability, so that the observed value theta of the absolute angle position of the rotor can be calculated and obtained according to the non-repeatability corresponding relation m And further, the observation value theta can be obtained from the absolute angular position of the rotor m Deducing two-way switch signal S for controlling power circuit 1 And S 2 So that the power circuit adopts the two paths of switching signals S 1 And S 2 The method for driving the double-stator motor realizes the method for obtaining the absolute angle position of the rotor only through known information identification such as voltage, current and the like of the inverter without additionally installing a position sensor, and has the advantages of low cost, high integration degree, high reliability and the like.)
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体地说，是涉及一种多极电机转子绝对位置无传感器控制方法。
背景技术
现代数控机床、智能家电以及机器人等高端装备要求电机驱动系统具备转子绝对角度位置(亦称机械角度位置)检测能力。
不同于常规的转子相对角度位置(亦称电角度位置)检测既可通过位置传感器、亦可通过无位置传感器控制实现，由于电机内部电磁结构的周期对称性，目前电机转子的绝对角度位置必须通过绝对式位置传感器检测。然而，绝对式位置传感器价格昂贵，编码和信号传输方式复杂，而且安装位置传感器占用电机轴向空间，降低了系统的功率密度、集成度和可靠性。
目前关于转子绝对角度位置无传感器控制的研究中，韩国首尔大学有少量公开的技术方案，其通过改造电机定、转子结构，人为制造机械周期的不对称性，并在定子中附加检测绕组，结合高频电压注入法辨识机械周期的不对称性，进而得到转子绝对位置。然而，人为制造电机机械周期不对称性的同时，绕组电感和反电势谐波也相应增大，带来转矩脉动和振动噪声等新问题，难以在电机性能和绝对位置检测精度之间权衡。而且，附加的检测绕组占用了定子空间，不利于提高功率密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多极电机转子绝对位置无传感器控制方法，基于双定子电机结构，以限定两个电机单元极对数关系的手段提高电机系统控制维度，构造关于转子位置角度的满秩系数矩阵，仅通过逆变器的电压、电流等已知信息得到转子绝对位置，无需额外安装位置传感器，无需人为制造机械周期的不对称性，在实现无位置传感器控制同时也不会对电机性能造成不良影响，有助于提高电机系统的功率密度、集成度和可靠性。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
提出一种多极电机转子绝对位置无传感器控制方法，应用于多极电机转子绝对位置无传感器控制系统中，所述系统包括：双定子电机，由同轴的第一电机单元和第二电机单元构成，其中，所述第一电机单元由第一定子和第一极对数p1组成，所述第二电机单元由第二定子和第二极对数p2组成；所述第一极对数p1和所述第二极对数p2满足：p1≠p2、p1与p2的最大公约数为1、且|m×p1-n×p2|＝1，m，n，p1，p2均为正整数；功率电路，用于在第一开关信号S1和第二开关信号S2的控制下分别驱动所述第一电机单元和所述第二电机单元运行；所述控制方法包括：基于第一开关信号S1、第一电机单元的线电流i1和母线电压udc得到第一电机单元的观测转子电角度位置θe1和观测转子电角速度ωe1；基于第二开关信号S2、第二电机单元的线电流i2和母线电压udc得到第二电机单元的观测转子电角度位置θe2和观测转子电角速度ωe2；基于第一电机单元的观测转子电角度位置θe1和第二电机单元的观测转子电角度位置θe2得到转子绝对角度位置观测值θm；基于转子绝对角度位置观测值θm和转子绝对角度位置参考值得到转子机械转速参考值基于转子机械转速参考值以及观测转子电角速度ωe1生成所述第一开关信号S1，基于转子机械转速参考值以及及观测转子电角速度ωe2生成所述第二开关信号S2。
进一步的，基于第一电机单元的观测转子电角度位置θe1和第二电机单元的观测转子电角度位置θe2得到转子绝对角度位置观测值θm，具体为：计算第一电机单元的观测转子电角度位置θe1与m的乘积的第一正弦值sin(mθe1)和第一余弦值cos(mθe1)；计算第二电机单元的观测转子电角度位置θe2与n的乘积的第二正弦值sin(nθe2)和第二余弦值cos(nθe2)；根据第一正弦值sin(mθe1)和第二余弦值cos(nθe2)的乘积与第一余弦值cos(mθe1)和第二正弦值sin(nθe2)的乘积之差，得到转子绝对角度位置观测值的正弦值sinθm；根据第一正弦值sin(mθe1)与第二正弦值sin(nθe2)的乘积与第一余弦值cos(mθe1)和与第二余弦值cos(nθe2)的乘积之和，得到转子绝对角度位置观测值的余弦值cosθm；根据转子绝对角度位置观测值的正弦值sinθm和余弦值cosθm计算反正切或经锁相环，得到转子绝对角度位置观测值θm。
进一步的，基于第一电机单元的观测转子电角度位置θe1和第二电机单元的观测转子电角度位置θe2得到转子绝对角度位置观测值θm，具体为：计算第一电机单元的观测转子电角度位置θe1与m的乘积与第二电机单元的观测转子电角度位置θe2与n的乘积之差，得到转子绝对角度位置观测值θm。
进一步的，所述第一电机单元的观测转子电角度位置θe1和观测转子电角速度ωe1，以及所述第二电机单元的观测转子电角度位置θe2和观测转子电角速度ωe2均通过无位置传感器控制得到。
进一步的，所述转子机械转速参考值通过位置环控制器得到。
进一步的，基于转子机械转速参考值以及观测转子电角速度ωe1生成所述第一开关信号S1，基于转子机械转速参考值以及及观测转子电角速度ωe2生成所述第二开关信号S2，具体为：基于第一极对数p1与转子机械转速参考值的乘积得到第一电机单元的转子电角速度参考值基于第二极对数p2与转子机械转速参考值的乘积得到第二电机单元的转子电角速度参考值基于第一电机单元的转子电角速度参考值及观测转子电角速度ωe1生成所述第一开关信号S1；基于第二电机单元的转子电角速度参考值及观测转子电角速度ωe2生成所述第二开关信号S2。
进一步的，所述第一开关信号S1按照如下方式得到：第一电机单元的转子电角速度参考值及观测转子电角速度ωe1经速度环控制器得到第一电机单元的电流环参考值第一电机单元的电流环参考值线电流i1和观测转子电角度位置θe1经电流环控制器得到第一电机单元的电压参考值第一电机单元的电压参考值经调制后得到所述第一开关信号S1；所述第二开关信号S2按照如下方式得到：第二电机单元的转子电角速度参考值及观测转子电角速度ωe2经速度环控制器得到第二电机单元的电流环参考值第二电机单元的电流环参考值线电流i2和观测转子电角度位置θe2经电流环控制器得到第二电机单元的电压参考值第二电机单元的电压参考值经调制后得到所述第二开关信号S2。
进一步的，所述方法还包括：在第一电极单元与第二电机单元的转子轴线未对齐时，采用轴线绝对角度位置偏差Δθm对转子绝对角度位置观测值进行补偿。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提出的多极电机转子绝对位置无传感器控制方法中，基于双定子电机结构，限定两个电机单元的极对数p1和p2满足p1≠p2、p1与p2的最大公约数为1、且|m×p1-n×p2|＝1的条件，将双定子电机在一个机械周期内的对应关系限定为无重复性，从而能够根据这种无重复性的对应关系计算得到转子绝对角度位置观测值θm，进而能够根据转子绝对角度位置观测值θm推导出控制功率电路的两路开关信号S1和S2，使得功率电路采用该两路开关信号S1和S2来驱动双定子电机，实现了一种无需额外安装位置传感器，仅通过逆变器的电压、电流等已知信息辨识得到转子绝对角度位置的方法，具有低成本、高集成度和高可靠性等优点，有助于在有限空间内实现更多功率集成，提高电机的功率密度。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1为本发明提出的多极电机转子绝对位置无传感器控制系统中径向同轴的双定子电机径向剖视图；
图2为本发明提出的多极电机转子绝对位置无传感器控制系统中，轴向同轴的双定子电机轴向剖视图；
图3为本发明提出的多极电机转子绝对位置无传感器控制的一个实现实施例；
图4为本发明提出的多极电机转子绝对位置无传感器控制方法的流程图；
图5为本发明提出的多极电机转子绝对位置无传感器控制方法的闭环控制系统框图；
图6为本发明提出的多极电机转子绝对位置无传感器控制的又一个实现实施例；
图7为本发明中双三相逆变电路的一个实施例结构图；
图8为本发明中双三相逆变电路的第二个实施例结构图；
图9为轴向同轴双定子电机中轴线不完全对齐时的示意图；
图10为采用本发明提出的多极电机转子绝对位置无传感器控制的闭环控制效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本领域技术人员公知，电机的转子转过1个机械周期时，定子经过的磁场交变次数与极对数相关，仅极对数p＝1时，电机转子的绝对位置与相对位置相等，而在p>1的情况下，在一个机械周期内，存在两个以上机械角度的磁场分布完全相同的情况，此时，如果不使用绝对位置传感器，仅以定子导体中的电压、电流信息，是无法获知转子的绝对位置的。
本发明旨在不额外安装绝对位置传感器，不人为制造机械周期的不对称性，基于双定子电机结构，通过两个电机单元极对数的关系限定来提高电机系统控制维度，构造关于转子位置角度的满秩系数矩阵，仅通过逆变器的电压、电流等已知信息来得到转子的绝对位置。
具体的，如图1和图2所示，本发明基于的双定子电机结构由同轴的第一电机单元和第二电机单元构成，其中，第一电机单元由第一定子1和第一极对数p1组成，第二电机单元由第二定子2和第二极对数p2组成。
本发明申请中，同轴的第一电机单元和第二电机单元包括径向同轴和轴向同轴两种情况；如图1所示，径向同轴时，第一极对数p1和第二极对数p2嵌在同一个转子3中；如图2所示，轴向同轴时，第一电机单元和第二电机单元轴向同轴连接，第一极对数p1嵌于第一转子31中，第二极对数p2嵌于第二转子32中，第一转子31和第二转子32同轴连接。
本发明采用限定第一极对数p1和第二极对数p2的取值的方式来提高电机系统控制维度，构造关于转子位置角度的满秩系数矩阵，以实现根据第一电机单元的电角度位置与第二电机单元的电角度位置之间的对应关系得到转子的绝对角度位置。
具体的，本发明限定第一极对数p1和第二极对数p2满足以下关系限定：1、第一极对数p1和第二极对数p2互质，也即p1≠p2、p1与p2的最大公约数为1，并且2、|m×p1-n×p2|＝1，m，n，p1，p2均为正整数。
例如，当p1＝2，ρ＝3时，二者互质，且在m＝2，n＝1时，满足|m×p1-n×p2|＝1的限定，则，在一个机械周期内，如图3所示，在该限定条件下，任何一个机械角度位置，第一电机单元的转子电角度位置θe1和第二电机单元的转子电角度位置θe2的组合都不相同，则基于这种机械周期的不对称性可以计算出转子绝对角度位置。
基于上述，本发明提出的多极电机转子绝对位置无传感器控制方法，结合图4和图5所示，包括如下步骤：
步骤S41：基于第一开关信号S1、第一电机单元的线电流i1和母线电压udc得到第一电机单元的观测转子电角度位置θe1和观测转子电角速度ωe1；基于第二开关信号S2、第二电机单元的线电流i2和母线电压udc得到第二电机单元的观测转子电角度位置θe2和观测转子电角速度ωe2。
本发明的控制方法，结合图5所示，采用电流环控制器1和电流环控制器2分别产生控制第一电机单元和第二电机单元的第一开关信号S1和第二开关信号S2，由功率电路在第一开关信号S1和第二开关信号S2的控制下分别驱动第一电机单元和第二电机单元运行。
功率电路中，交流输入经整理后得到稳定的母线电压udc或直接由直流供电获得稳定的母线电压udc，为双三相逆变电路供电；双三相逆变电路在第一开关信号S1和第二开关信号S2的控制下分别驱动第一电机单元和第二电机单元运行。
本步骤通过第一开关信号S1、采样得到的第一电机单元的线电流i1和母线电压udc，经常规无位置传感器控制1得到第一电机单元的观测转子电角度位置θe1和观测转子电角速度ωe1；通过第二开关信号S2、采样得到的第二电机单元的线电流i2和母线电压udc，经常规无位置传感器控制2得到第二电机单元的观测转子电角度位置θe2和观测转子电角速度ωe2。
常规无位置传感器控制中，电机高速运行时，采用基于反电势观测的模型法，电机低速运行甚至零速运行时，采用辅助电压注入法，注入电压可以是高频，也可以是低频，可以在静止坐标轴系下注入，也可以在旋转坐标轴系下注入。
步骤S42：基于第一电机单元的观测转子电角度位置θe1和第二电机单元的观测转子电角度位置θe2得到转子绝对角度位置观测值θm。
实施例一
由于θe1＝p1θm，θe2＝p2θm，且基于本发明中的限定关系：p1和p2满足|m×p1-n×p2|＝1，本实施例以m×p1-n×p2＝1为例，可以得到m×θe1-n×θe2＝m×p1θm-n×p2θm＝(m×p1-n×p2)θm＝θm。
则本实施中，按照计算第一电机单元的观测转子电角度位置θe1与m的乘积m×θe1与第二电机单元的观测转子电角度位置θe2与n的乘积n×θe2之差m×θe1-n×θe2，得到转子绝对角度位置观测值θm。
实施例二
本实施例适用于锁相环应用，基于实施例一中所述的原理，如图6所示，按照如下方式转子绝对角度位置观测值θm。
1、计算第一电机单元的观测转子电角度位置θe1与m的乘积的第一正弦值sin(mθe1)和第一余弦值cos(mθe1)；计算第二电机单元的观测转子电角度位置θe2与n的乘积的第二正弦值sin(nθe2)和第二余弦值cos(nθe2)。
2、根据第一正弦值sin(mθe1)和第二余弦值cos(nθe2)的乘积sin(mθe1)cos(nθe2)与第一余弦值cos(mθe1)和第二正弦值sin(nθe2)的乘积cos(mθe1)sin(nθe2)之差sin(mθe1)cos(nθe2)-cos(mθe1)sin(nθe2)，得到转子绝对角度位置观测值的正弦值sinθm；根据第一正弦值sin(mθe1)与第二正弦值sin(nθe2)的乘积sin(mθe1)sin(nθe2)与第一余弦值cos(mθe1)和与第二余弦值cos(nθe2)的乘积cos(mθe1)cos(nθe2)之和sin(mθe1)sin(nθe2)+cos(mθe1)cos(nθe2)，得到转子绝对角度位置观测值的余弦值cosθm。
3、根据转子绝对角度位置观测值的正弦值sinθm和余弦值cosθm计算反正切或经锁相环，得到转子绝对角度位置观测值θm。
实施例三
本实施例中，按照存储的设定关系经查询方式来得到转子绝对角度位置观测θm。
如图3所示的示例，为p1＝2，p2＝3时电机转子绝对角度与电角度位置在一个机械周期内的关系示意图，按照本实施例的方案，将该关系示意图的数据分项存储于存储器中，每项数据中至少包括观测转子电角度位置θe1、观测转子电角度位置θe2和转子绝对角度位置观测θm。
电机运行期间通过步骤S41确定观测转子电角度位置θe1和观测转子电角度位置θe2后，通过查询存储数据，能够确定转子绝对角度位置观测θm。
步骤S43：基于转子绝对角度位置观测值θm和转子绝对角度位置参考值得到转子机械转速参考值
转子机械转速参考值通过位置环控制器得到；位置环控制器采用比例控制器、或比例-积分控制器、或比例-积分-微分控制器实现。
步骤S44：基于转子机械转速参考值以及观测转子电角速度ωe1生成第一开关信号S1，基于转子机械转速参考值以及及观测转子电角速度ωe2生成第二开关信号S2。
具体的，出于电角度与机械角度的关系ωe＝pωm，如图5所示，为了便于速度环控制器的参数设计，本实施例中先根据第一极对数p1与转子机械转速参考值的乘积得到第一电机单元的转子电角速度参考值根据第二极对数p2与转子机械转速参考值的乘积得到第二电机单元的转子电角速度参考值继而再将转子电角速度参考值和转子电角速度参考值分别送入速度环控制器1和速度环控制器2。
当然，在本发明其他实施例中，也可不计算转子电角速度参考值和转子电角速度参考值而将转子机械转速参考值直接分别送入速度环控制器1和速度环控制器2也可，此时对于第一极对数p1与第二极对数p2的运算放入速度环控制器中。
继而，由速度环控制器1根据第一电机单元的转子电角速度参考值及观测转子电角速度ωe1得到第一电机单元的电流环参考值第一电机单元的电流环参考值线电流i1和观测转子电角度位置θe1经电流环控制器1得到第一电机单元的电压参考值第一电机单元的电压参考值经调制后得到所述第一开关信号S1。
由速度环控制器2根据第二电机单元的转子电角速度参考值及观测转子电角速度ωe2得到第二电机单元的电流环参考值第二电机单元的电流环参考值线电流i2和观测转子电角度位置θe2经电流环控制器2得到第二电机单元的电压参考值第二电机单元的电压参考值经调制后得到第二开关信号S2。
上述，速度环控制器和电流环控制器均采用比例-积分控制器、或比例-积分-微分控制器实现。
根据上述步骤得到的第一开关信号S1和第二开关信号S2输入功率电路，功率电路中的双三相逆变电路在第一开关信号S1和第二开关信号S2的控制下分别驱动第一电机单元和第二电机单元运行。
具体的，参考图7和图8所示的双三相逆变电路结构图，本发明实施例中，每组开关信号(S1或S2)均各包含6个开关信号Sx1-Sx6，其中x代表1或2，用于驱动每组三相逆变电路的6个功率开关器件VTx1-VTx6。
Sx1-Sx6初值均为0，即6个开关器件初始时刻均不导通。工作过程中，同一桥臂的两个开关器件(VTx1和VTx2、VTx3和VTx4、VTx5和VTx6)互补导通，并间隔一定的死区时长，避免桥臂直通造成短路。
Sx1-Sx6的生成方式首选空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse WidthModulation，SVPWM)，亦可在满足输出电压参考值的前提下采用其它调制方式。
在本发明一些实施例中，采用轴向同轴的双定子电机结构实现，在第一电极单元与第二电机单元的转子轴线未对齐时，如图9所示，可通过预先已知的二者轴线绝对角度位置偏差Δθm，或通过初试位置辨识得到二者轴线绝对角度位置偏差Δθm，采用轴线绝对角度位置偏差Δθm对转子绝对角度位置观测值进行恒定补偿。
如图10所示的效果图可以看出，采用上述本发明提出的多极电机转子绝对位置无传感器控制方法时，转子绝对角度位置观测值θm可以很好的跟踪转子绝对角度位置参考值
上述本发明提出的多极电机转子绝对位置无传感器控制方法中，基于双定子电机结构，限定两个电机单元的极对数p1和p2满足p1≠p2、p1与p2的最大公约数为1、且|m×p1-n×p2|＝1的条件，将双定子电机在一个机械周期内的对应关系限定为无重复性，从而能够根据这种无重复性的对应关系计算得到转子绝对角度位置观测值θm，进而能够根据转子绝对角度位置观测值θm推导出控制功率电路的两路开关信号S1和S2，使得功率电路采用该两路开关信号S1和S2来驱动双定子电机，实现了一种无需额外安装位置传感器，仅通过逆变器的电压、电流等已知信息辨识得到转子绝对角度位置的方法，具有低成本、高集成度和高可靠性等优点，有助于在有限空间内实现更多功率集成，提高电机的功率密度。
应该指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
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