一种内置式永磁同步电机无位置传感器参数误差补偿策略
阅读说明：本技术 一种内置式永磁同步电机无位置传感器参数误差补偿策略 (Built-in permanent magnet synchronous motor position sensorless parameter error compensation strategy ) 是由 张航 梁文睿 张辉 于 2021-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种内置式永磁同步电机无位置传感器参数误差补偿策略,具体为：基于磁链间接计算法,对MT轴电流进行估计并用给定磁链代替估计值,从而改进基于磁链的转子位置估计；获取偏差系数μ和λ,对永磁体磁链和交轴电感参数进行实时在线修正,并将修正后的参数用于电机的最大转矩电流比控制定子磁链给定值计算、MT轴电流估计以及负载角的计算。本发明针对低开关频率SHEPWM调制下的内置式永磁同步电机无位置传感器控制,提出了一种参数误差补偿策略,可以实时修正永磁体磁链和交轴电感参数偏差,从而提升转子位置估计精度,增强系统鲁棒性。(The invention discloses a built-in permanent magnet synchronous motor position sensorless parameter error compensation strategy, which specifically comprises the following steps: estimating the MT shaft current based on a flux linkage indirect calculation method, and replacing the estimated value with a given flux linkage, thereby improving the flux linkage-based rotor position estimation; and acquiring deviation coefficients mu and lambda, performing real-time online correction on the permanent magnet flux linkage and quadrature axis inductance parameters, and using the corrected parameters for calculating the maximum torque current ratio control stator flux linkage set value of the motor, estimating the MT axis current and calculating the load angle. The invention provides a parameter error compensation strategy aiming at the position-sensorless control of a built-in permanent magnet synchronous motor under the modulation of low switching frequency SHEPWM, and the parameter deviation of permanent magnet flux linkage and quadrature axis inductance can be corrected in real time, so that the estimation precision of the rotor position is improved, and the robustness of the system is enhanced.)
技术领域
本发明属于交流电机传动控制
技术领域
，具体涉及一种内置式永磁同步电机无位置传感器参数误差补偿策略。背景技术
随着高速轨道列车的快速发展，具有宽调速范围、高功率密度及低能耗的永磁同步牵引电机成为当前轨道交通领域的研究热点，而现有的动车组列车牵引系统均是采用机械位置/速度传感器来获取电机的位置或转速信号。在高速列车实际运行过程中，电磁环境复杂、振动剧烈，易导致机械式传感器失效而引发牵引系统故障，造成大转矩冲击，严重时损伤轴承、齿轮、电机等关键部件，危害列车运行安全。无位置传感器驱动技术可以从根本上消除这一安全隐患，且具有抗干扰能力强、集成度高及使用周期长等优势。
对于高铁牵引系统，受开关损耗及散热限制，IGBT开关频率通常在500Hz左右。为了在全速度范围获得较好的电流与电压性能、降低开关损耗、延长大功率开关管的使用寿命、获得良好的逆变器电压输出特性且充分利用母线电压，通常在零低速使用异步调制、中高速使用分段同步调制、额定转速以上使用方波调制。
在实际确定牵引逆变器调制方式时，通常根据载波比来确定切换转速，目前如特定谐波消去(SHEPWM)等优化同步调制模式通常在载波比小于10时使用，对应模式的运行时长占列车行驶的一半左右，此时对应的转速范围通常是利用基频激励的反电动势或磁链模型来估计转子位置。相比于零低速基于凸极性追踪的高频信号注入法，这一类方法无需考虑转子凸极性，且无额外的谐波信号注入，数字实现简单，在工业领域的应用也较为成熟。对于基于电机模型的转子位置观测器，其构建基于电压、电流或磁链方程，因此转子位置估计精度及系统鲁棒性很大程度决定于指令电压、反馈电流及电机参数的准确性。基于磁链的无位置传感器控制通常与直接转矩或定子磁场定向控制相结合。此时，转子位置通常由转子或定子磁链矢量计算得到，主要包括两种方式：基于扩展转子磁链模型的“有效磁链”法和基于负载角和定子磁链角的间接计算法。这两类方式的转子位置估计精度及闭环鲁棒性决定于磁链幅值和角度的精确性，极易受磁链、电感参数变化及系统延时影响。因此，在永磁牵引系统中，结合优化同步调制下参数变化及系统延时特点，对永磁体磁链和交轴电感参数偏差进行修正，对于无位置传感器控制性能的提升具有重要的实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种内置式永磁同步电机无位置传感器参数误差补偿策略，通过求解偏差系数来实时修正永磁体磁链和交轴电感的参数误差补偿，从而提高了位置估计精度。
本发明所采用的技术方案是，一种内置式永磁同步电机无位置传感器参数误差补偿策略,具体按照以下步骤实施：
步骤1，基于磁链间接计算法，对MT轴电流进行估计并用给定磁链代替估计值，从而改进基于磁链的转子位置估计；
步骤2，获取偏差系数μ和λ，对永磁体磁链和交轴电感参数进行实时在线修正，并将修正后的参数用于电机的最大转矩电流比控制定子磁链给定值计算、MT轴电流估计以及负载角的计算。
本发明的特点还在于，
步骤1中，具体为：
步骤1.1，对三相电流iA、iB、iC进行采样，对其进行Clarke变换得到α轴与β轴电流后，计算定子磁链角估计值与电磁转矩估计值如式(1)和式(2)所示；
式中，ψα是α轴定子磁链；ψβ是β轴定子磁链；pn是极对数；iα是α轴电流；iβ是β轴电流；
步骤1.2，计算定子磁链给定值如式(3)所示，基于电磁转矩估计值计算M轴估计电流与T轴估计电流如式(4)和式(5)所示；由最大转矩电流比控制得到的q轴给定电流与d轴给定电流由式(6)和式(7)所示；
式中，ψf是永磁体磁链；is是定子电流；Ld是d轴电感；Lq是q轴电感；A＝ψfLd/l；c＝1/l；中间值pn是极对数；
步骤1.3，计算负载角如式(8)所示，基于定子磁链角估计值计算转子位置估计值如式(9)所示；
式中，ψs为定子磁链；是M轴估计电流；是T轴估计电流；
步骤1.4，计算补偿后的转子位置如式(10)所示；
式中，是转子角速度，tr为PWM更新时刻；ts为更新前最近的采样时刻。
步骤2中，具体步骤如下；
步骤2.1，基于d轴实际电压ud-mot和d轴指令电压ud-cal，计算q轴电感偏差系数μ与永磁体磁链偏差系数λ，如式(11)和式(12)所示；
式中，是转子角速度；id是d轴电流；iq是q轴电流；
步骤2.2，计算补偿后的q轴电感的实际值Lq-ac和补偿后的永磁体磁链实际值ψf-ac，分别如式(13)及式(14)所示；
Lq-ac＝(1+μ)Lq (13)；
ψf-ac＝(1+λ)ψf (14)；
步骤2.3，在获取式(11)和式(12)中的参数偏差系数后，根据式(13)和式(14)对永磁体磁链ψf和q轴电感Lq进行实时在线修正，用Lq-ac代替Lq，用ψf-ac代替ψf，修正定子磁链给定值计算、MT轴电流估计、负载角的计算以及MTPA控制中的永磁体磁链和q轴电感参数，则对式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)和式(8)进行改写，如式(15)、式(16)、式(17)、式(18)、式(19)和式(20)所示；
步骤2.4，d轴与q轴给定电流和经电流调节器调节后得到d轴与q轴给定电压和计算调制度M、电压矢量角β和补偿后的电压矢量角βre-com，对调制度M经在线查表法可获得开关角αN，由与βre-com相加得出ABC坐标系下的电压矢量角对和αN进行脉冲重构，得到三相脉冲输出。
步骤2.4中，调制度M、电压矢量角β和补偿后的电压矢量角βre-com的计算公式分别如式(21)、式(22)及式(23)所示；
式中，Udc是直流电压。
本发明的有益效果是：
1)实现了低开关频率SHEPWM调制下的内置式永磁同步电机无位置传感器控制的鲁棒性提升；
2)对传统间接计算法进行改进，使用估计的dq轴电流计算负载角并用磁链给定值代替估计值；
3)通过求解偏差系数来实时修正永磁体磁链和交轴电感的参数误差补偿，从而提高了位置估计精度。
附图说明
图1是本发明一种内置式永磁同步电机无位置传感器参数误差补偿策略的原理框图；
图2是本发明一种内置式永磁同步电机无位置传感器参数误差补偿策略中使用的实验系统硬件电路结构框图；
图3是本发明在SHE7脉冲优化同步调制下未使用该参数误差补偿策略时的电流性能试验波形图；
图4是本发明在SHE7脉冲优化同步调制下使用该参数误差补偿策略后的电流性能试验波形图；
图5是本发明在SHE7脉冲优化同步调制下未使用该参数误差补偿策略时的转速和位置估计性能试验波形图；
图6是本发明在SHE7脉冲优化同步调制下使用该参数误差补偿策略后的转速和位置估计性能试验波形图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种内置式永磁同步电机无位置传感器参数误差补偿策略,具体按照以下步骤实施：
步骤1，基于磁链间接计算法，对MT轴电流进行估计并用给定磁链代替估计值，从而改进基于磁链的转子位置估计，原理框图如图1所示，具体步骤如下：
步骤1.1，对三相电流iA、iB、iC进行采样，对其进行Clarke变换得到α轴与β轴电流后，计算定子磁链角估计值与电磁转矩估计值如式(1)和式(2)所示；
式中，ψα是α轴定子磁链；ψβ是β轴定子磁链；pn是极对数；iα是α轴电流；iβ是β轴电流；
步骤1.2，计算定子磁链给定值如式(3)所示，基于电磁转矩估计值计算M轴估计电流与T轴估计电流如式(4)和式(5)所示；由最大转矩电流比控制(MTPA)得到的q轴给定电流与d轴给定电流由式(6)和式(7)所示；
式中，ψf是永磁体磁链；is是定子电流；Ld是d轴电感；Lq是q轴电感；A＝ψfLd/l；C＝1/l；中间值pn是极对数；
步骤1.3，计算负载角如式(8)所示，基于定子磁链角估计值计算转子位置估计值如式(9)所示；
式中，ψs为定子磁链；是M轴估计电流；是T轴估计电流；
步骤1.4，计算补偿后的转子位置如式(10)所示；
式中，是转子角速度，tr为PWM更新时刻；ts为更新前最近的采样时刻；
基于进行Park变换得到d轴电流id和q轴电流iq，从而构成电流环，对采用微分计算和简单的数字低通滤波进行转速估计从而构成转速环，对电机进行控制；
步骤2，在内置式永磁同步电机驱动系统中，在获取偏差系数μ和λ后，对永磁体磁链和交轴电感参数进行实时在线修正，并将修正后的参数用于电机的最大转矩电流比控制(MTPA)、定子磁链给定值计算、MT轴电流估计以及负载角的计算，具体步骤如下；
步骤2.1，基于d轴实际电压ud-mot和d轴指令电压ud-cal，计算q轴电感偏差系数μ与永磁体磁链偏差系数λ，如式(11)和式(12)所示；
式中，是转子角速度；是d轴给定电流；是q轴给定电流；id是d轴电流；iq是q轴电流；
步骤2.2，计算补偿后的q轴电感的实际值Lq-ac和补偿后的永磁体磁链实际值ψf-ac，分别如式(13)及式(14)所示；
Lq-ac＝(1+μ)Lq (13)；
ψf-ac＝(1+λ)ψf (14)；
步骤2.3，将补偿后的参数用于电机控制中，即在获取式(11)和式(12)中的参数偏差系数后，可根据式(13)和式(14)的关系对图1中对应模块的永磁体磁链ψf和q轴电感Lq进行实时在线修正，用Lq-ac代替Lq，用ψf-ac代替ψf。修正定子磁链给定值计算、MT轴电流估计、负载角的计算以及MTPA控制中的永磁体磁链和q轴电感参数，则对式(3)、式(4)、式(5)、式(6)、式(7)和式(8)进行改写，如式(15)、式(16)、式(17)、式(18)、式(19)和式(20)所示；
步骤2.4，d轴与q轴给定电流和经电流调节器调节后得到d轴与q轴给定电压和由式(21)计算调制度M，由式(22)计算电压矢量角β，计算补偿后的电压矢量角βre-com，如式(23)所示，对调制度M经在线查表法可获得开关角αN，由与βre-com相加得出ABC坐标系下的电压矢量角对和αN进行脉冲重构，得到三相脉冲输出。
式中，是转子角速度，tr为PWM更新时刻；ts为更新前最近的采样时刻；是估计的电磁转矩；Ld为d轴电感；pn是极对数；是d轴给定电压；是q轴给定电压；Udc是直流电压；
内置式永磁同步电机极易受磁链和电感的参数变化影响从而出现以下问题：永磁电机转子磁链和交轴电感的误差会对位置估计精度以及闭环鲁棒性造成影响。为了提高内置式永磁同步电机无位置传感器控制的鲁棒性，本发明针对低开关频率SHEPWM调制下的内置式永磁同步电机无位置传感器控制，提出了一种参数误差补偿策略，可以实时修正永磁体磁链和交轴电感参数偏差，从而提升转子位置估计精度，增强系统鲁棒性。
本发明的系统硬件结构如图2所示，包括：整流电路、滤波电路、三相全桥逆变器、IPMSM(内置式永磁同步电机)、FPGA控制器、隔离驱动电路、旋转变压器和电流采集电路；本系统采用旋转变压器来进行真实位置信号的采集，并与估计位置作对比。控制系统中三相全桥逆变器输出端接入IPMSM定子三相绕组，在估计出转子初始位置后，对IPMSM进行控制。图3到图6为IPMSM在图2所示硬件系统的控制下，使用该参数补偿策略后在SHE7脉冲优化同步调制下电流性能以及转速与位置估计性能与未使用该参数补偿策略时的对比。未使用该参数补偿策略时的电流性能波形图如图3所示：基波电流明显存在相位滞后和幅值衰减，电流波形正弦度也出现恶化，磁场定向误差引起了较大的交直轴电流波动，在PSD分布中，谐波能量主要集中在11次、13次和19次谐波。使用该参数补偿策略后的电流性能波形图如图4所示：基波电流的相位滞后及幅值误差被消除，交直轴电流波动被控制在1A以内，且PSD分布更加平均，各次谐波幅值都得到削弱。未使用该参数补偿策略的转速和位置估计性能波形图如图5所示：估计转速有较大波动，电角速度平均波动幅值可达300r/min，即在高转速区，参数误差会加大电流震荡，引起转速波动，估计的转子位置也出现畸变，且最大位置估计误差超过0.3rad。使用该参数补偿策略后的转速和位置估计性能波形图如图6所示：估计信号的波动被消除，且位置估计误差不超过0.1rad。