[發明專利]方波注入的永磁同步電機轉子位置時延補償方法估算方法

有效

• 申請號: 201710299263.0
• 申請日: 2017-05-02
• 公開（公告）號: CN107086834B
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 張航;劉衛國;陳哲;張譯文
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H02P21/18
• 分類號: H02P21/18
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種方波注入的永磁同步電機轉子位置時延補償方法估算方法，通過PI電流調節器控制輸出U_d、U_q電壓矢量的大小，在電機靜止時向估計d軸注入方波電壓信號，閉環完成初始定位，使N極迅速收斂到真實d軸。電機順利起動后，考慮到在動態過程中負載分量的快速變化會產生高頻分量，從而限制位置觀測器帶寬，影響位置估計精度，本發明通過BPF來消除負載高頻分量，獲取q軸高頻響應電流，并通過位置觀測器估計轉子位置和速度。同時，基于q軸電流誤差延時補償算法消除PWM信號滯后帶來的高頻響應電流畸變。

技術領域

本發明屬于交流電機傳動技術領域，涉及永磁同步電機無位置傳感器控制方法，具體涉及一種基于方波注入的永磁同步電機轉子位置時延補償方法估算方法，是一種在低開關頻率下利用空間矢量脈寬調制并基于方波電壓注入的永磁同步電機轉子位置估計方法。

背景技術

永磁同步電機因效率高、功率密度大及寬調速范圍等優點，近年來受到軌道交通行業的密切關注。由于與牽引電機為一體，惡劣的環境導致位置傳感器的故障率一直較高，造成機破、降速行駛等安全問題。無位置傳感器控制是解決這一問題的關鍵技術。在傳統功率變頻器的控制系統設計中，通常把PWM調制環節使用Padé近似簡化為一階慣性環節；其前提是：PWM調制的開關頻率較高，其延時相對較小，可以忽略此延時對控制系統的影響。而大功率變頻裝置的開關器件受開關損耗以及散熱的限制，最高開關頻率一般不超過1kHz，PWM調制環節的延時顯著增大，使得電流環帶寬受限、系統動態響應能力下降，且由此產生較大的數字控制延時將加劇dq軸電流的交叉耦合程度，從而造成在使用信號注入法時高頻響應電流發生畸變，影響位置估計精度。另一方面，傳統的正弦電壓注入法在高頻信號解調和位置估計時需要使用較多濾波器，會極大限制電流環和速度環的帶寬，且開關頻率較低時由于采樣點數較少，正弦電壓信號會發生嚴重失真，導致響應電流出現畸變。而方波電壓信號的形式決定了其更加適用于低開關頻率下的諧波注入。

目前，國內外關于永磁同步電機無位置傳感器控制的研究主要集中在開關頻率較高的情況下，而關于消除低開關頻率下脈沖生成環節的信號延遲均是通過重新設計電流控制器來實現對定子電流磁化分量和轉矩分量的有效解耦，并沒有分析PWM信號滯后及電流耦合程度加劇對位置估計精度的影響。

低開關頻率下傳統的高頻注入法會存在以下兩個特殊問題：1)正弦信號在低采樣頻率下由于采樣點過少會出現嚴重失真，導致高頻響應信號出現嚴重畸變。2)PWM信號出現滯后，隨著電機轉速上升，交叉耦合加劇，進一步影響了高頻響應電流包絡線的正弦度，帶來位置估計誤差。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種方波注入的永磁同步電機轉子位置時延補償方法估算方法，一方面選擇方波電壓作為注入諧波，簡化了高頻信號處理過程。另一方面引入了一種時延補償算法消除PWM信號滯后帶來的影響，改善低開關頻率造成的電流耦合現象，降低高頻響應電流畸變率。

技術方案

一種方波注入的永磁同步電機轉子位置時延補償方法估算方法，其特征在于：

通過PI電流調節器控制輸出U_d、U_q電壓矢量的大小，在電機靜止時向估計d軸注入方波電壓信號，閉環完成初始定位，使N極收斂到真實d軸。電機起動后，通過BPF消除負載高頻分量，獲取q軸高頻響應電流，通過位置觀測單元估算轉子位置。

計算低開關頻率下數字控制系統的采樣延時時間T_delay≈1.5T_s,其中T_s為載波周期，并建立考慮T_delay下的PI電流調節器傳遞函數；針對得到的轉子位置估算值，計算低開關頻率下的時延相位δ及q軸電流時延誤差補償增益。

具體步驟如下：