本發(fā)明涉及電機控制領域，尤其涉及一種表貼式永磁同步電機零速和低速下的轉子位置檢測方法。

背景技術：

內埋式永磁同步電機零速和低速下的無傳感器位置檢測方法主要基于電機的凸極效應，常見的有電感測量法、諧波成分分析法和旋轉高頻信號注入法。對于表貼式永磁同步電機，其凸極不明顯，用于內埋式的永磁同步電機的無傳感器位置檢測方法不再適用。目前為止，表貼式永磁同步電機零速和低速的位置檢測方法主要為脈振高頻電壓注入法和脈振高頻電流注入法。

jihoonjang,jungikha.analysisofpermanentmagnetmachineforsensorlesscontrolbasedonhighfrequencysignalinjection[j].ieeetransactionsonindustryapplications,2004,40(6):1595－1604.提出使用脈振高頻電壓注入的方法實現對小凸極電機的轉子位置的檢測。其主要原理是在估計的同步旋轉坐標系的直軸中注入高頻正弦電壓信號，經clark反變換到靜止坐標系中為脈振電壓信號。然后對交軸的高頻電流信號進行低通濾波，通過基于跟蹤觀測器的轉子位置估計方法或者基于pll的轉子位置估計方法，實現估計位置對實際位置的跟蹤，進而得出轉子的位置。

劉穎，周波，馮瑛，趙承亮.基于脈振高頻電流注入spmsm低速無位置傳感器控制[j].電工技術學報，2012,7(27):139-145.提出了一種基于脈振高頻電流注入的低速無位置傳感器控制的新方法。其原理是在估計的同步旋轉坐標系直軸上注入高頻正弦電流，通過檢測交軸電流環(huán)pi調節(jié)器的輸出，獲得含有轉子位置估計誤差的信號，并對此進行適當的信號處理得到估計轉子位置角，從而實現無位置傳感器控制。

脈振高頻電壓注入法和脈振高頻電流注入法都是基于位置跟蹤的方法，所以需要進行磁極判斷，用以修正檢測到的位置。對于磁極檢測的方法一般基于凸極效應，通過二次注入正負的脈沖信號或者對電流進行積分的方法實現磁極的判斷。對于表貼式永磁同步電機，其凸極率較小，對檢測系統(tǒng)精度要求較高，檢測難度較大。

綜上，基于脈振高頻電壓注入的方法還是基于脈振高頻電流注入的方法都是直接在電機的同步參考坐標系的直軸注入高頻信號，然后檢測它們對應的電壓和電流響應。這種注入策略要求估計的同步參考坐標系實時跟蹤實際的同步參考坐標系，即跟蹤誤差收斂到零。然而跟蹤誤差信號是周期的正弦信號，最終的誤差收斂位置可能為零，也可能π。為了辨別最終的收斂角度，還需要二次注入等方法輔助實現轉子磁極的判斷，消除收斂角度的不確定性。。二次注入法大都基于直軸和交軸電感大小的差異對電壓脈沖響應幅值和衰減時間的不同從而實現對轉子磁極的判斷。對于表貼式永磁同步電機，直軸和交軸電感相差很小，對電壓脈沖的響應也幾乎一樣，檢測難度比較大，一般適用于內埋式凸極電機。表貼式永磁同步電機在低速下尚缺少一種簡單可靠的位置檢測方法。

技術實現要素：

對于表貼式永磁同步電機的無傳感器位置檢測，當前技術中脈振電壓注入法和脈振電流注入法都是基于位置跟蹤的方法，該方法收斂時間較長，同時磁極判斷方法復雜。針對此問題，本發(fā)明提出一種表貼式永磁同步電機轉子位置檢測方法，通過在虛擬高速旋轉坐標系的直軸注入高頻電流信號，通過對輸出的電壓信號進行檢測，直接得到轉子的初次估計位置。由于本發(fā)明的轉子位置檢測方法可以直接得出轉子的絕對位置，故磁極補償方法也較為簡單，只需要通過補償固定的磁極偏差。

本發(fā)明采用的技術方案如下：

一種表貼式永磁同步電機轉子位置檢測方法，包含以下步驟：

步驟a)，給電機定子線圈a相、b相通入電流進行轉子初始定位。向虛擬高速旋轉坐標系d^*-q^*的d^*軸注入高頻電流信號，并給定速度參考信號ωref、同步旋轉坐標系d-q的d軸電流參考信號idref，并檢測電機a相、b相的電流形成電流閉環(huán)控制系統(tǒng)；

步驟b)，提取d、q軸的電壓信號ud、uq，然后對ud、uq調制、濾波，得到電機轉子的初次估計位置

步驟c)，對的下降沿檢測、計數，進行磁極補償得到最終的轉子位置

所述的一種表貼式永磁同步電機轉子位置檢測方法，基于虛擬高速旋轉坐標系的高頻電流注入和電流閉環(huán)原理如下：

步驟a.1)，給電機定子線圈a相、b相通入電流進行轉子初始定位；

步驟a.2)，建立靜止坐標系α-β、同步旋轉坐標系d-q、虛擬高速旋轉坐標系d^*-q^*，并設定d^*-q^*坐標系旋轉頻率為ω^*，其中d-q坐標系與α-β坐標系的夾角為θ、同時θ也為轉子的位置，d^*-q^*坐標系與α-β坐標系的夾角為θ^*，其中θ^*＝ω^*t，t表示當前時刻；

步驟a.3)，向d^*軸注入高頻電流信號其中，im為注入電流信號的峰值，ωh為注入電流信號的頻率；

步驟a.4)，通過坐標變換把d^*-q^*坐標系的注入電流信號變換到d-q坐標系，得到idh、iqh；

步驟a.5)，檢測電機a相、b相的電流ia、ib，對其進行clark變換、park變換，得到d-q坐標系下的電流id、iq；

步驟a.6)，給定參考角速度ωref，經pi_spd調節(jié)成q軸的電流參考信號iqref，iqref與iq的誤差信號經pi_iq調節(jié)為電壓uq，令d軸電流的參考信號idref＝0，idref與id的誤差信號經pi_id調節(jié)為電壓ud；

步驟a.7)，對ud、uq進行park反變換得到uα、uβ，然后由svpwm調制技術控制功率模塊的六路開關信號用以驅動表貼式永磁同步電機。

所述的一種表貼式永磁同步電機轉子位置檢測方法，轉子初次估計位置的估計過程如下：

步驟b.1)，通過坐標變換將ud、uq轉換到d^*-q^*坐標系中，得到

步驟b.2)，分別乘以sin(ωht)sin(2ω^*t)、-sin(ωht)sin(2ω^*t)并進行低通濾波，得到

步驟b.3)，將求反正切，得到轉子的初次估計位置

所述的一種表貼式永磁同步電機轉子位置檢測方法，轉子磁極補償方法如下：

步驟c.1)，對的下降沿進行計數，次數為n；

步驟c.2)，計算得到轉子的位置為

本發(fā)明帶來的有益效果可體現在如下方面：

(1)本發(fā)明通過向虛擬高速旋轉的坐標系中注入高頻電流信號，然后提取電壓響應信號，低通濾波后可以直接計算出轉子的初次估計位置，無需pi調節(jié)，減少了收斂時間；

(2)本發(fā)明得出的初次估計值為的絕對位置，進而大大簡化了磁極的補償方法，即通過對初次估計位置的下降沿計數，得出磁極補償值，然后通過簡單的計算得出轉子的最終位置；

(3)本發(fā)明的轉子位置檢測方法不但適用于表貼式永磁同步電機，而且也可以應用于各種其他電機。理論上，只要電機的凸極率不為1，就能實現對電機轉子位置的檢測，大大拓展了本發(fā)明的應用范圍。

附圖說明

圖1為表貼式永磁同步電機轉子位置檢測過程原理框圖；

圖2為靜止坐標系、同步旋轉坐標系、虛擬高速旋轉坐標系的相對關系示意圖；

圖3為轉子位置估計過程示意圖；

圖4為磁極補償原理示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明：

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種表貼式永磁同步電機轉子位置檢測方法，具體包含以下步驟：

步驟1)，如圖2所示，建立靜止坐標系α-β、同步旋轉坐標系d-q、虛擬高速旋轉坐標系d^*-q^*，并設定d^*-q^*坐標系旋轉頻率為ω^*，其中d-q坐標系與α-β坐標系的夾角為θ、同時θ也為轉子的位置，d^*-q^*坐標系與α-β坐標系的夾角為θ^*，其中θ^*＝ω^*t，t表示當前時刻；

步驟2)，給電機定子線圈a相、b相通入電流進行轉子初始定位；

步驟3)，向d^*軸注入高頻電流信號其中，im為注入電流信號的峰值，ωh為注入電流信號的頻率，經坐標變換t^-1(△θ)轉化到d-q坐標系得到idh、iqh，其中：

步驟4)，給定參考角速度ωref，經pi_spd調節(jié)成q軸的電流參考信號iqref，iqref與iq的誤差信號經pi_iq調節(jié)為電壓uq，令d軸電流的參考信號idref＝0，idref與id的誤差信號經pi_id調節(jié)為電壓ud；

步驟5)，對ud、uq進行park反變換得到uα、uβ，然后由svpwm調制技術控制功率模塊的六路開關信號用以驅動表貼式永磁同步電機；

步驟6)，檢測電機a相、b相的電流ia、ib，對其進行clark變換得到α-β坐標系下的電流iα、iβ；然后對iα、iβ進行park變換，得到d-q坐標系下的電流id、iq；

步驟7)，將id、iq與idref、iqref軸的參考輸入進行比較，形成電流閉環(huán)；

步驟8)，如圖3所示，通過提取d、q軸的電壓信號ud、uq，并經坐標變換到d^*-q^*坐標系得到分別乘以sin(ωht)sin(2ω^*t)、-sin(ωht)sin(2ω^*t)，并進行低通濾波得到然后對其求反正切，得到轉子位置初次估計位置

步驟9)，對的下降沿計數，次數為n，最終轉子的位置為

本發(fā)明一種表貼式永磁同步電機位置檢測方法的原理如下：

表貼式永磁電機的數學模型在同步旋轉坐標系下可以表示為：

式中，ud、uq分別為定子電壓在d-q軸的分量；id、iq分別為定子電流在d-q軸的分量；r是定子的電阻；ld、lq分別為定子電流在d-q軸的分量；ωr為電機的電角速度，當電機為一對極時，電角度與機械角度相等；ψf為永磁體的磁鏈；p為微分算子。

在虛擬高速旋轉坐標系d^*-q^*的d^*軸注入高頻電流信號由于ωh的頻率較高，所以電機線圈的阻抗可以近似為定子線圈自感的感抗。當電機在靜止和低轉速時，忽略與轉速有關的項，得到永磁電機的高頻模型：

式(3)中，udh、uqh分別為d、q軸的高頻電壓；idh、iqh分別為d、q軸的高頻電流；ldh、lqh分別為d、q軸的高頻電感；zdh、zqh分別為d、q軸的高頻阻抗；ωh為高頻注入信號。

在d^*-q^*坐標系中注入高頻電流信號，其高頻電壓響應為：

令則zdh＝z+△z、zqh＝z-△z。式(4)可表示為：

在d^*軸注入高頻電流信號其中im、ωh分別為注入信號的幅值和頻率，高頻電壓響應為：

由于△θ＝θ-ω^*t，帶入式(6)，并對分別乘以sin(ωht)sin(2ω^*t)、-sin(ωht)sin(2ω^*t)，然后低通濾波得到：

對求反正切得到初次估計位置

式(8)可以看出，該方法可以直接得到轉子的絕對位置，使通過周期性的補償成為了可能。由于反正切函數的周期為π，而電機位置的一個周期為2π。如圖4，在得到后，通過檢測其下降沿，得到最終轉子位置與初次估計位置相差π的個數n，然后進行補償，最后計算出轉子最終位置，即