一種風(fēng)機(jī)用永磁同步電機(jī)無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及永磁同步電機(jī)，尤其涉及一種空調(diào)、廠房?jī)艋?、建筑暖通工程、通信?站、軌道車輛等領(lǐng)域風(fēng)機(jī)配套的永磁同步電機(jī)無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著電力電子技術(shù)、變頻控制與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法高性能、低成本微處理器的 快速發(fā)展，矢量控制永磁同步電機(jī)（PMSM)，在寬速度、寬負(fù)載范圍內(nèi)具有高效率、低噪音和 精準(zhǔn)速度控制等特點(diǎn)，成為空調(diào)、廠房?jī)艋⒔ㄖüこ?、通信基站、軌道車輛等領(lǐng)域風(fēng)機(jī) 配套的優(yōu)選電機(jī)?；谑噶靠刂频挠来磐诫姍C(jī)，必須實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和速度。 常用轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)采用機(jī)械傳感器（編碼器、解算器和測(cè)速發(fā)電機(jī)），但機(jī)械傳感器有安 裝、電纜連接、故障等問題，不僅增加了系統(tǒng)的體積和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，而且降低了系統(tǒng)可 靠性。為了解決機(jī)械傳感器存在的各種缺陷，無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)成為了研究的重點(diǎn)。 [0003]目前，無傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置方法主要有利用電機(jī)凸極效應(yīng)的高頻信號(hào)注入法和 利用電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)或者磁鏈的估算法。高頻信號(hào)注入法對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)有特殊要求，需要電機(jī) 轉(zhuǎn)子具有凸極性，對(duì)風(fēng)機(jī)用隱極式永磁同步電機(jī)不適用。估算法主要有反電動(dòng)勢(shì)法、模型參 考自適應(yīng)法、滑模觀測(cè)器法、擴(kuò)展卡爾曼濾波法等。反電動(dòng)勢(shì)法利用電機(jī)基波電壓和電流信 號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)子位置和速度，方法簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，但對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化很敏感，適應(yīng)性較差?；?模觀測(cè)器法有較好的魯棒性，但低速時(shí)抖振現(xiàn)象比較嚴(yán)重。擴(kuò)展卡爾曼濾波法需要進(jìn)行復(fù) 雜的矩陣求逆運(yùn)算，對(duì)CPU有較高的計(jì)算要求，實(shí)時(shí)性較差。模型參考自適應(yīng)法只能在某一 速度區(qū)域調(diào)整為最佳，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于該速度域時(shí)易引起檢測(cè)的轉(zhuǎn)子位置振蕩，而高于該速度 域時(shí)易導(dǎo)致檢測(cè)的轉(zhuǎn)子位置有較大的延遲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種風(fēng)機(jī)用永磁同步電機(jī)無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢 測(cè)方法，提出的方法只需永磁磁鏈，無需其它電機(jī)參數(shù)，算法十分簡(jiǎn)單，在20%額定轉(zhuǎn)速以 上都能準(zhǔn)確地檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，適用于功率等級(jí)寬泛的暖通、工業(yè)凈化等領(lǐng)域風(fēng)機(jī) 用永磁同步電機(jī)。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是：通過將直軸電流調(diào)節(jié)器輸出的包含轉(zhuǎn)子位置 誤差信息直軸電壓輸入到鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子位置跟蹤比例積分估算器，控制直軸電流為零，估算 出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。
[0006] 下面說明本發(fā)明所涉及的無傳感器轉(zhuǎn)子位置和速度檢測(cè)原理。
[0007] 由于無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)不像機(jī)械傳感器可以直接測(cè)量，而是基于估算， 因此在實(shí)際轉(zhuǎn)子位置0和估算位置0e之間必然存在誤差A(yù)0。設(shè)實(shí)際轉(zhuǎn)子位置兩相靜 止坐標(biāo)系為a ，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為d-q坐標(biāo)系，而基于估算轉(zhuǎn)子位置的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系為r-5坐 標(biāo)系，如圖1所示。
[0008] 根據(jù)PMSM特性，基于a- 0坐標(biāo)系的PMSM定子電壓方程為：
[0009]
[0012] 則r-S坐標(biāo)系下的定子電壓、電流可以表示為
[0015] 將式（1)、（2)、⑷代入式⑶可以得到r-S坐標(biāo)系下的PMSM電壓方程：
[0016]
[0017] 式中￥<1、￥0、￥^￥8分別為定子繞組€[-0軸與^6軸電壓分量；1€[、10、 ir、iS分別為定子繞組a-0軸與r-S軸電流分量；Rs、Ls分別為定子電阻和電感；cp為 轉(zhuǎn)子永磁磁極產(chǎn)生的磁鏈；《為轉(zhuǎn)子電氣角速度。
[0018] 圖2為無位置傳感器矢量控制PMSM方框圖，圖中前向耦合電壓為：
[0019]
(6)
[0020] 將測(cè)量的電流經(jīng)CLARK和PARK變換后代入式（5)可得估算旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交直 軸電壓。
[0021]
(7)
[0022] 將式（7)減去式（6)得到交直軸電壓的誤差為：
[0023]
[0024] 式中coe為估算的轉(zhuǎn)子角速度。
[0025] 由圖2可知，直軸電壓誤差A(yù)Vd為直軸電流PI調(diào)節(jié)器的輸出，穩(wěn)態(tài)時(shí)，id=id*， iq=iq*，由式⑶可得：
[0026]
(9)
[0027] 變換式（9)可得轉(zhuǎn)子位置誤差A(yù)0為：
[0028]
(10)
[0029] 若可以得到實(shí)際轉(zhuǎn)子位置0，則可利用圖3的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，獲得估算轉(zhuǎn)速coe及估 算轉(zhuǎn)子位置9e。
[0030] 由圖3可得鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與位置估算的傳遞函數(shù)為：
[0031]
(11)
[0032] 若鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與位置估算的頻寬為cov，為了保證快速無振蕩估算轉(zhuǎn)子位置， 取阻尼比I為1，則特征參數(shù)為：
[0035] 根據(jù)式（12)、（13)可獲得鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子位置估算比例增益kp和積分增益ki分別 為：
[0038] 通常速度環(huán)的頻寬取PWM調(diào)制頻率的1/10,即50~200Hz?？紤]到系統(tǒng)逆變器的 非線性以及電流測(cè)量誤差等因素，鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子位置估算的頻寬一般為速度環(huán)的頻寬2~6 倍。
[0039] 事實(shí)上，實(shí)際轉(zhuǎn)子位置0是未知的，但可以應(yīng)用式（10)獲取轉(zhuǎn)子位置誤差信息， 即從d軸PI電流調(diào)節(jié)器輸出電壓中提取，具體轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與位置估算的框圖如圖2的速度與 位置估算器部分。
[0040] 根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0041] (1)應(yīng)用傳感器檢測(cè)電機(jī)的三相電流ia、ib、ic;
[0042] (2)利用Clarke變換和Park變換將三相電流ia、ib、ic變換為兩相交直軸電流 id、iq;
[0043] (3)控制直軸電流id為零，從直軸電流PI控制器產(chǎn)生包含轉(zhuǎn)子位置誤差信息的直 軸電壓；
[0044] (4)將直軸電流PI控制器產(chǎn)生的直軸電壓乘以后送到轉(zhuǎn)子位置跟蹤比例積分 估算器得到估算轉(zhuǎn)速《e，選擇估算器的比例增益kp為2 ? ?v，積分增益ki為(〇彡，《 v為轉(zhuǎn) 子位置跟蹤比例積分估算器的頻寬，選擇為逆變器PWM頻率的1/5~3/5;
[0045] (5)將轉(zhuǎn)子位置跟蹤比例積分估算器估算的轉(zhuǎn)速coe進(jìn)行積分得到估算轉(zhuǎn)子位置 0e〇
[0046] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有下列優(yōu)點(diǎn)：
[0047] (1)只需電機(jī)永磁磁鏈，無需其它電機(jī)參數(shù)，對(duì)電機(jī)參數(shù)不敏感；
[0048] (2)不依賴電機(jī)模型，算法簡(jiǎn)單，無需高要求的CPU，降低了生產(chǎn)成本；
[0049](3)估算器的參數(shù)設(shè)置非常簡(jiǎn)單，適用于不同功率等級(jí)的風(fēng)機(jī)配套用永磁同步電 機(jī)大規(guī)模生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0050] 圖1是本發(fā)明的不同參考坐標(biāo)系關(guān)系圖；
[0051 ] 圖2是本發(fā)明的無傳感器矢量控制PMSM方框圖；
[0052] 圖3是本發(fā)明的鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與位置估算方框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053] 下面結(jié)合附圖2和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0054] 本發(fā)明的風(fēng)機(jī)用永磁同步電機(jī)無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法，通過將直軸電流調(diào)節(jié) 器輸出的包含轉(zhuǎn)子位置誤差信息直軸電壓輸入到鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子位置跟蹤比例積分估算器，控 制直軸電流為零，估算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。
[0055] 參見圖2,所述方法包括以下步驟：
[0056] (1)應(yīng)用傳感器檢測(cè)電機(jī)的三相電流ia、ib、ic;
[0057] (2)利用Clarke變換和Park變換將三相電流ia、ib、ic變換為兩相交直軸電流 id、iq;
[0058] (3)控制直軸電流id為零，從直軸電流PI控制器產(chǎn)生包含轉(zhuǎn)子位置誤差信息的直 軸電壓；
[0059] (4)將直軸電流PI控制器產(chǎn)生的直軸電壓乘以^后送到轉(zhuǎn)子位置跟蹤比例積分 估算器得到估算轉(zhuǎn)速《e，選擇估算器的比例增益kp為2 ? ?v，積分增益ki為〇〇彡，《 v為轉(zhuǎn) 子位置跟蹤比例積分估算器的頻寬，選擇為逆變器PWM頻率的1/5~3/5 ;
[0060] (5)將轉(zhuǎn)子位置跟蹤比例積分估算器估算的轉(zhuǎn)速coe進(jìn)行積分得到估算轉(zhuǎn)子位置 0e〇
[0061] 以上實(shí)施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，因此所有等同的 技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇，應(yīng)由各權(quán)利要求所限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種風(fēng)機(jī)用永磁同步電機(jī)無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法，其特征在于，包括下列步 驟： (1) 應(yīng)用傳感器檢測(cè)電機(jī)的三相電流ia、ib、ic ; (2) 利用Clarke變換和Park變換將三相電流ia、ib、ic變換為兩相交直軸電流id、 iq ; (3) 控制直軸電流id為零，從直軸電流PI控制器產(chǎn)生包含轉(zhuǎn)子位置誤差信息的直軸電 壓； (4) 將直軸電流PI控制器產(chǎn)生的直軸電壓乘以；后送到轉(zhuǎn)子位置跟蹤比例積分估算 器得到估算轉(zhuǎn)速ωε，選擇估算器的比例增益kp為2 · ων，積分增益ki為ω〗，φ為轉(zhuǎn)子永 磁磁鏈，ων為轉(zhuǎn)子位置跟蹤比例積分估算器的頻寬，選擇為逆變器PffM頻率的1/5~3/5 ; (5) 將轉(zhuǎn)子位置跟蹤比例積分估算器估算的轉(zhuǎn)速進(jìn)行積分得到估算轉(zhuǎn)子位置Θ y
【專利摘要】本發(fā)明提供一種風(fēng)機(jī)用永磁同步電機(jī)無傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法，包括下列步驟：應(yīng)用傳感器檢測(cè)到電機(jī)的三相電流后，利用Clarke變換和Park變換將三相電流變換為兩相交直軸電流，然后從直軸電流PI控制器產(chǎn)生包含轉(zhuǎn)子位置誤差信息的直軸電壓送到鎖相環(huán)轉(zhuǎn)子位置跟蹤比例積分估算器，根據(jù)逆變器開關(guān)工作頻率選擇估算器中PI控制增益參數(shù)，通過控制直軸電流使其為零，估算出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。本發(fā)明提供的方法，只需永磁磁鏈，無需其它電機(jī)參數(shù)，算法十分簡(jiǎn)單，在20％額定轉(zhuǎn)速以上都能準(zhǔn)確地檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，適用于功率等級(jí)寬泛的暖通、工業(yè)凈化風(fēng)機(jī)用永磁同步電機(jī)。
【IPC分類】H02P21/14
【公開號(hào)】CN105071736
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510505326
【發(fā)明人】陳震, 薛曉明
【申請(qǐng)人】泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院
【公開日】2015年11月18日
【申請(qǐng)日】2015年8月11日