一種基于自適應濾波器同步電機低速段無傳感器控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于自適應濾波器同步電機低速段無傳感器控制方法，具體是一 種利用自適應帶通濾波器提取高頻電流信號，結合轉速位置估計算法實現(xiàn)永磁同步電機低 速段無傳感器控制的方法，屬于永磁同步電機控制技術領域。
【背景技術】
[0002] 永磁同步電機無傳感器控制是指省去獲取電機轉子位置信息的機械傳感器，而保 留在轉矩控制中同樣需要的電流傳感器，通過對包含轉子位置信息的電氣量的計算或觀 測，估計電機轉子的轉速和位置，從而實現(xiàn)電機電流和轉速的閉環(huán)控制。在電機的中高速 段，由于包含轉子位置信息的反電動勢項幅值相對較大、信噪比較高，因此可以不進行信號 的注入，而是通過對電機正常運行時相關物理量的測量與觀測估計出電機轉子的轉速和位 置。常見的方法包括:擴展卡爾曼濾波器法、干擾觀測器法、滑模觀測器等。但是在電機的低 速段，由于反電動勢項幅值較小，信噪比較小，上述觀測器方法的控制精度急劇降低。因此 有必要通過在電機正常運行激勵信號的基礎上，疊加高頻電壓或電流信號。注入的高頻信 號在頻段上與基頻信號有較大的區(qū)分，電機的高頻激勵模型可以在很大程度上得到簡化， 可以看作是帶感性負載的電壓模型。通過對電機高頻激勵模型的分析，可以得到與電感值 相對應的包含轉子位置信息的物理量，并結合相應的信號處理算法完成對轉子位置和轉速 的估計?；诟哳l注入的無傳感器控制方法主要有旋轉高頻電壓注入法和脈振高頻電壓注 入法。
[0003] 現(xiàn)有脈振高頻電壓注入法的估算流程如圖2所示。該方法在估計的兩相旋轉坐標 系的直軸上注入脈振的高頻電壓。理想情況下，估計的坐標系與實際坐標系完全重合，從電 流解耦的角度出發(fā)，在直軸上注入的高頻電壓所產(chǎn)生的高頻電流不會在交軸上有所貢獻； 反之，估計坐標系與實際坐標系有空間角度上的估計誤差，則會在交軸上提取到高頻電流 信號。在利用帶通濾波器提取出高頻電流信號之后，結合相應的信號調制方法可以得到反 應估計誤差大小的高頻電流信號的幅值，通過類PI調節(jié)器式的轉速估計器得到轉子轉速與 位置信息。這類高頻注入法對高頻電流信號的調制過程要求很高，低通濾波器截止頻率的 選取直接影響系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)性能。同時，轉速估計器的參數(shù)設計過程相對復雜，估 計器性能受到電氣參數(shù)值變化的影響較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種基于自適應濾波器同步電機低速 段無傳感器控制方法，本控制方法能夠簡化控制系統(tǒng)結構與參數(shù)設計過程，提高無傳感器 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本基于自適應濾波器同步電機低速段無傳感器控制方法包括 以下具體步驟：
[0006] (a)高頻電壓信號注入:在估計的兩相旋轉坐標系的直軸上注入高頻電壓信號；
[0007] (b)高頻電流信號提取:利用自適應帶通濾波器提取出與注入高頻電壓頻率對應 的兩相旋轉坐標系下的交直軸高頻電流分量信號；
[0008] (C)高頻電流矢量角度計算:利用提取得到的交直軸高頻電流分量信號結合三角 函數(shù)關系計算得到的兩相旋轉坐標系下高頻電流矢量角與直軸間夾角的正弦值;所述交直 軸高頻電流是利用設計的自適應帶通濾波器從交直軸電流中提取得到的。
[0009] (d)轉速位置估計算法:利用求得的電流矢量角結合鎖相環(huán)估計算法計算出電機 轉速與轉子位置。
[0010] 進一步，所述步驟(b)中自適應帶通濾波器的參考輸入具有直流分量。用以增加濾 波器的低頻衰減。
[0011] 進一步，所述步驟(d)中鎖相環(huán)估計算法的輸入量為交直軸高頻電流分量結合三 角函數(shù)關系計算得到的高頻電流矢量角的正弦值。
[0012] 進一步，所述同步電機低速段無傳感器控制方法采用的是具有空間物理凸極性 的內(nèi)嵌式永磁同步電機。
[0013] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的控制方法具有以下有益效果：
[0014] 1、本發(fā)明的實施對象為采用矢量控制的內(nèi)嵌式永磁同步電機驅動系統(tǒng)，所述無傳 感器控制方法替代傳統(tǒng)的光電編碼器和位置傳感器，提供電機矢量控制所需的電機轉子位 置信號，和轉速閉環(huán)控制所需的電機轉子轉速信號。為在電機低速段提取出與轉子位置相 關的電機凸極信息，采用脈振高頻電壓注入信號，即在估計的兩相旋轉坐標系的直軸上注 入頻率為1 kHz的正弦高頻電壓信號。
[0015] 2、利用帶通濾波器從兩相旋轉坐標系的交直軸中分別提取出與注入高頻電壓信 號對應的1kHz高頻電流信號。所述帶通濾波器為自適應帶通濾波器，自適應算法采用最小 均方算法(LMS)，帶通濾波器的中心頻率為參考正弦信號的頻率，通帶帶寬與更新步長成正 比。為進一步消減采樣電流中直流分量的影響，對自適應帶通濾波器的結構進行了改進，加 入了直流通路，增強了濾波器的低頻衰減能力，該特點與本方案中對高頻電流信號質量的 高要求相契合，提高了系統(tǒng)的控制精度。
[0016] 3、利用得到的交直軸高頻電流信號結合三角函數(shù)關系得到高頻電流矢量在兩相 旋轉坐標系下與直軸夾角的正弦值。由于高頻電流矢量在估計的直軸上脈振，因此在計算 夾角正弦值時應考慮直軸電流的符號。
[0017] 4、電機轉速位置估計采用鎖相環(huán)式的轉速估計器。該轉速估計器的輸入為誤差角 的正弦值或相關量。由于本方案中直接計算出了電流矢量角在兩相旋轉坐標系下與直軸夾 角的正弦值作為轉速估計器的輸入，因此在參數(shù)設計時只需設計與估計器帶寬相關的參數(shù) P，即可實現(xiàn)一種動態(tài)性能確定的轉速估計器。
[0018] 5、本技術方案可在電機啟動前的靜止狀態(tài)得到電機的初始位置，再結合雙脈沖注 入的極性判斷方案，可得到電機的初始位置信息，在不依賴霍爾位置傳感器的條件下完成 電機的啟動過程。
[0019] 綜上所述，本發(fā)明中的濾波器通帶帶寬可調，大幅增強了低頻衰減性，可很好的濾 除高頻電流信號中的直流分量，解決了高頻電流中存在直流偏置的問題，提高了估算精度， 整體方案簡化了信號處理流程和轉速估計器的參數(shù)設計過程，提高了控制系統(tǒng)的動態(tài)性 能。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的控制結構原理框圖；
[0021 ]圖2是現(xiàn)有脈振高頻電壓注入法的估計流程圖；
[0022]圖3是本發(fā)明實施例的轉速位置估計流程圖；
[0023] 圖4是本發(fā)明實施例中的高頻電流矢量、實際直軸、估計直軸的空間位置關系圖， 其中圖4(a)和圖4(b)分別是估計直軸i軸滯后和超前實際直軸d軸的情況；
[0024] 圖5是本發(fā)明實施例中為脈振高頻電流矢量在估計坐標系下的位置示意圖；
[0025] 圖6是本發(fā)明實施例中所采用的自適應帶通濾波器示意圖；
[0026] 圖7是本發(fā)明實施例中所采用的自適應帶通濾波器的閉環(huán)傳遞函數(shù)框圖；
[0027] 圖8中（a)是現(xiàn)有自適應帶通濾波器的波特圖，（b)是本發(fā)明實施例中所采用的自 適應帶通濾波器的波特圖；
[0028] 圖9是本發(fā)明實施例中內(nèi)嵌式永磁同步電機無傳感器控制的實驗效果圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合具體實施例及附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0030] 本基于自適應濾波器同步電機低速段無傳感器控制方法包括以下具體步驟：
[0031] (a)高頻電壓信號注入:在估計的兩相旋轉坐標系的直軸上注入高頻電壓信號；
[0032] (b)高頻電流信號提取:利用自適應帶通濾波器提取出與注入高頻電壓頻率對應 的兩相旋轉坐標系下的交直軸高頻電流分量信號；
[0033] (c)高頻電流矢量角度計算:利用提取得到的交直軸高頻電流分量信號結合三角 函數(shù)關系計算得到的兩相旋轉坐標系下高頻電流矢量角與直軸間夾角的正弦值;所述交直 軸高頻電流是利用設計的自適應帶通濾波器從交直軸電流中提取得到的。
[0034] (d)轉速位置估計算法:利用求得的電流矢量角結合鎖相環(huán)估計算法計算出電機 轉速與轉子位置。
[0035] 所述步驟(b)中自適應帶通濾波器的參考輸入具有直流分量。用以增加濾波器的 低頻衰減。
[0036] 所述步驟(d)中鎖相環(huán)估計算法的輸入量為交直軸高頻電流分量結合三角函數(shù)關 系計算得到的高頻電流矢量角的正弦值。
[0037] 所述同步電機低速段無傳感器控制方法采用的是具有空間物理凸極性的內(nèi)嵌式 永磁同步電機。
[0038] 具體實施例如下：
[0039]如圖1所示，基于脈振高頻電壓注入的永磁同步電機無傳感器控制結構框圖中，轉 速位置估計模塊替代傳統(tǒng)的光電編碼器和位置傳感器，提供電機矢量控制所需的電機轉子 位置信號，和轉速閉環(huán)控制所需的電機轉子轉速信號。由于在無傳感器控制中，真實的轉子 空間位置未知，參與旋轉變換的角度為估算角度，因此各物理量為在估計的兩