相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) 系下的物理量用上標(biāo).(?表示;在靜止坐標(biāo)系下的物理量用上標(biāo) (S)表示;估計的電機轉(zhuǎn)子位 置沒和估計的轉(zhuǎn)速倉由轉(zhuǎn)速位置估計模塊給出，旋轉(zhuǎn)因子^和表示坐標(biāo)變換過程。
[0040]如圖2所示，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)速位置估計流程的核心在于得到與估計坐標(biāo)系和真實坐標(biāo) 系間夾角即估計誤差角J相關(guān)的物理量。圖4中展示了高頻電流矢量、實際直軸、估計直軸 的空間位置關(guān)系，其中圖4(a)和圖4(b)分別是估計直軸J軸滯后和超前實際直軸d軸的情 況。分別將高頻電流矢量|偏離d軸與i軸的角度定義為貧與堯。：
[0041 ]兩者與電壓矢量誤差角備的關(guān)系是：
[0042]
(1)
[0043] 可以由電機的高頻電壓模型推導(dǎo)出電機的高頻電流矢量在真實坐標(biāo)系下的表達 式為：
[0044]
⑵
[0045]其中Uc和ω。分別是注入的高頻電壓信號的幅值和頻率，Ld和Lq分別是直軸和交軸 電感。由表達式(2)可以得到高頻電流矢量在真實兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下與直軸的夾角為：
[0046]
(3)
[0047] 結(jié)合表達式(1)(3)可得高頻電流矢量在估計兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下與直軸的夾角為：
[0048]
⑷
[0049] 如果令? =〇,那么有：
[0050]
(〇)
[0051 ]對于內(nèi)嵌式永磁同步電機來說，Ld矣Lq，為滿足式（5)成立，只能有J = 〇 ,,所以，如 果利用鎖相環(huán)算法使得則必然有焱4〇,即估計坐標(biāo)系與真實坐標(biāo)系趨向于重合。 這是本發(fā)明中直接求取高頻電流矢量在估計坐標(biāo)系下與直軸夾角的正弦值作為轉(zhuǎn)速位置 估計器輸入的根據(jù)。
[0052] 圖5為脈振高頻電流矢量在估計坐標(biāo)系下的位置示意圖。將高頻電流矢量|分別 向估計的J軸與#軸上投影得到分量^0._與.? 9在計算sing.時，由于電流矢量.ξ.不僅在空間 中旋轉(zhuǎn)，同時在電流矢量的方向上脈振，因此在正負(fù)半周內(nèi)sin堯的表達式不同，可以通過U 的正負(fù)值來判斷：
[0053]
盼
[0054] 利用在估計的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下提取的高頻電流分量結(jié)合表達式(6)，可以直接 計算出sirj作為鎖相環(huán)式轉(zhuǎn)速估計器的輸入。對比圖2所示的現(xiàn)有估計流程，圖3所示的本 發(fā)明的估計流程減少了包括與正弦量相乘和低通濾波在內(nèi)的信號調(diào)制環(huán)節(jié)，不僅簡化了估 計流程，同時為轉(zhuǎn)速位置估計器的參數(shù)設(shè)計提供了便利條件。
[0055]本發(fā)明的控制精度在很大程度上取決與高頻電流信號的提取質(zhì)量，因此帶通濾波 器的設(shè)計尤為關(guān)鍵。由于高頻電流信號疊加在直流分量當(dāng)中，因此要求帶通濾波器在保證 通帶帶寬的前提下，盡可能的加大低頻衰減，以減小直流偏置的影響。本發(fā)明設(shè)計了一種新 型的自適應(yīng)帶通濾波器，在保持現(xiàn)有自適應(yīng)帶通濾波器通帶帶寬可調(diào)的優(yōu)點的同時，大幅 增加低頻衰減能力。
[0056]如圖6所示，本發(fā)明中采用的帶通濾波器在原有的兩路正余弦參考輸入的基礎(chǔ)上， 加入了直流參考輸入，輸入表達式為：
[0057] xi，k = C cos(k ω 〇+φ )
[0058] X2，k = C sin(kω〇+φ ) (7)
[0059] X3,k=l
[0060] 采用最小均方算法作為自適應(yīng)算法，各輸入對應(yīng)的權(quán)重因子更新過程可以表示 為：
[0061 ] wi,k+i=wi,k+2uekxi,k
[0062] W2，k+i=W2，k+2uekX2，k (8)
[0063 ] W3，k+i=W3，k+2u ε kX3，k
[0064] 其中，μ為更新步長或稱學(xué)習(xí)率，ek為誤差項或稱陷波輸出項，帶通輸出表達式為：
[0065] yk=wi，kxi，k+W2，kX2，k (9)
[0066] 可以推導(dǎo)出新型自適應(yīng)帶通濾波器的閉環(huán)傳遞函數(shù)框圖如圖7所示。
[0067] 其中，
[0068]
(1〇)
[0069] 可以得到帶通傳遞函數(shù)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：
[0070]
(11)
[0071] 根據(jù)表達式（11)所示的閉環(huán)傳遞函數(shù)表達式，可以得到新型帶通濾波器的頻率特 性。圖8(a)為現(xiàn)有自適應(yīng)帶通濾波器的波特圖，可以看出濾波器的通帶帶寬與更新步長成 正比，與低頻衰減程序成反比，足夠的通帶帶寬和較好的低頻衰減能力不能同時滿足。特別 是對于本發(fā)明所采用的估計流程，對高頻電流信號的要求較高，低頻衰減不足帶來的直流 偏置為影響控制精度。而新型的自適應(yīng)帶通濾波器由于加入了直流輸入項，配合自適應(yīng)算 法，在保持現(xiàn)有自適應(yīng)帶通濾波器帶寬可調(diào)的優(yōu)點的同時，明顯加強了濾波器的低頻衰減 能力，如圖8(b)所示。新型的自適應(yīng)帶通濾波器的特點與改進的估計流程對高頻電流信號 質(zhì)量的高要求相契合，提高了系統(tǒng)的控制精度。
[0072] 根據(jù)鎖相環(huán)式轉(zhuǎn)速位置估計算法：
[0073]
Cl2)
[0074] 其中ε為與位置估計誤差相關(guān)的物理量，可表示為：
[0075]
(13)
[0076] 估計算法參數(shù)設(shè)計根據(jù)式(14)來確定
[0077]
(14)
[0078] 在本發(fā)明中，由于直接計算出電流矢量角在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下與直軸夾角的正弦 值作為鎖相環(huán)式轉(zhuǎn)速估計器的輸入，因此在式（14)中m= 1，Κ= 1。唯一需要確定的參數(shù)是與 估計器帶寬成正比的參數(shù)Ρ。因此在本發(fā)明中，參數(shù)的設(shè)計過程得到了簡化，同時參數(shù)的選 擇與電機的電氣參數(shù)無關(guān)。
[0079] 圖9給出了本發(fā)明在永磁同步電機低速段轉(zhuǎn)速位置估計實驗效果圖。電機在完成 初始位置定向的基礎(chǔ)上，在1.2s左右通過完成輕載啟動，之后在40r/min，100r/min，60r/ min，150r/min的各低速區(qū)間完成轉(zhuǎn)速的切換。圖9分別給出了轉(zhuǎn)速估計、采樣電流、位置估 計誤差的實驗效果圖。在切換過程的瞬態(tài)和切換后的穩(wěn)態(tài)，估計轉(zhuǎn)速可以很好的跟蹤實際 轉(zhuǎn)速的變化，整個動態(tài)過程中，位置估計誤差被控制在10°以內(nèi)。
[0080] 綜上所述，本發(fā)明中的濾波器通帶帶寬可調(diào)，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(zhuǎn)速估計器的參數(shù)設(shè)計過程，提高了控制系統(tǒng)的動態(tài)性 能。
【主權(quán)項】
1. 一種基于自適應(yīng)濾波器同步電機低速段無傳感器控制方法，其特征在于，包括以下 具體步驟： (a) 高頻電壓信號注入:在估計的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直軸上注入高頻電壓信號； (b) 高頻電流信號提取:利用自適應(yīng)帶通濾波器提取出與注入高頻電壓頻率對應(yīng)的兩 相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交直軸高頻電流分量信號； (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(jié)合三角函數(shù) 關(guān)系計算得到的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下高頻電流矢量角與直軸間夾角的正弦值； (d) 轉(zhuǎn)速位置估計算法:利用求得的電流矢量角結(jié)合鎖相環(huán)估計算法計算出電機轉(zhuǎn)速 與轉(zhuǎn)子位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)濾波器同步電機低速段無傳感器控制方法， 其特征在于，所述步驟(b)中自適應(yīng)帶通濾波器的參考輸入具有直流分量。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)濾波器同步電機低速段無傳感器控制方法， 其特征在于，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(jié)合三角函 數(shù)關(guān)系計算得到的高頻電流矢量角的正弦值。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)濾波器同步電機低速段無傳感器控制方法， 其特征在于，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。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于自適應(yīng)濾波器同步電機低速段無傳感器控制方法，包括以下步驟：在估計的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直軸上注入高頻電壓信號；利用自適應(yīng)帶通濾波器提取出與注入高頻電壓頻率對應(yīng)的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的高頻電流信號；利用提取得到的交直軸高頻電流分量信號結(jié)合三角函數(shù)關(guān)系計算得到的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下高頻電流矢量角與直軸間夾角的正弦值；利用求得的電流矢量角結(jié)合鎖相環(huán)估計算法計算出電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置。本發(fā)明中的濾波器通帶帶寬可調(diào)，大幅增強低頻衰減性，有效濾除高頻電流信號中的直流分量，解決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(zhuǎn)速估計器的參數(shù)設(shè)計過程，提高了控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。
【IPC分類】H02P21/18, H02P21/32, H02P25/022
【公開號】CN105515488
【申請?zhí)枴緾N201610057263
【發(fā)明人】田里思, 陳昊, 馬小平
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2016年1月27日