一种基于正交锁相环的永磁同步电机转子位置及速度检测方法

1.本发明涉及永磁同步电机转子位置及速度检测技术，尤其涉及一种基于正交锁相环的永磁同步电机转子位置及速度检测方法。


背景技术：

2.永磁同步电机具有效率高、功率因数高、运行可靠等优点，在工业生产、航空航天和家用电器等领域被广泛应用。而永磁同步电机矢量控制中对转子位置及速度信号精度要求较高，控制系统需要实时得到转子位置信息，从对各种工况的适应性来看，目前使用机械传感器是获取永磁同步电机转子位置信息最可靠的方案。
3.霍尔传感器具有体积小、结构简单、非接触测量等优点，适合在永磁同步电机转子位置检测中使用。开关霍尔传感器输出的转子位置信号是离散的，一般不能直接用于永磁同步电机矢量控制系统，而线性霍尔传感器可以提供连续的转子位置信号，但多路霍尔信号中往往存在幅值偏差和相位偏差的问题，严重影响转子位置估算精确度。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提供一种基于正交锁相环的永磁同步电机转子位置及速度检测方法，解决了永磁同步电机传统转子位置检测方案中多个霍尔信号间存在幅值偏差和相位偏差的问题，算法实现简单，系统结构简单且鲁棒性强。
5.技术方案：本发明的一种基于正交锁相环的永磁同步电机转子位置及速度检测方法，包括以下步骤：
6.s1、利用线性霍尔传感器检测当前时刻永磁同步电机的转子位置，得到霍尔电压信号h0；
7.s2、对检测得到的霍尔电压信号h0进行归一化处理，得到两相静止坐标系下的霍尔信号h
α
、h
β
，其中，h
α
和h
β
分别为两相静止坐标系下α轴和β轴霍尔信号；
8.s3、将两相静止坐标系下的霍尔信号h
α
、h
β
进行坐标变换，得到两相旋转坐标系下的霍尔信号hd、hq，其中，hd和hq分别表示两相旋转坐标系下d轴和q轴霍尔信号；
9.s4、分离两相旋转坐标系下霍尔信号的交直流分量，得到两相旋转坐标系下的霍尔信号hd、hq中的交流分量其中，和分别表示两相旋转坐标系下d轴和q轴霍尔信号的交流分量；
10.s5、通过正交锁相环处理霍尔信号的交流分量经过正交锁相环的环路滤波器和压控振荡器的调节作用，使正交锁相环输出的转子位置估计值的二倍与输入信号的相位间的相位差尽可能小，当正交锁相环稳定时，正交锁相环输出的转子位置估计值能够收敛至实际的转子位置θr；其中正交锁相环的比例积分调节器模块输出转子估
计转速估计转速经积分器处理后得到实时估计的永磁同步电机转子位置
11.s6、重复步骤s1至步骤s5，实时解算永磁同步电机转子位置及速度。
12.进一步的，步骤s1中线性霍尔传感器的安装位置与永磁同步电机的定子a相绕组轴线重合。
13.进一步的，步骤s2中归一化处理的计算公式如下：
[0014][0015]
其中，u1取线性霍尔传感器检测得到的霍尔电压信号h0，u2取0。
[0016]
进一步的，步骤s3中的坐标变换为派克变换，公式为：
[0017][0018]
其中，θ表示派克变换使用的转子位置。
[0019]
更进一步的，派克变换使用的转子位置θ，在第一个控制周期中取值为通过各种永磁同步电机转子初始位置检测方法所获得的永磁同步电机转子初始位置θ
r0
的相反数，在之后的控制周期中取值为上一控制周期中正交锁相环估计的永磁同步电机转子位置的相反数。
[0020]
进一步的，步骤s4中采用高通滤波器分离两相旋转坐标系下霍尔信号的交直流分量，其中高通滤波器设计的截至频率低于永磁同步电机转速所对应的频率。
[0021]
进一步的，步骤s5中正交锁相环的传递函数为：
[0022][0023]
其中，k
p
和ki分别为pi控制器的比例和积分参数，正交锁相环的鉴相器输出为：
[0024][0025]
其中，θr为永磁同步电机实际的转子位置，为正交锁相环输出的转子位置估计值；
[0026]
当正交锁相环稳定时，鉴相器输出的误差e可以表示为：
[0027][0028]
经过pi调节后，误差e趋近于零，正交锁相环输出的转子位置估计值能够收敛至永磁同步电机实际的转子位置。
[0029]
本发明的一种基于正交锁相环的永磁同步电机转子位置及速度检测系统，包括：
[0030]
信号检测模块，用于对永磁同步电机转子位置进行检测，得到永磁同步电机霍尔电压信号；
[0031]
数据处理模块，对永磁同步电机霍尔电压信号进行归一化处理，然后对其进行坐标变换，得到旋转坐标系下的霍尔信号；
[0032]
交直流分量分离模块，用于分离旋转坐标系下霍尔信号的交直流分量，得到旋转坐标系下的霍尔信号中的交流分量；
[0033]
位置及速度检测模块，基于正交锁相环计算永磁同步电机转子位置及转速。
[0034]
本发明的一种装置设备，包括存储器和处理器，其中：
[0035]
存储器，用于存储能够在处理器上运行的计算机程序；
[0036]
处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行上述一种基于正交锁相环的永磁同步电机转子位置及速度检测方法的步骤。
[0037]
本发明的一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时实现上述一种基于正交锁相环的永磁同步电机转子位置及速度检测方法的步骤。
[0038]
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：(1)基于正负序分量分离的思想，从单个线性霍尔传感器的检测信号中提取转子的位置信息，达成仅使用单个线性霍尔传感器即可检测永磁同步电机转子位置及速度的效果；(2)仅用单个线性霍尔传感器的检测信号解算转子位置，解决了传统转子位置检测方案中多个霍尔信号间存在幅值偏差和相位偏差的问题，具有消除转子位置解算误差的作用；(3)现有传统技术方案需要同时利用多个线性霍尔传感器的检测信号来解算永磁同步电机的转子位置，本方案可以在部分线性霍尔传感器故障的情况下，利用单个线性霍尔传感器的输出信号解算永磁同步电机的转子位置，并且本方案不会影响传统技术方案的运行，可以作为部分线性霍尔传感器故障的情况下传统技术方案解算出错时的容错方案，具有电机容错运行的意义；(4)系统结构简单、成本低，且鲁棒性强。
附图说明
[0039]
图1为本发明方法流程图；
[0040]
图2为本发明系统结构示意图；
[0041]
图3为永磁同步电机控制系统结构框图。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0043]
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。以下所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0044]
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0045]
本发明的一种基于正交锁相环的永磁同步电机转子位置及速度检测方法，针对永磁同步电机矢量控制中线性霍尔传感器的检测信号中多个霍尔信号间存在幅值偏差和相位偏差的问题等影响永磁同步电机转子位置及速度信号估算精度的问题，利用单个线性霍
尔传感器的检测信号，基于正负序分量分离的思想，利用单个线性霍尔传感器的检测信号中正序分量和负序分量分别在两相旋转坐标系下表现为交流量和直流量的特性，在两相旋转坐标系下提取单个线性霍尔传感器检测信号中的正序分量，并通过正交锁相环同步输出信号与输入信号之间相位的作用，达成输出转子位置估计值对输入信号相位的无静差追踪，从而实现永磁同步电机转子位置及速度检测。该方法较好的解决了永磁同步电机传统转子位置检测方案中多个霍尔信号间存在幅值偏差和相位偏差的问题，算法实现简单，系统结构简单且鲁棒性强。如图1所示，包括以下步骤：
[0046]
s1、利用线性霍尔传感器检测当前时刻永磁同步电机的转子位置，得到霍尔电压信号h0；
[0047]
永磁同步电机霍尔电压信号h0通过线性霍尔传感器检测当前时刻永磁同步电机的转子位置得到，其中线性霍尔传感器安装位置与定子a相绕组轴线重合。
[0048]
s2、对检测得到的霍尔电压信号h0进行归一化处理，得到两相静止坐标系下的霍尔信号h
α
、h
β
，其中，h
α
和h
β
分别为两相静止坐标系下α轴和β轴霍尔信号；
[0049]
归一化处理的计算公式如下：
[0050][0051]
其中，为了将霍尔信号表示在两相静止坐标系下，u1取线性霍尔传感器检测得到的霍尔电压信号h0，u2取0。
[0052]
s3、将两相静止坐标系下的霍尔信号h
α
、h
β
进行坐标变换，得到两相旋转坐标系下的霍尔信号hd、hq，其中，hd和hq分别表示两相旋转坐标系下d轴和q轴霍尔信号；
[0053]
坐标变换为派克变换，按照如下公式计算：
[0054][0055]
其中，θ表示派克变换使用的转子位置，在第一个控制周期中取值为通过各种永磁同步电机转子初始位置检测方法所获得的转子初始位置θ
r0
的相反数，在之后的控制周期中取值为上一控制周期中正交锁相环估计的电机转子位置的相反数。
[0056]
s4、分离两相旋转坐标系下霍尔信号的交直流分量，得到两相旋转坐标系下的霍尔信号hd、hq中的交流分量其中，和分别表示两相旋转坐标系下d轴和q轴霍尔信号的交流分量；
[0057]
分离交直流分量的信号处理方法可以采用高通滤波器等分离交直流量的方法，采用高通滤波器的分离方式包括一种一阶高通滤波器的传递函数为：
[0058][0059]
其中，a1为一阶高通滤波器的通带增益，ω0为一阶高通滤波器的截止频率，高通滤波器设计的截至频率应低于本发明方法应用时永磁同步电机转速所对应的频率，设计高通滤波器的同时需要考虑补偿滤波器带来的相移。
[0060]
s5、通过正交锁相环处理霍尔信号的交流分量经过正交锁相环的环路滤
波器和压控振荡器的调节作用，使正交锁相环输出的转子位置估计值的二倍与输入信号的相位间的相位差尽可能小，当正交锁相环稳定时，正交锁相环输出的转子位置估计值能够收敛至实际的转子位置θr；其中正交锁相环的比例积分调节器模块输出转子估计转速估计转速经积分器处理后得到实时估计的永磁同步电机转子位置
[0061]
交流分量用正交锁相环处理，正交锁相环的传递函数为：
[0062][0063]
其中，k
p
和ki分别为pi控制器的比例和积分参数，正交锁相环的鉴相器输出为：
[0064][0065]
其中，θr为永磁同步电机实际的转子位置，为正交锁相环输出的转子位置估计值；当正交锁相环稳定时，鉴相器输出的误差e可以表示为：
[0066][0067]
经过pi调节后，误差e趋近于零，正交锁相环输出的转子位置估计值能够收敛至永磁同步电机实际的转子位置。
[0068]
s6、重复步骤s1至步骤s5，实时解算永磁同步电机转速和转子位置。
[0069]
本发明一种基于正交锁相环的永磁同步电机转子位置及速度检测方法基本原理具体推导过程如下所示。
[0070]
采用本发明一种基于正交锁相环的永磁同步电机转子位置及速度检测方法时，归一化之后的霍尔信号可表示为：
[0071][0072]
式中，θr为永磁同步电机实际的转子位置。将上述归一化之后的霍尔信号表达式改写为正负序分量形式：
[0073][0074][0075][0076]
式中，h
α
、h
β
、h
α-、h
β-分别为霍尔信号的正负序分量。将其进行派克变换得到：
[0077]
[0078]
对hd、hq进行交直流量分离，将其中的交流量用正交锁相环处理，根据图2可得，正交锁相环的传递函数为：
[0079][0080]
式中，k
p
和ki分别为pi控制器的比例和积分参数，鉴相器的输出为：
[0081][0082]
其中，θr为永磁同步电机实际的转子位置，为正交锁相环输出的转子位置估计值；
[0083]
当正交锁相环稳定时，鉴相器输出的误差e可以表示为：
[0084][0085]
经过pi调节后，误差e趋近于零，正交锁相环输出的转子位置估计值能够收敛至永磁同步电机实际的转子位置。
[0086]
图2为本发明一种基于正交锁相环的永磁同步电机转子位置及速度检测系统结构示意图，系统包括：
[0087]
信号检测模块，用于对永磁同步电机转子位置进行检测，得到永磁同步电机霍尔电压信号；
[0088]
数据处理模块，对永磁同步电机霍尔电压信号进行归一化处理，然后对其进行坐标变换，得到旋转坐标系下的霍尔信号；
[0089]
交直流分量分离模块，用于分离旋转坐标系下霍尔信号的交直流分量，得到旋转坐标系下的霍尔信号中的交流分量；
[0090]
位置及速度检测模块，基于正交锁相环计算永磁同步电机转子位置及转速。
[0091]
以传统空间矢量脉宽调制控制策略为例，图3为永磁同步电机控制系统结构框图，其中为转速的参考值，i
d*
、i
q*
为dq轴转矩电流的参考值。id、iq为dq轴转矩电流检测值，可通过电流传感器等方式检测获得，线性霍尔传感器模块的输出信号为已经经过归一化处理的霍尔信号h
α
、h
β
。
[0092]
结合图1，图2与图3，下面详细说明本发明一种基于正交锁相环的永磁同步电机转子位置及速度检测方法具体流程。首先利用线性霍尔传感器对当前时刻永磁同步电机转子位置进行检测，得到霍尔电压信号h0。将得到的霍尔电压信号进行归一化处理，得到两相静止坐标系下的霍尔信号h
α
、h
β
，并对其进行park变换，得到两相旋转坐标系下的霍尔信号hd、hq，然后分离出其中的交流分量即为旋转坐标系下霍尔信号的正序分量h
α
、h
β
。将其输入正交锁相环，经过环路滤波器和压控振荡器的调节作用，使正交锁相环输出的转子位置估计值的二倍与输入信号的相位间的相位差尽可能小，当正交锁相环稳定时，正交锁相环输出的转子位置估计值能够收敛至永磁同步电机实际的转子位置θr；其中正交锁相环的比例积分调节器模块输出转子估计转速估计转速经积分器处理后得到实时估计的永磁同步电机转子位置从而实现永磁同步电机转子位置及速度检测。
[0093]
本发明的一种装置设备，包括存储器和处理器，其中：
[0094]
存储器，用于存储能够在处理器上运行的计算机程序；
[0095]
处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行所述一种基于正交锁相环的永磁同步电机转子位置及速度检测方法的步骤。
[0096]
本发明的一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时实现所述一种基于正交锁相环的永磁同步电机转子位置及速度检测方法的步骤。