一种风机用永磁同步电机无传感器转子位置检测方法

摘要

本发明提供一种风机用永磁同步电机无传感器转子位置检测方法，包括下列步骤：应用传感器检测到电机的三相电流后，利用Clarke变换和Park变换将三相电流变换为两相交直轴电流，然后从直轴电流PI控制器产生包含转子位置误差信息的直轴电压送到锁相环转子位置跟踪比例积分估算器，根据逆变器开关工作频率选择估算器中PI控制增益参数，通过控制直轴电流使其为零，估算出转子位置和转速。本发明提供的方法，只需永磁磁链，无需其它电机参数，算法十分简单，在20％额定转速以上都能准确地检测到转子位置和转速，适用于功率等级宽泛的暖通、工业净化风机用永磁同步电机。

说明书

技术领域

本发明涉及永磁同步电机，尤其涉及一种空调、厂房净化、建筑暖通工程、 通信基站、轨道车辆等领域风机配套的永磁同步电机无传感器转子位置检测方法。

背景技术

近年来，随着电力电子技术、变频控制与实现复杂算法高性能、低成本微处 理器的快速发展，矢量控制永磁同步电机(PMSM)，在宽速度、宽负载范围内 具有高效率、低噪音和精准速度控制等特点，成为空调、厂房净化、建筑暖通工 程、通信基站、轨道车辆等领域风机配套的优选电机。基于矢量控制的永磁同步 电机，必须实时检测电机的转子位置和速度。常用转子位置检测采用机械传感器 (编码器、解算器和测速发电机)，但机械传感器有安装、电缆连接、故障等问题， 不仅增加了系统的体积和转子的转动惯量，而且降低了系统可靠性。为了解决机 械传感器存在的各种缺陷，无传感器转子位置检测成为了研究的重点。

目前，无传感器检测转子位置方法主要有利用电机凸极效应的高频信号注入 法和利用电机反电动势或者磁链的估算法。高频信号注入法对电机结构有特殊要 求，需要电机转子具有凸极性，对风机用隐极式永磁同步电机不适用。估算法主 要有反电动势法、模型参考自适应法、滑模观测器法、扩展卡尔曼滤波法等。反 电动势法利用电机基波电压和电流信号计算转子位置和速度，方法简单，应用广 泛，但对电机参数的变化很敏感，适应性较差。滑模观测器法有较好的鲁棒性， 但低速时抖振现象比较严重。扩展卡尔曼滤波法需要进行复杂的矩阵求逆运算， 对CPU有较高的计算要求，实时性较差。模型参考自适应法只能在某一速度区 域调整为最佳，当转速低于该速度域时易引起检测的转子位置振荡，而高于该速 度域时易导致检测的转子位置有较大的延迟。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种风机用永磁同步电机无传感器转子位 置检测方法，提出的方法只需永磁磁链，无需其它电机参数，算法十分简单，在 20％额定转速以上都能准确地检测到转子位置和转速，适用于功率等级宽泛的暖 通、工业净化等领域风机用永磁同步电机。

为达到上述目的，本发明的构思是：通过将直轴电流调节器输出的包含转子 位置误差信息直轴电压输入到锁相环转子位置跟踪比例积分估算器，控制直轴电 流为零，估算出转子位置和转速。

下面说明本发明所涉及的无传感器转子位置和速度检测原理。

由于无位置传感器转子位置检测不像机械传感器可以直接测量，而是基于估 算，因此在实际转子位置θ和估算位置θe之间必然存在误差Δθ。设实际转子 位置两相静止坐标系为α-β，旋转坐标系为d-q坐标系，而基于估算转子位置 的旋转坐标系为r-δ坐标系，如图1所示。

根据PMSM特性，基于α-β坐标系的PMSM定子电压方程为：

定义变换矩阵

$T\left({\theta }_e\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left({\theta }_e\right)& \sin \left({\theta }_e\right)\\ -\sin \left({\theta }_e\right)& \cos \left({\theta }_e\right)\end{array}\right)---\left(2\right)$

则r-δ坐标系下的定子电压、电流可以表示为

$\left(\begin{array}{c}{V}_{\gamma }\\ V_{\delta }\end{array}\right)=T\left({\theta }_e\right)\left(\begin{array}{c}{V}_{\alpha }\\ V_{\beta }\end{array}\right)---\left(3\right)$

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\gamma }\\ i_{\delta }\end{array}\right)=T\left({\theta }_e\right)\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right)---\left(4\right)$

将式(1)、(2)、(4)代入式(3)可以得到r-δ坐标系下的PMSM电压方 程：

式中Vα、Vβ、Vr、Vδ分别为定子绕组α-β轴与r-δ轴电压分量；iα、 iβ、ir、iδ分别为定子绕组α-β轴与r-δ轴电流分量；Rs、Ls分别为定子电阻 和电感；为转子永磁磁极产生的磁链；ω为转子电气角速度。

图2为无位置传感器矢量控制PMSM方框图，图中前向耦合电压为：

将测量的电流经CLARK和PARK变换后代入式(5)可得估算旋转坐标系 下的交直轴电压。

将式(7)减去式(6)得到交直轴电压的误差为：

式中ωe为估算的转子角速度。

由图2可知，直轴电压误差ΔVd为直轴电流PI调节器的输出，稳态时，id＝id*， iq＝iq*，由式(8)可得：

变换式(9)可得转子位置误差Δθ为：

若可以得到实际转子位置θ，则可利用图3的锁相环结构，获得估算转速ω e及估算转子位置θe。

由图3可得锁相环转子转速与位置估算的传递函数为：

${\theta }_e\left(S\right)=\frac{K_p·S+K_i}{S^{2+K_p}·S+K_i}---\left(11\right)$

若锁相环转子转速与位置估算的频宽为ωv，为了保证快速无振荡估算转子 位置，取阻尼比ξ为1，则特征参数为：

${\omega }_v=\sqrt{K_i}---\left(12\right)$

$\xi =\frac{K_p}{2·{\omega }_v}=1---\left(13\right)$

根据式(12)、(13)可获得锁相环转子位置估算比例增益kp和积分增益ki 分别为：

K_p＝2·ω_v(14)

$K_i={\omega }_v^2---\left(15\right)$

通常速度环的频宽取PWM调制频率的1/10，即50～200Hz。考虑到系统逆 变器的非线性以及电流测量误差等因素，锁相环转子位置估算的频宽一般为速度 环的频宽2～6倍。

事实上，实际转子位置θ是未知的，但可以应用式(10)获取转子位置误差 信息，即从d轴PI电流调节器输出电压中提取，具体转子转速与位置估算的框 图如图2的速度与位置估算器部分。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

(1)应用传感器检测电机的三相电流ia、ib、ic；

(2)利用Clarke变换和Park变换将三相电流ia、ib、ic变换为两相交直轴 电流id、iq；

(3)控制直轴电流id为零，从直轴电流PI控制器产生包含转子位置误差 信息的直轴电压；

(4)将直轴电流PI控制器产生的直轴电压乘以后送到转子位置跟踪比例 积分估算器得到估算转速ωe，选择估算器的比例增益kp为2·ω_v，积分增益ki 为ω_v为转子位置跟踪比例积分估算器的频宽，选择为逆变器PWM频率的 1/5～3/5；

(5)将转子位置跟踪比例积分估算器估算的转速ωe进行积分得到估算转 子位置θe。

本发明与现有技术相比较，具有下列优点：

(1)只需电机永磁磁链，无需其它电机参数，对电机参数不敏感；

(2)不依赖电机模型，算法简单，无需高要求的CPU，降低了生产成本；

(3)估算器的参数设置非常简单，适用于不同功率等级的风机配套用永磁 同步电机大规模生产。

附图说明

图1是本发明的不同参考坐标系关系图；

图2是本发明的无传感器矢量控制PMSM方框图；

图3是本发明的锁相环转子转速与位置估算方框图。

具体实施方式

下面结合附图2和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的风机用永磁同步电机无传感器转子位置检测方法，通过将直轴电流 调节器输出的包含转子位置误差信息直轴电压输入到锁相环转子位置跟踪比例 积分估算器，控制直轴电流为零，估算出转子位置和转速。

参见图2，所述方法包括以下步骤：

(1)应用传感器检测电机的三相电流ia、ib、ic；

(2)利用Clarke变换和Park变换将三相电流ia、ib、ic变换为两相交直轴 电流id、iq；

(3)控制直轴电流id为零，从直轴电流PI控制器产生包含转子位置误差 信息的直轴电压；

(4)将直轴电流PI控制器产生的直轴电压乘以后送到转子位置跟踪比例 积分估算器得到估算转速ωe，选择估算器的比例增益kp为2·ω_v，积分增益ki 为ω_v为转子位置跟踪比例积分估算器的频宽，选择为逆变器PWM频率的 1/5～3/5；

(5)将转子位置跟踪比例积分估算器估算的转速ωe进行积分得到估算转 子位置θe。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技 术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型， 因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。