六相表贴式永磁容错轮缘推进电机零低速域转子位置检测方法与流程

1.本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种六相表贴式永磁容错轮缘推进电机零低速域转子位置检测方法。


背景技术：

2.对于六相表贴式永磁容错轮缘推进电机，获得初始位置角度是电机正常启动的前提。并且在电机正常运行时也需要实时的转子位置角度。传统的电机采用位置传感器的方法获得转子位置，但这种方法成本高、体积大且受周围环境噪声的影响很大，因此无位置传感器的研究十分有意义。目前永磁同步电机的零低速域无位置传感器控制方法比较成熟。但六相表贴式永磁容错轮缘推进电机在零低速情况下的位置检测方法还很少。基于滑膜观测器法的六相表贴式永磁容错轮缘推进电机的转子位置检测方法比较成熟，但是该方法只适用于中高速域，不适合于零低速域。


技术实现要素：

3.根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种六相表贴式永磁容错轮缘推进电机零低速域转子位置检测方法，具体包括如下步骤：
4.零速情况下转子位置检测过程：在六相永磁容错轮缘推进电机估计的d轴注入高频方波电压，检测α轴电流和β轴电流，通过理论分析获得α轴电流中含有转子位置信息的cosθ以及β轴电流中含有转子位置信息的sinθ，再通过三角函数计算得到误差角度sinδθ，最后通过pi调节器获得零速转子位置角度θ1；
5.低速情况下转子位置检测过程：在六相永磁容错轮缘推进电机估计的d轴注入高频正弦波电压，通过计算可以得到d轴和q轴电流中含有位置误差角度δθ，再经过低通滤波器lpf进行滤波调制，最后将滤波调制结果输入到转子位置观测器中获得低速转子位置角度θ2；
6.在六相永磁容错电机一相或几相绕组发生开路或短路故障时，低速情况下采用上述高频正弦波电压注入法得到电机故障情况下的转子位置角度θ'2。。
7.进一步的，当电机在零速情况下，在估计的d轴注入高频方波电压，通过计算得到真实d轴的电压中含有的位置误差信息：
[0008][0009]
经过坐标变换以及电压与电流之间的换算关系获得α轴和β轴的微分电流：
[0010][0011]
获得α轴电流中含有转子位置信息的cosθ以及β轴电流中含有转子位置信息的sinθ：
[0012][0013]
通过三角函数公式计算角度差，当角度误差近似为0时，sinδθ≈δθ，此时ε≈δθ，通过pi调节器获得转子初始位置角度；
[0014]
当电机在低速情况运转下，在估计的同步旋转坐标系的d轴注入高频电压信号：
[0015][0016]
经过坐标变换以及电压与电流之间的换算关系计算获得d轴和q轴的电流：
[0017][0018]
通过检测同步旋转坐标系q轴电流信号，将高频信号滤去，保留包含转子位置估计误差角在内的低频信号，经过滤波器滤波后得到转子位置观测器输入信号。
[0019]
进一步的，零速情况下，检测的α轴和β轴轴电流含有cosθ、sinθ的位置信息，由于cosθ、sinθ在四象限的正负不同，因此进行位置补偿，具体补偿方法为在90
°
到270
°
时，θ＝θ' π；在270
°
到360
°
时，θ＝θ' 2π其中，θ'检测的初始位置角度，θ为补偿后真实的转子初始位置角度；
[0020]
在低速情况下进行位置估计时，需要对d轴、q轴电流进行低通滤波，低通滤波器在滤除高频分量时使得转子位置相位滞后，对转子位置角度进行补偿，获得精准的转子位置：
[0021][0022]
其中ω
r
为转子电角度，ω
c
为低通滤波器的截止频率。
[0023]
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种六相表贴式永磁容错轮缘推进电机零低速域转子位置检测方法，该方法通过高频电压信号的注入，得到六相永磁容错轮缘推进电机零低速情况下的转子位置角度，补充了之前六相永磁容错电机只能在中高速情况下检测位置信息的不足。并且相较于其他永磁电机，本方法可以在开路、短路故障情况下进行转子位置检测。且误差很低，这使得六相永磁容错轮缘推进电机在无位置检测方面得到很大的进展，很大程度提高了电机在正常态以及故障态下的运行性能。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]
图1为本发明中六相永磁容错轮缘推进电机六相h桥逆变电路拓扑图
[0026]
图2为本发明中六相永磁容错电机在三种坐标系下的数学模型
[0027]
图3为本发明中六相永磁容错轮缘推进电机真实的两相旋转坐标系d、q和估计的两相旋转坐标系轴
[0028]
图4为本发明中六相永磁容错轮缘推进电机零速情况下转子位置检测框图
[0029]
图5为本发明中六相永磁容错轮缘推进电机真实转子初始位置与估计转子初始位置对比
[0030]
图6为本发明中为表贴式六相永磁容错电机的直轴磁路特性曲线
[0031]
图7为本发明中六相永磁容错轮缘推进电机低速情况下脉振电压信号注入法的控制框图
[0032]
图8为本发明中六相永磁容错轮缘推进电机估计的转子位置和实际的转子位置角度对比图
[0033]
图9为本发明中六相永磁容错轮缘推进电机检测的转子位置误差
[0034]
图10为本发明中六相永磁容错轮缘推进电机转速曲线
[0035]
图11为本发明中六相永磁容错轮缘推进电机估计的转速与真实的转速误差
具体实施方式
[0036]
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
[0037]
如图1所示的一种六相表贴式永磁容错轮缘推进电机零低速域转子位置检测方法，具体包括如下步骤：
[0038]
一、零速情况下转子位置检测
[0039]
如图1所示为六相永磁容错轮缘推进电机六相h桥逆变电路拓扑图，采用单独的h桥结构，实现了物理隔离、磁隔离、热隔离以及电气隔离，当一相绕组开路或者短路时，电机运行性能良好，且转子位置角度也十分精确。
[0040]
如图2所示为六相永磁容错电机在三种坐标系下的数学模型，电机在六相静止坐标系下的方程为：
[0041][0042]
将其转化到两相旋转坐标系下，其电压方程、磁链方程为：
[0043][0044][0045]
零速情况下进行转子位置检测过程如下：
[0046]
由于进行初始位置检测，电机不发生转动，而且注入信号频率较高，所以永磁容错电机电压模型如下公式：
[0047][0048]
如图3为真实的两相旋转坐标系d、q和估计的两相旋转坐标系轴，将高频方波电压注入到估计的轴中注入的高频信号如下公式：
[0049][0050]
把坐标系下的注入电压信号变换到d、q坐标系下，通过计算得到真实d轴的电压中含有的位置误差信息：
[0051][0052]
定子电流从α、β轴变换到d、q轴,得到d、q坐标系下含有转子位置误差信息的电流模型：
[0053][0054]
由六相永磁容错电机电压与电流关系计算得到α、β轴电流微分：
[0055][0056]
可以看出，α,β轴微分电流含有cosθ、sinθ的位置信息，当角度误差极小时，δθ约等于零，那么可以得到：
[0057]
[0058]
获得α轴电流中含有转子位置信息的cosθ以及β轴电流中含有转子位置信息的sinθ：
[0059][0060]
其中u为注入的高频方波幅值。
[0061]
通过三角函数公式计算角度差，当角误差极小时，sinδθ≈δθ，此时ε≈δθ，通过pi调节器即可得到转子初始位置角度。
[0062]
仿真实验验证：如图4为零速情况下的转自初始位置检测框图。注入高频电压频率为1khz，幅值为2v。如图5为六相永磁容错轮缘推进电机真实转子初始位置与估计转子初始位置对比。仿真结果可知最大误差为3.2度，符合电机启动要求。
[0063]
二、低速情况下的初始位置检测
[0064]
对于表贴式永磁容错轮缘推进电机交直轴电感相等，如图6为表贴式永磁容错电机的直轴磁路特性曲线，if为永磁体等效励磁电流，a点为d轴磁路的工作点。当d轴通入的正弦电流处于正半周时，磁通和d轴电流方向相同，则磁通朝图中c点的方向移动。由图中波形可知，最终磁路会出现饱和，此时d轴电感值会减小，并明显小于q轴电感值，则电机对外呈现磁饱和凸极效应，这就使得表电流激励下也能具有凸极性。因此，脉振高频电压注入法通过直接向d轴注入高频电压信号，是可以估计出电机转子位置的。
[0065]
同步旋转坐标系d、q下的电压方程为：
[0066][0067]
当电机处于低速时，式中交叉耦合项和反电势部分可忽略不计，电压方程可写成：
[0068][0069]
带入可得到：
[0070][0071]
其中，l1＝(l
d
l
q
)/2为共模电感，l2＝(l
d
‑
l
q
)/2为差模电感。
[0072]
设分别为在估计同步旋转坐标系上注入的高频电压以及相应的电流响应，所以估计同步旋转坐标系上电磁关系用转子位置估计误差δθ可写为：
[0073][0074]
矩阵求逆得：
[0075][0076]
在估计的同步旋转坐标系的轴注入高频电压信号：
[0077][0078]
带入得到含有转子位置误差信息的电流方程：
[0079][0080]
通过检测同步旋转坐标系轴电流信号，将高频信号滤去，保留包含转子位置估计误差角在内的低频信号，经过滤波器滤波后得到转子位置观测器输入信号，过程如下：先对轴高频电流信号的幅值进行调制，调制后的信号再通过低通滤波器(lpf)处理，这样就可以获得转子位置观测器输入信号：
[0081][0082][0083]
电机一相绕组发生故障时，各相电流不再对称，产生的旋转磁动势也不再是圆形，此时电机会出现较大的转矩脉动，甚至直接停转。永磁容错电机可以在一相绕组发生开路或者短路故障时，通过其它几相进行电流补偿，以达到产生旋转磁动势仍然近似圆形，减小故障状态下的转矩脉动的目的。
[0084]
当a相绕组开路时，为消除转矩脉动与转速波动，提出基于电流滞环的转矩解耦补偿方法，即通过正常相电流的调整对故障相的电磁转矩进行补偿，假设为补偿后的电流，则电流分配为：
[0085][0086]
当a相绕组短路时，i
s
为短路电流，则电流分配为：
[0087][0088]
本专利采用高频注入法检测低速情况下的转子位置，将高频正弦波信号注入d、q旋转坐标系中，采用电流滞环控制，d、q轴电压转换为d、q轴电流，经过坐标变换转换为六相旋转电流控制电机，再将六相电流转换为两相旋转电流进行检测。当绕组开路或者短路时，永磁容错电机采用容错策略，使得六相电流发生改变，然而在d、q轴电流经过clark反变换、park反变换以及clark变换、park变换后其值不会受到故障相的影响，即永磁容错电机在一相或者几相绕组短路或者开路的情况下依旧可以测出转子位置角度。
[0089]
图7为低速情况下脉振电压信号注入法的控制框图。
[0090]
仿真结果：给定转速为50r/min，在1秒时a相绕组断路，在两秒时a相绕组短路，图8为估计的转子位置和实际的转子位置角度对比图，图9为检测的转子位置误差，图10为电机转速曲线，图11为估计的转速与真实的转速误差，可以看出，通过脉振电压注入法得到的转子位置十分精确，误差极低。
[0091]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。