本發(fā)明涉及一種永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置觀測器，特別涉及一種隨機(jī)頻率高頻方波電壓注入的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置觀測器，屬于電機(jī)控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，交流電機(jī)在工業(yè)產(chǎn)品及家用電器中扮演重要的角色。與傳統(tǒng)的異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度，高功率密度的優(yōu)點，且得益于近些年來永磁材料制備技術(shù)的發(fā)展，使得其在現(xiàn)代工業(yè)中占有重要地位。目前，已出現(xiàn)各種永磁同步電機(jī)類型，用于驅(qū)動各種生產(chǎn)設(shè)備如傳送帶、機(jī)器手臂、起重機(jī)、造紙廠及廢水處理器等。伴隨著功率半導(dǎo)體器件、變頻器拓?fù)洹⑽⑻幚砥鞯陌l(fā)展和進(jìn)步，永磁同步電機(jī)在變速電機(jī)控制系統(tǒng)中起著日益重要的作用。

為了得到穩(wěn)定的控制性能，電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速是必不可少的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)方法是在轉(zhuǎn)子軸上安裝速度或位置傳感器，目前有光電碼盤、旋轉(zhuǎn)編碼器和測速發(fā)電機(jī)等機(jī)械速度位置傳感器。盡管這些機(jī)械傳感器具有高精度和高分辨率等優(yōu)點，然而它們的安裝會帶來體積增大、系統(tǒng)成本提高、復(fù)雜性增加及可靠性下降等諸多問題。因此在過于20年間，各種無位置傳感器控制方法被相繼提出。根據(jù)其適用范圍可以分為兩類：適用于中高速的反電動勢模型法及零低速的高頻信號注入法。前者通過構(gòu)造反電動勢觀測器，計算得到與轉(zhuǎn)自位置相關(guān)的反電動勢信號，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)自位置。然而，在低速甚至零速區(qū)域，該方法不能有效工作。另一類基于高頻信號注入，通過向電機(jī)定子注入高頻信號，追蹤轉(zhuǎn)子凸極，進(jìn)而得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。

高頻方波電壓信號注入法通過追蹤電機(jī)凸極，實現(xiàn)零低速的無位置傳感器控制方法，可以保證電機(jī)在低速域的控制性能。然而，該方法存在缺陷，即高頻電流產(chǎn)生的噪音問題，這一缺點使其在工業(yè)及家用領(lǐng)域應(yīng)用受限。傳統(tǒng)高頻信號注入法使用固定頻率的信號注入，使噪聲集中于某一頻率，產(chǎn)生尖銳刺耳的噪音。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有基于高頻信號注入法內(nèi)置式永磁同步電機(jī)無傳感器控制中，產(chǎn)生噪音的問題，本發(fā)明提供一種隨機(jī)頻率高頻方波電壓注入的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置觀測器。

本發(fā)明的一種隨機(jī)頻率高頻方波電壓注入的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置觀測器，所述觀測器包括隨機(jī)頻率信號發(fā)生器1、包絡(luò)提取裝置2和一個正交鎖相環(huán)3；

隨機(jī)頻率信號發(fā)生器1，用于產(chǎn)生隨機(jī)頻率注入信號v_inj和隨機(jī)頻率解調(diào)信號v_dem，所述隨機(jī)頻率注入信號v_inj和隨機(jī)頻率解調(diào)信號v_dem頻率相同且相位正交；隨機(jī)頻率注入信號v_inj輸入至永磁同步電機(jī)矢量控制器的估計d軸中；隨機(jī)頻率解調(diào)信號v_dem輸入至包絡(luò)提取裝置2；

永磁同步電機(jī)矢量控制器輸出的α軸高頻電流和β軸高頻電流分別輸入至包絡(luò)提取裝置2；

包絡(luò)提取裝置2，用于根據(jù)隨機(jī)頻率解調(diào)信號v_dem，提取α軸高頻電流i_αh和β軸高頻電流i_βh的包絡(luò)線，獲得α軸高頻電流包絡(luò)信號i_α,pu和β軸高頻電流包絡(luò)信號i_β,pu；

正交鎖相環(huán)3，用于根據(jù)α軸高頻電流包絡(luò)信號i_α,pu和β軸高頻電流包絡(luò)信號i_β,pu，估計出轉(zhuǎn)子的位置。

優(yōu)選的是，所述隨機(jī)頻率信號發(fā)生器1包括兩個固定頻率信號發(fā)生單元和一個隨機(jī)選擇單元；

第一固定頻率信號發(fā)生單元，用于產(chǎn)生一個注入方波信號v_inj1和一個解調(diào)方波信號v_dem1，所述注入方波信號v_inj1和解調(diào)方波信號v_dem1頻率相同且相位正交；

所述第二固定頻率信號發(fā)生單元，用于產(chǎn)生一個注入方波信號v_inj2和一個解調(diào)方波信號v_dem2，注入方波信號v_inj2和解調(diào)方波信號v_dem2頻率相同且相位正交；

兩個固定頻率信號發(fā)生單元產(chǎn)生的方波信號頻率不同；

所述隨機(jī)選擇單元在每一個信號周期對兩個固定頻率信號發(fā)生單元隨機(jī)選擇一次，選擇的固定頻率信號發(fā)生單元產(chǎn)生的注入方波信號和解調(diào)方波信號分別作為隨機(jī)頻率注入信號v_inj和隨機(jī)頻率解調(diào)信號v_dem輸出。

優(yōu)選的是，所述包絡(luò)提取裝置2包括一個雙周期滯后單元、第一乘法器、第二乘法器、第一一階低通濾波器、第二一階低通濾波器、第一除法單元、第二除法單元和一個計算單元；

隨機(jī)頻率解調(diào)信號v_dem輸入至雙周期滯后單元，雙周期滯后單元的輸出同時輸入至第一乘法器和第二乘法器；

所述第一乘法器將α軸高頻電流i_αh與雙周期滯后單元的輸出相乘后，輸入至第一一階低通濾波器進(jìn)行濾波；

所述第二乘法器將β軸高頻電流i_βh與雙周期滯后單元的輸出相乘后，輸入至第二一階低通濾波器進(jìn)行濾波；

所述第一一階低通濾波器將輸出的濾波信號分別輸入至第一除法器和計算單元；

所述第二一階低通濾波器將輸出的波信號分別輸入至第一除法器和計算單元；

所述計算單元將第一一階低通濾波器的輸出和第二一階低通濾波器的輸出分別作為輸入a和輸入b，計算單元的輸出分別輸入至第一除法器和第二除法器；

第一除法器將第一一階低通濾波器的輸出作為被除數(shù)，將計算單元的輸出作為除數(shù)，輸出α軸高頻電流包絡(luò)信號i_α,pu；

第二除法器將第二一階低通濾波器的輸出作為被除數(shù)，將計算單元的輸出作為除數(shù)，輸出β軸高頻電流包絡(luò)信號i_β,pu。

優(yōu)選的是，所述正交鎖相環(huán)3包括第三乘法器、第四乘法器、一個減法器、一個比例積分單元、一個積分單元、一個正弦函數(shù)計算單元和一個余弦函數(shù)計算單元；

第三乘法器將α軸高頻電流包絡(luò)信號i_α,pu與正弦函數(shù)計算單元的輸出相乘后，輸入至減法器的減數(shù)端；

第四乘法器將β軸高頻電流包絡(luò)信號i_β,pu與余弦函數(shù)計算單元的輸出相乘后，輸入至減法器的被減數(shù)端；

所述減法器輸出誤差信號ε，并將該誤差信號ε輸入至比例積分單元；

所述比例積分單元輸出估計轉(zhuǎn)速并將該估計轉(zhuǎn)速輸入至積分器；

所述積分器輸出估計位置并將該估計位置同時輸入至正弦函數(shù)計算單元和余弦函數(shù)計算單元，該估計位置為正交鎖相環(huán)估計出的轉(zhuǎn)子的位置。

上述技術(shù)特征可以各種適合的方式組合或由等效的技術(shù)特征來替代，只要能夠達(dá)到本發(fā)明的目的。

本發(fā)明的有益效果在于，首先通過隨機(jī)頻率信號發(fā)生器1產(chǎn)生相位正交的隨機(jī)頻率注入信號和隨機(jī)頻率解調(diào)信號。然后通過永磁同步電機(jī)矢量控制器中的逆變器將隨機(jī)頻率注入信號注入到估計d軸中。通過包絡(luò)提取裝置2提取兩相靜止坐標(biāo)系下的隨機(jī)高頻電流的包絡(luò)線，得到與位置相關(guān)的正余弦信號。最后通過正交鎖相環(huán)將對轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行估計。

本發(fā)明的隨機(jī)頻率高頻信號注入法通過隨機(jī)切換注入信號的頻率，使得噪聲的頻率分散，從而降低噪音。且簡單易行、可靠使用。拓寬了高頻信號注入法的實際應(yīng)用范圍，可以廣泛的應(yīng)用于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中，不需要額外硬件，降低噪音效果明顯。

附圖說明

圖1是具體實施方式中隨機(jī)頻率高頻方波電壓注入的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置觀測器的原理結(jié)構(gòu)示意圖；其中永磁同步電機(jī)矢量控制器為現(xiàn)有控制方案；

圖2是具體實施方式中所述的隨機(jī)頻率信號發(fā)生器的原理結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是具體實施方式中所述的包絡(luò)提取裝置的原理結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是具體實施方式中所述的正交鎖相環(huán)的原理結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是兩相靜止軸系、兩相同步旋轉(zhuǎn)軸系和三相靜止軸系的關(guān)系示意圖；其中dq表示兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，αβ表示兩相靜止坐標(biāo)系，ABC表示三相靜止坐標(biāo)系。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為本發(fā)明的限定。結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的一種隨機(jī)頻率高頻方波電壓注入的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置觀測器，本實施方式在現(xiàn)有永磁同步電機(jī)矢量控制器的基礎(chǔ)上，增加隨機(jī)頻率信號發(fā)生器1、包絡(luò)提取裝置2和一個正交鎖相環(huán)3；

如圖1所示，永磁同步電機(jī)矢量控制器包括減法器、PI比例積分控制器、加法器、(同步旋轉(zhuǎn)軸系到靜止軸系坐標(biāo)變換)、(靜止軸系到同步旋轉(zhuǎn)軸系坐標(biāo)變換)、空間矢量脈寬調(diào)制器SVPWM、低通濾波器LPF和高通濾波器HPF；

表示兩相同步旋轉(zhuǎn)軸系下的定子電流給定值；

表示兩相同步旋轉(zhuǎn)軸系下的定子電流反饋值；

表示兩相同步旋轉(zhuǎn)軸系下的高頻方波電壓信號；

v_α,β表示兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓；

i_α,β表示兩相靜止坐標(biāo)系下的電流；

隨機(jī)頻率信號發(fā)生器1，用于產(chǎn)生隨機(jī)頻率注入信號v_inj和隨機(jī)頻率解調(diào)信號v_dem，所述隨機(jī)頻率注入信號v_inj和隨機(jī)頻率解調(diào)信號v_dem頻率相同且相位正交；

隨機(jī)頻率注入信號v_inj輸入至永磁同步電機(jī)矢量控制器的估計d軸中；隨機(jī)頻率解調(diào)信號v_dem輸入至包絡(luò)提取裝置2；

本實施方式中，通過隨機(jī)頻率信號發(fā)生器1產(chǎn)生隨機(jī)頻率注入信號，通過永磁同步電機(jī)矢量控制器的逆變器向內(nèi)置式永磁同步電機(jī)IPMSM中注入隨機(jī)頻率高頻電壓信號；電機(jī)的電流中含有基波成分與隨機(jī)頻率成分。通過高通濾波器HPF對電機(jī)的隨機(jī)高頻電流進(jìn)行提取，獲得α軸高頻電流i_αh和β軸高頻電流i_βh。

如圖1所示，本實施方式的包絡(luò)提取裝置2設(shè)置了α軸高頻電流i_αh輸入端口、β軸高頻電流i_βh輸入端口和隨機(jī)頻率解調(diào)信號v_dem輸入端口、α軸高頻電流包絡(luò)信號i_α,pu輸出端口和β軸高頻電流包絡(luò)信號i_β,pu輸出端口；

包絡(luò)提取裝置2，用于根據(jù)隨機(jī)頻率解調(diào)信號v_dem，提取靜止兩相坐標(biāo)系下α軸高頻電流i_αh和β軸高頻電流i_βh的包絡(luò)線，獲得α軸高頻電流包絡(luò)信號i_α,pu和β軸高頻電流包絡(luò)信號i_β,pu；

如圖1所示，本實施方式的正交鎖相環(huán)3設(shè)置了α軸高頻電流包絡(luò)信號i_α,pu輸入端口、β軸高頻電流包絡(luò)信號i_β,pu輸入端口、估計轉(zhuǎn)速輸出端口和估計位置輸出端口；

正交鎖相環(huán)3，用于根據(jù)α軸高頻電流包絡(luò)信號i_α,pu和β軸高頻電流包絡(luò)信號i_β,pu，估計出轉(zhuǎn)子的位置。

本實施方式從α軸高頻電流包絡(luò)信號i_α,pu與β軸高頻電流包絡(luò)信號i_β,pu中提取轉(zhuǎn)子位置進(jìn)而估計出轉(zhuǎn)子的位置。

優(yōu)選實施例中，如圖2所示，本實施方式的隨機(jī)頻率信號發(fā)生器1包括兩個固定頻率信號發(fā)生單元和一個隨機(jī)選擇單元；

第一固定頻率信號發(fā)生單元，用于產(chǎn)生一個注入方波信號v_inj1和一個解調(diào)方波信號v_dem1，該注入方波信號v_inj1和解調(diào)方波信號v_dem1頻率相同且相位正交；

第二固定頻率信號發(fā)生單元，用于產(chǎn)生一個注入方波信號v_inj2和一個解調(diào)方波信號v_dem2，該注入方波信號v_inj2和解調(diào)方波信號v_dem2頻率相同且相位正交；

兩個固定頻率信號發(fā)生單元產(chǎn)生的方波信號頻率不同；

本實施方式的隨機(jī)選擇單元在每一個信號周期對兩個固定頻率信號發(fā)生單元隨機(jī)選擇一次，選擇的固定頻率信號發(fā)生單元產(chǎn)生的注入方波信號和解調(diào)方波信號分別作為隨機(jī)頻率注入信號v_inj和隨機(jī)頻率解調(diào)信號v_dem輸出。

本實施方式的隨機(jī)頻率信號發(fā)生器1在每一個信號周期隨機(jī)選擇一次隨機(jī)頻率注入信號v_inj和隨機(jī)頻率解調(diào)信號v_dem，隨機(jī)切換注入信號v_inj的頻率，使得電機(jī)的高頻電流產(chǎn)生的噪聲的頻率分散，從而降低噪音。

優(yōu)選實施例中，如圖3所示，本實施方式的包絡(luò)提取裝置2包括一個雙周期滯后單元2-1、第一乘法器2-2、第二乘法器2-3、第一一階低通濾波器2-4、第二一階低通濾波器2-5、第一除法單元2-6、第二除法單元2-7和一個計算單元2-8；

隨機(jī)頻率解調(diào)信號v_dem輸入至雙周期滯后單元2-1，雙周期滯后單元2-1的輸出同時輸入至第一乘法器2-2和第二乘法器2-3；

第一乘法器2-2將α軸高頻電流i_αh與雙周期滯后單元2-1的輸出相乘后，輸入至第一一階低通濾波器2-4進(jìn)行濾波；

第二乘法器2-3將β軸高頻電流i_βh與雙周期滯后單元2-1的輸出相乘后，輸入至第二一階低通濾波器2-5進(jìn)行濾波；

第一一階低通濾波器2-4將輸出的濾波信號分別輸入至第一除法器2-6和計算單元2-8；

第二一階低通濾波器2-5將輸出的波信號分別輸入至第一除法器2-7和計算單元2-8；

本實施方式的計算單元2-8將第一一階低通濾波器2-4的輸出和第二一階低通濾波器2-5的輸出分別作為輸入a和輸入b，計算單元2-8的輸出分別輸入至第一除法器2-6和第二除法器2-7；

第一除法器2-6將第一一階低通濾波器2-4的輸出作為被除數(shù)，將計算單元2-8的輸出作為除數(shù)，輸出α軸高頻電流包絡(luò)信號i_α,pu；

第二除法器2-7將第二一階低通濾波器2-5的輸出作為被除數(shù)，將計算單元2-8的輸出作為除數(shù)，輸出β軸高頻電流包絡(luò)信號i_β,pu。

本實施方式給出了包絡(luò)提取裝置2的具體結(jié)構(gòu)，該包絡(luò)提取裝置2首先通過雙周期滯后單元2-1、第一乘法器2-2、第二乘法器2-3和第一一階低通濾波器2-4、第二一階低通濾波器2-5初步得到包絡(luò)電流信號。為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)子位置精度，使用第一除法器2-6、第二除法器2-7和計算單元2-8計算得到精度較高的包絡(luò)信號i_α,pu和i_β,pu。不僅于此，該實施方式所包含的雙周期滯后單元2-1可以有效抑止數(shù)字系統(tǒng)延時影響?？傮w上，該裝置可以從α-β軸靜止坐標(biāo)系的隨機(jī)高頻電流信號中解調(diào)出正余弦包絡(luò)信號。使之為后面的正交鎖相環(huán)3裝置做初步處理。

優(yōu)選實施例中，如圖4所示，本實施方式正交鎖相環(huán)3包括第三乘法器3-1、第四乘法器3-2、一個減法器3-3、一個比例積分單元3-6、一個積分單元3-7、一個正弦函數(shù)計算單元3-4和一個余弦函數(shù)計算單元3-5；

第三乘法器3-1將α軸高頻電流包絡(luò)信號i_α,pu與正弦函數(shù)計算單元3-4的輸出相乘后，輸入至減法器3-3的減數(shù)端；

第四乘法器3-2將β軸高頻電流包絡(luò)信號i_β,pu與余弦函數(shù)計算單元3-5的輸出相乘后，輸入至減法器3-3的被減數(shù)端；

減法器3-3輸出誤差信號ε，并將該誤差信號ε輸入至比例積分單元3-6；

比例積分單元3-6輸出估計轉(zhuǎn)速并將該估計轉(zhuǎn)速輸入至積分器3-7；

積分器3-7輸出估計位置并將該估計位置同時輸入至正弦函數(shù)計算單元3-4和余弦函數(shù)計算單元3-5，該估計位置和估計轉(zhuǎn)速表示正交鎖相環(huán)3估計出的轉(zhuǎn)子的位置。

本實施方式給出了正交鎖相環(huán)3的具體結(jié)構(gòu)，該正交鎖相環(huán)3的輸入信號為α軸高頻電流包絡(luò)信號和β軸高頻電流包絡(luò)信號，輸出信號為估計位置和估計轉(zhuǎn)速首先通過乘第三乘法器3-1、第四乘法器3-2、減法器3-3，正弦函數(shù)計算單元3-4和余弦函數(shù)計算單元3-5提取出轉(zhuǎn)子位置誤差信號ε。使用比例積分單元3-6和積分單元3-7將轉(zhuǎn)子位置誤差信號ε調(diào)整至0，則估計位置將收斂到實際轉(zhuǎn)子位置，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置的估計。正交鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)簡單，且魯棒性強(qiáng)，可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置的估計。

雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是，這些實施例僅僅是本發(fā)明的原理和應(yīng)用的示例。因此應(yīng)該理解的是，可以對示例性的實施例進(jìn)行許多修改，并且可以設(shè)計出其他的布置，只要不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)該理解的是，可以通過不同于原始權(quán)利要求所描述的方式來結(jié)合不同的從屬權(quán)利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結(jié)合單獨實施例所描述的特征可以使用在其他所述實施例中。