CN103117702A - 一种高精度永磁同步电机的无速度传感器估计方法 - Google Patents

一种高精度永磁同步电机的无速度传感器估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电气传动与控制技术领域，具体是一种永磁同步电机的无速度传感器估计方法，估计过程在转速为相角为的估计旋转参考系中完成，首先通过对转子转速计算值进行低通滤波，获得转子转速估计值，消除转速上的代数环，与此同时通过来完成转子角度初值的估计，再结合，将转子角度初值的估计叠加到角度积分值上完成角度的估计，最后采用和更新估计旋转参考系的转速和相角，以减小高通滤波环节带来的影响从而提高估计精度。本发明的优点在于在旋转参考系中进行，相比静止坐标系下的估计方法，高通滤波环节造成的影响更小，从而估计精度更高。

Description

一种高精度永磁同步电机的无速度传感器估计方法
技术领域
本发明涉及电气传动与控制技术领域，具体将是一种永磁同步电机的无速度传感器估计方法。 
背景技术
永磁同步电机无需励磁机构，结构简单、能量密度高、性能可靠，近年来在风力发电、电动汽车、船舶驱动等领域得到了广泛的应用。目前永磁同步电机的控制通常采用无速度传感器控制方式。无速度传感器的控制系统省去了传统的速度传感器，从而具有更高的系统可靠性，以及更低的成本，同时还具有系统体积小、重量轻，了电机与控制器的连线简单的优点。无速度传感器的控制系统由于不安装速度传感器，因此需要检测电机的定子电流、电压，以便估计永磁同步电机的转子角度、转速。该角度和转速估计方法的精度直接决定了整个闭环控制系统的性能。 
而目前基于无速度传感器的永磁同步电机的转子角度、转速估计方法主要有基于扩展卡尔曼滤波的方法和基于电机反电动势的估计方法两类。 
其中基于扩展卡尔曼滤波方法的代表性专利和文献有： 
专利号申请号为201010508205.2，申请日2010-10-15，名称为“永磁同步电机的无传感器控制系统”的发明专利，其技术方案为：一种永磁同步电机的无传感器控制系统，包括磁链/电流状态观测器和反电动势测量模块，所述磁链/电流状态观测器为滑模观测器，所述滑模观测器采用滑模变结构控制，所述滑模观测器的坐标系为估计旋转坐标系，坐标系以的角速度旋转，并滞后坐标系的电角度；在所述控制参数计算模块中，计算转子位置误差。
再如文献：S. Bolognani, R. Oboe, and M. Zigliotto, “Sensorless full-digital PMSM drive with EKF estimation of speed and rotor position,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 46, no. 1, pp. 184–191, Feb. 1999. 
这类估计方法原理较为复杂，计算量较大，在实际工程应用中实现具有一定困难。
相比来说，基于电机反电动势的估计方法物理概念更为清晰，具有代表性的专利和文献有： 
专利号为200580004124.6，申请日为2005-1-14，名称为“用于永磁同步电机的无位置传感驱动器”的发明专利，其技术方案主要为：一种用于永磁同步电机的无位置传感驱动器，包括：驱动电路，可用于驱动永磁同步电机；以及控制模块，其接收来自所述永磁同步电机的电压和电流信息，确定所述永磁电机的转子位置，并在电机速度为零速、低速和高速时，根据所述转子位置产生控制所述驱动电路的控制信号。
专利号为200410078141.1，申请日为2004-9-17，名称为“无速度传感器永磁同步电机-空调压缩机系统的控制方法”的发明专利，其技术方案主要为：把无速度传感器矢量控制用于永磁同步电机-空调压缩机系统，克服了较大的转速脉动的缺点。同时，用转矩指令电流复合控制的方法更进一步减小了电机转速的脉动。它有效的克服了传统的矢量控制系统在PI调节器参数整定过程中出现的系统稳定性和响应速的的矛盾，提高了变频空调中永磁同步电机的控制性能。 
专利号为201110113834.X，申请日为2011-5-4，名称为“一种直驱永磁同步风电机组无速度传感器控制方法”的发明专利，其技术方案为：控制方法通过公式 
Figure 926256DEST_PATH_IMAGE001
求出转子位置角，通过公式
Figure 987753DEST_PATH_IMAGE002
转子电角速度。 
胡书举, 许洪华，《直驱风电系统PMSG有无速度传感器控制的比较》，高电压技术. 35（12）. pp. 3129-3136. 2009。 
上述技术使用的基于电机反电动势的估计方法一般采用直接计算或者观测器方法对反电势进行估计，然后基于反电势估计值，采用锁相环对转子磁链进行定向来获取转子角度和转速。由于引入了锁相环，因此这类估计方法动态特性将会降低。当角度、转速估计模块和永磁同步电机的前向控制通道形成闭环后，位于反馈通道上的角度、转速估计模块的慢动态特性会使得整个系统的动态性能下降，甚至导致系统的不稳定。 
专利号201110441493.9，申请日为2011-12-26，名称为“一种基于无速度传感器的永磁同步电机的转子角度、转速估计方法” 的发明专利，能够在一定程度上解决上述问题，其技术方案主要为：基于静止坐标系对永磁同步电机转子进行角度、转速估计，从而避免传统估计方案中基于锁相环的转子磁链定向过程，进而提高估计方法的动态性能。但该方法由于包含静止坐标系下的高通滤波环节，在定子电压为脉宽调试波时估计精度不够高。 
发明内容
为了克服现有的基于无速度传感器的永磁同步电机的转子角度、转速估计方法存在的原理复杂以及慢动态特性的问题，同时提高无速度传感器的永磁同步电机的转子角度、转速估计精度，现在特别提出一种具有较高动态性和较高精度的方法。 
为实现上述目的，本发明的技术方案如下： 
一种高精度永磁同步电机的无速度传感器估计方法，其特征在于，估计过程在转速为相角为的估计旋转参考系中完成，首先通过对转子转速计算值
Figure 704332DEST_PATH_IMAGE006
进行低通滤波，获得转子转速估计值
Figure 894005DEST_PATH_IMAGE007
，消除转速上的代数环，与此同时通过
Figure 731511DEST_PATH_IMAGE008
来完成转子角度初值的估计，再结合
Figure 536973DEST_PATH_IMAGE010
，将转子角度初值的估计叠加到角度积分值上完成角度的估计，最后采用
Figure 897547DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 222349DEST_PATH_IMAGE012
更新估计旋转参考系的转速和相角，以减小高通滤波环节带来的影响从而提高估计精度。
具体步骤为： 
a、获取永磁同步电机的转子磁链幅值
Figure 592150DEST_PATH_IMAGE013
；
所述转子磁链幅值
Figure 420429DEST_PATH_IMAGE014
，其中，为发电机空载额定线电压，
Figure 764003DEST_PATH_IMAGE016
为发电机额定频率；
b、设定初始估计旋转参考系的转速
Figure 875178DEST_PATH_IMAGE017
，相角
Figure 885860DEST_PATH_IMAGE018
；
c、将测得的永磁同步电机的定子AB、BC线电压基波分量
Figure 791499DEST_PATH_IMAGE019
和
Figure 887631DEST_PATH_IMAGE020
变换到估计旋转参考系的
Figure 533988DEST_PATH_IMAGE021
坐标系下，获得
Figure 399176DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 538033DEST_PATH_IMAGE023
：
                                   
Figure 59145DEST_PATH_IMAGE024
                         （1）
所述AB、BC线电压基波分量
Figure 308860DEST_PATH_IMAGE019
和值是通过安装在永磁同步电机定子侧的电压传感器测得的。
d、将测得的定子ABC三相电流基波分量
Figure 541576DEST_PATH_IMAGE025
变换到上述
Figure 612300DEST_PATH_IMAGE021
坐标系下，获得
Figure 603390DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 443170DEST_PATH_IMAGE027
： 
                           
Figure 923829DEST_PATH_IMAGE028
                 （2）
所述ABC三相电流基波分量
Figure 153954DEST_PATH_IMAGE025
值是通过安装在永磁同步电机定子侧的电流传感器测得的。
e、对
Figure 11051DEST_PATH_IMAGE021
坐标系下的定子电流
Figure 643021DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 294582DEST_PATH_IMAGE027
进行高通滤波，获得定子电流的微分的估计值
Figure 339898DEST_PATH_IMAGE029
和： 
                                                            
Figure 221584DEST_PATH_IMAGE031
                                                  （3）
                                                                                                              （4）
其中，表示高通滤波环节；
f、根据
Figure 713242DEST_PATH_IMAGE021
坐标系下的定子电压、电流以及定子电流的微分的估计值
Figure 64567DEST_PATH_IMAGE036
，获得定子反电动势估计值
Figure 739262DEST_PATH_IMAGE037
：
                                             
Figure 262648DEST_PATH_IMAGE038
                                   （5）
                                          
Figure 692492DEST_PATH_IMAGE039
                                 （6）
其中，为定子相电阻，
Figure 146924DEST_PATH_IMAGE041
分别为定子直轴和交轴电感；
g、根据坐标系下的定子反电动势估计值以及转子磁链幅值
Figure 792166DEST_PATH_IMAGE013
，获得转子转速计算值
Figure 808664DEST_PATH_IMAGE006
和角度计算值
Figure 306641DEST_PATH_IMAGE042
：
                                                       
Figure 812709DEST_PATH_IMAGE043
                                             （7）
                                                       
Figure 966610DEST_PATH_IMAGE044
                                             （8）
h、对转子转速计算值
Figure 849115DEST_PATH_IMAGE006
进行低通滤波，获得转子转速估计值
Figure 201599DEST_PATH_IMAGE007
：
                                                          
Figure 81830DEST_PATH_IMAGE005
                                                （9）
其中，表示低通滤波环节；
i、根据转子角度计算值、转速计算值
Figure 350635DEST_PATH_IMAGE006
以及估计旋转参考系转速
Figure 198505DEST_PATH_IMAGE003
，获得转子角度初值的估计值
Figure 58489DEST_PATH_IMAGE046
：
                                                        （10）
其中，
Figure 547556DEST_PATH_IMAGE048
表示低通滤波环节，t代表当前时刻；
j、根据转子转速计算值和转子角度初值的估计值
Figure 244434DEST_PATH_IMAGE046
，获得转子角度的估计值
Figure 944536DEST_PATH_IMAGE049
：
                                                       
Figure 126119DEST_PATH_IMAGE010
                                           （11）
所述t表示当前时刻。
k、根据估计转速，用下式更新估计旋转参考系转速： 
                                                               
Figure 581371DEST_PATH_IMAGE011
                                                   （12）
l、根据估计旋转参考系转速，用下式更新该参考系相角： 
                                                           
Figure 418877DEST_PATH_IMAGE012
                                                （13）
所述t表示当前时刻。
m、返回步骤c，进行循环。 
所述e步骤中的高通滤波
Figure 984988DEST_PATH_IMAGE033
采用高通滤波器。 
所述h步骤中的、i步骤中的
Figure 584913DEST_PATH_IMAGE048
均采用低通滤波器。 
本发明的优点在于： 
1、上述无速度传感器估计方法由于是在旋转参考系中进行，相比静止坐标系下的估计方法，高通滤波环节造成的影响更小，从而估计精度更高。这是因为无速度传感器估计方法是在旋转参考系中进行，所以在估计过程中，定子电流dq轴分量的频率会逐渐降低，并最终变为直流量。这意味着高通滤波环节的输出会不断减小并在在稳态时降为零，也即它造成的估计误差被消除。所以相比静止坐标系下的估计方法，上述方法使得高通滤波环节造成的影响更小，从而估计精度更高。
2、上述方法的动态特性并不依赖于估计旋转参考系的转速，因此除了滤波延迟外几乎不存在动态调节过程，具有更好的动态性能。 
3、上述估计算法额外引入了转速信息
Figure 972032DEST_PATH_IMAGE006
。由（9）-（11）可知，这使得转速估计和角度估计彼此几乎独立，转速估计的误差不会积累导致角度估计出现误差。 
4、上述角度、转速估计方法中，高通滤波环节
Figure 13938DEST_PATH_IMAGE033
的设计较为固定，因此仅有两个低通滤波环节
Figure 170113DEST_PATH_IMAGE045
和
Figure 967167DEST_PATH_IMAGE048
的带宽需要调节，且二者相互独立，调试简单，易于工程实践。 
附图说明
图1是现有的基于无速度传感器的永磁同步电机的典型系统框图。 
图2是本发明提出的永磁同步电机的转子角度、转速估计方法的功能框图。 
图3是本发明提出的永磁同步电机的转子角度、转速估计方法的程序流程图。 
图4是采用本发明设计的转子角度、转速估计方法时转速估计值与真实值的对比图。 
图5是采用本发明设计的转子角度、转速估计方法与角度估计值与真实值的对比图。 
具体实施方式
实施例1 
图1是现有的基于无速度传感器的永磁同步电机的典型系统框图。其中被控对象为永磁同步电机，执行机构为变流器。整流单元对电网电压进行整流并维持变流器的直流母线电压恒定，从而保证变流器的正常工作。控制系统主要包括三部分，前向通道控制器、脉宽调制单元和转子角度、转速估计单元。前向通道控制器接收给定的转速/转矩指令以及无功/功率因素指令，根据定子电流反馈以及估计得到的转子角度、转速反馈，控制定子电压在
Figure 513686DEST_PATH_IMAGE050
坐标系下的分量
Figure 687179DEST_PATH_IMAGE051
。脉宽调制单元对
Figure 697860DEST_PATH_IMAGE051
进行调制生成变流器所需的开关信号
Figure 603499DEST_PATH_IMAGE052
，进而驱动永磁同步电机。转子角度、转速估计单元位于反馈通道上，从定子线电压和定子线电流信息中提取转子的角度和转速信息，并反馈给前向通道控制器。本发明所提出的方法用于实现转子角度、转速估计单元。
图2是本发明提出的永磁同步电机的转子角度、转速估计方法的功能框图。首先通过公式（1）和公式（2）将定子电压和电流基波分量分别变换到坐标系下，得到
Figure 103847DEST_PATH_IMAGE034
与
Figure 234614DEST_PATH_IMAGE035
。然后，采用公式（3）（4）对定子电流进行高通滤波即可估计出定子电流的微分
Figure 373471DEST_PATH_IMAGE036
。根据永磁同步电机在坐标系上的模型不难得知，通过公式（5）（6）即可得到
Figure 144298DEST_PATH_IMAGE021
坐标系下的定子反电动势估计值。又由于
Figure 377013DEST_PATH_IMAGE054
且
Figure 447738DEST_PATH_IMAGE055
，因此根据
Figure 501144DEST_PATH_IMAGE037
可以采用公式（7）（8）获得转子转速计算值和角度计算值
Figure 759267DEST_PATH_IMAGE042
。 
然而计算值
Figure 989391DEST_PATH_IMAGE006
与并不能直接作为转速和角度的估计值。尽管在开环估计时
Figure 540775DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 130020DEST_PATH_IMAGE042
是对真实转速
Figure 175336DEST_PATH_IMAGE056
和角度
Figure 508229DEST_PATH_IMAGE057
的良好近似，但当估计单元和前向通道控制器形成闭环后，前向通道控制器就会直接使用
Figure 57022DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 82746DEST_PATH_IMAGE042
来完成定子电流控制，而
Figure 349780DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 217854DEST_PATH_IMAGE042
又取决于当前定子电流值，系统就会形成潜在的局部闭环（即代数环），很容易失去稳定。如果对
Figure 886733DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 145676DEST_PATH_IMAGE042
进行低通滤波试图消除代数环，由于
Figure 572109DEST_PATH_IMAGE042
具有很快的动态，滤波过程引入的延迟也极易导致闭环系统不稳定。传统的估计方法通过引入锁相环来解决这一问题，但锁相环自身由于存在动态收敛过程，会导致角度、转速估计单元动态性能的下降。 
为克服此问题，本发明提出一种新的基于公式（9）-（11）的估计方法。该方法一方面通过公式（9）对转子转速计算值
Figure 574700DEST_PATH_IMAGE006
进行低通滤波，获得转子转速估计值
Figure 98085DEST_PATH_IMAGE007
，消除转速上的代数环。另一方面通过公式（10）来完成转子角度初值
Figure 200034DEST_PATH_IMAGE009
的估计，再结合（11），将转子角度初值的估计叠加到角度积分值上最终完成角度的估计。不难发现，该方法中，由于转子角度初值是一个常数，因此公式（10）中的低通滤波既消除了角度估计上的代数环，又保证了角度估计的快速性。 
由于公式 （3）（4）使用了高通滤波环节，在定子电压为脉宽调制波时会引入噪声，降低转速和角度的估计精度。为了减小其影响，本发明采用公式（12）（13）更新旋转坐标系的转速与相角，使得旋转坐标系与转子转速同步，进而减小高通滤波环节的影响，提高估计结果的精度。 
图3是本发明提出的永磁同步电机的转子角度、转速估计方法的程序流程图。包括以下步骤： 
a、获取永磁同步电机的转子磁链幅值
Figure 441659DEST_PATH_IMAGE013
。通常该参数由永磁同步电机的制造商提供。如果无法从制造商处获取，则可通过发电机额定参数按如下公式计算得到：
Figure 920045DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 297937DEST_PATH_IMAGE015
为发电机空载额定线电压（单位V），
Figure 836365DEST_PATH_IMAGE016
为发电机额定频率（单位Hz）。该步骤在离线状态下完成。
判断是否开始进行转子角度、转速的估计。如果是，则进入下一步；如果否，则继续整个估计程序等待。 
b、设定初始估计旋转参考系的转速
Figure 299708DEST_PATH_IMAGE017
，相角； 
c、将永磁同步电机的定子线电压基波分量变换到
Figure 79762DEST_PATH_IMAGE021
坐标系下，获得
Figure 523513DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 739730DEST_PATH_IMAGE023
。由于定子线电压，因此任取两个线电压均可完成变换。采用定子AB，BC相线电压进行的
Figure 589372DEST_PATH_IMAGE021
变换如下：
Figure 962060DEST_PATH_IMAGE024
d、将定子ABC三相电流基波分量
Figure 648256DEST_PATH_IMAGE025
通过
Figure 792930DEST_PATH_IMAGE021
变换变换到
Figure 906379DEST_PATH_IMAGE021
坐标系下，获得
Figure 831610DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 993601DEST_PATH_IMAGE027
。具体采用的变换形式为：
Figure 320677DEST_PATH_IMAGE028
e、对
Figure 605028DEST_PATH_IMAGE021
坐标系下的定子电流
Figure 689658DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 717657DEST_PATH_IMAGE027
进行高通滤波，获得定子电流的微分的估计值
Figure 899240DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 292175DEST_PATH_IMAGE030
：
Figure 191998DEST_PATH_IMAGE031
Figure 695792DEST_PATH_IMAGE032
其中，表示高通滤波环节。高通滤波环节是一种常见的信号处理环节，它有各种具体的实施方式，现有采用高通滤波器来获得该步骤中定子电流的微分的估计值的实施方法都应被包含到专利权利中。一种简单实施方式是采用一阶高通滤波器，且其时间常数可以选择为定子电压脉宽调制周期，即它的传递函数可以表示为：
Figure 731881DEST_PATH_IMAGE059
其中
Figure 295717DEST_PATH_IMAGE060
为定子电压脉宽调制周期。
f、根据坐标系下的定子电压
Figure 787059DEST_PATH_IMAGE034
、电流
Figure 880917DEST_PATH_IMAGE035
以及定子电流的微分的估计值
Figure 677971DEST_PATH_IMAGE036
，按如下公式计算定子反电动势估计值
Figure 286807DEST_PATH_IMAGE037
： 
Figure 129474DEST_PATH_IMAGE038
Figure 140155DEST_PATH_IMAGE039
其中，
Figure 108111DEST_PATH_IMAGE040
为定子相电阻，
Figure 141926DEST_PATH_IMAGE041
分别为定子直轴和交轴电感。
g、根据
Figure 853530DEST_PATH_IMAGE021
坐标系下的定子反电动势估计值
Figure 921980DEST_PATH_IMAGE037
以及转子磁链幅值
Figure 60838DEST_PATH_IMAGE013
按如下公式计算转子转速计算值
Figure 378686DEST_PATH_IMAGE006
和角度计算值
Figure 831665DEST_PATH_IMAGE042
： 
Figure 816938DEST_PATH_IMAGE043
Figure 126697DEST_PATH_IMAGE044
h、对转子转速计算值
Figure 869525DEST_PATH_IMAGE006
进行低通滤波，获得转子转速估计值
Figure 922931DEST_PATH_IMAGE007
：
Figure 762711DEST_PATH_IMAGE005
其中，表示低通滤波环节，一种简单实现方式是采用一阶低通滤波器。
i、根据转子角度计算值
Figure 739075DEST_PATH_IMAGE042
和转速计算值
Figure 330593DEST_PATH_IMAGE006
和按如下公式计算转子角度初值的估计值
Figure 228142DEST_PATH_IMAGE046
： 
Figure 879703DEST_PATH_IMAGE047
其中，
Figure 597123DEST_PATH_IMAGE048
表示低通滤波环节，一种简单实现方式是采用一阶低通滤波器。
低通滤波器是一种常见的信号处理环节，现有采用低通滤波器来实现步骤g、h的实施方法都应被包含到专利权利中。而通过调整带宽就能够改变低通滤波器的滤波性能，例如增大带宽能够加快滤波器的响应速度，但同时会降低它对高频信号的滤除作用。该带宽参数随具体应用需求的不同而不同，因此需要根据实际情况（例如具体应用场合中对转子角度、转速估计方法动态响应、精度的指标要求）来确定，以达到满意的效果。 
j、根据转子转速计算值
Figure 992333DEST_PATH_IMAGE006
和转子角度初值的估计值
Figure 806705DEST_PATH_IMAGE046
按如下公式计算转子角度的估计值
Figure 563921DEST_PATH_IMAGE049
： 
k、根据估计转速，用下式更新估计旋转参考系转速：
                                                               
Figure 29854DEST_PATH_IMAGE011
                                                               
l、根据估计旋转参考系转速，用下式更新估计旋转参考系转角： 
                                                           
Figure 636416DEST_PATH_IMAGE012
                                                            
m、判断是否结束角度、转速的估计。如果否，则回到步骤c，继续循环；如果是，则结束。
与 “一种基于无速度传感器的永磁同步电机的转子角度、转速估计方法”发明专利相比，本专利的创造性不局限于参考系的不同，本专利在于提出了一种同时具有较高动态性和较高精度的一种估计方法。较高动态特性的实现关键是使用公式 （10）（11），而较高精度的实现关键是使用旋转坐标系方法消除高通滤波器产生的估计误差，这两部分创新的结合是本专利的核心。 
实施例2 
该实施例将本发明给出的永磁同步电机的转子角度、转速估计方法应用于基于永磁同步电机的直驱式风力发电系统中。直驱式永磁同步风力发电系统主要参数如下：
首先由永磁同步电机的转子磁链幅值
Figure 321792DEST_PATH_IMAGE013
可以由额定参数计算得到：
Figure 324383DEST_PATH_IMAGE062
。然后，按照图2所示结构来实现本发明提出的永磁同步电机的转子角度、转速估计方法。其中，高通滤波器
Figure 847769DEST_PATH_IMAGE033
按照一阶高通滤波环节设计，时间常数取为
Figure 949717DEST_PATH_IMAGE063
，即
Figure 191342DEST_PATH_IMAGE064
。低通滤波器
Figure 732045DEST_PATH_IMAGE065
均按一阶低通滤波环节设计，
Figure 47620DEST_PATH_IMAGE045
时间常数取为0.02s，的时间常数取为0.01s。最后，将上述永磁同步电机的转子角度、转速估计单元放到具有图1结构的1.5MW直驱式永磁同步风力发电系统中，和前向通道控制器与脉宽调制单元形成完整的闭环系统。
在MATLAB/Simulink中对上述系统进行仿真。初始时永磁同步发电机在原动机带动下以额定转速运行，且不带负载。估计过程开始时永磁同步发电机转子角度设定为
Figure 49391DEST_PATH_IMAGE066
。仿真结果如图4、图5所示。可以看出，估计过程开始后，估计得到的转速和角度值从零开始迅速收敛到真实值上，转速估计值收敛的时间常数大约为0.02s，而角度估计值收敛的时间常数大约为0.01s，与设计相符。从0.1s开始，永磁同步发电机负载逐渐增加至额定，由仿真结果可以看出，尽管随着负载的增加估计精度略有下降，但在此过程中角度和转速的估计值依然稳定在真实值附近，误差不超过2%，相比静止坐标系下的估计方法误差不超过5%则有了明显的提高。为进一步考查角度和转速估计方法的动态性能，在0.3s时设置永磁同步电机的转速突降为额定转速的50%。仿真结果显示角度和转速的跟踪依然准确，说明本发明提出的估计方法具有良好的动态性能。 

Claims (4)

1.一种高精度永磁同步电机的无速度传感器估计方法，其特征在于，估计过程在转速为                                                
Figure 2012105468521100001DEST_PATH_IMAGE001
相角为
Figure 729600DEST_PATH_IMAGE002
的估计旋转参考系中完成，首先通过
Figure 2012105468521100001DEST_PATH_IMAGE003
对转子转速计算值
Figure 732689DEST_PATH_IMAGE004
进行低通滤波，获得转子转速估计值，消除转速上的代数环，与此同时通过
Figure 442019DEST_PATH_IMAGE006
来完成转子角度初值的估计，再结合
Figure 330341DEST_PATH_IMAGE008
，将转子角度初值的估计叠加到角度积分值上完成角度的估计，最后采用和
Figure 212846DEST_PATH_IMAGE010
更新估计旋转参考系的转速和相角，以减小高通滤波环节带来的影响从而提高估计精度。
2.根据权利要求1所述的一种高精度永磁同步电机的无速度传感器估计方法，其特征在于，具体步骤为：
a、获取永磁同步电机的转子磁链幅值；
所述转子磁链幅值
Figure 503013DEST_PATH_IMAGE012
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为发电机空载额定线电压，为发电机额定频率；
b、设定初始估计旋转参考系的转速
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，相角
Figure 758862DEST_PATH_IMAGE016
；
c、将测得的永磁同步电机的定子AB、BC线电压基波分量
Figure DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 445059DEST_PATH_IMAGE018
变换到估计旋转参考系的
Figure DEST_PATH_IMAGE019
坐标系下，获得
Figure 589732DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure DEST_PATH_IMAGE021
：
       
Figure 640865DEST_PATH_IMAGE022
  
所述AB、BC线电压基波分量
Figure 566095DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 725157DEST_PATH_IMAGE018
值是通过安装在永磁同步电机定子侧的电压传感器测得的；
d、将测得的定子ABC三相电流基波分量
Figure DEST_PATH_IMAGE023
变换到上述
Figure 52233DEST_PATH_IMAGE019
坐标系下，获得
Figure 8688DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure DEST_PATH_IMAGE025
：
       
Figure 421214DEST_PATH_IMAGE026
      
所述ABC三相电流基波分量值是通过安装在永磁同步电机定子侧的电流传感器测得的；
e、对
Figure 568479DEST_PATH_IMAGE019
坐标系下的定子电流
Figure 961414DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 595658DEST_PATH_IMAGE025
进行高通滤波，获得定子电流的微分的估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE027
和
Figure 99452DEST_PATH_IMAGE028
：
       
Figure DEST_PATH_IMAGE029
  
       
Figure 338803DEST_PATH_IMAGE030
  
其中，表示高通滤波环节；
f、根据坐标系下的定子电压、电流
Figure DEST_PATH_IMAGE033
以及定子电流的微分的估计值
Figure 331664DEST_PATH_IMAGE034
，获得定子反电动势估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE035
：
       
Figure 487839DEST_PATH_IMAGE036
       
Figure DEST_PATH_IMAGE037
  
其中，为定子相电阻，分别为定子直轴和交轴电感；
g、根据
Figure 766166DEST_PATH_IMAGE019
坐标系下的定子反电动势估计值
Figure 674079DEST_PATH_IMAGE035
以及转子磁链幅值
Figure 684760DEST_PATH_IMAGE011
，获得转子转速计算值
Figure 590399DEST_PATH_IMAGE004
和角度计算值：
             
       
Figure 335819DEST_PATH_IMAGE042
      
h、对转子转速计算值
Figure 201006DEST_PATH_IMAGE004
进行低通滤波，获得转子转速估计值
Figure 277547DEST_PATH_IMAGE005
：
       
Figure 860975DEST_PATH_IMAGE003
     
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
表示低通滤波环节；
i、根据转子角度计算值
Figure 313953DEST_PATH_IMAGE040
、转速计算值
Figure 33647DEST_PATH_IMAGE004
以及估计旋转参考系转速
Figure 343406DEST_PATH_IMAGE001
，获得转子角度初值的估计值
Figure 351813DEST_PATH_IMAGE044
：
       
Figure DEST_PATH_IMAGE045
      
其中，
Figure 405220DEST_PATH_IMAGE046
表示低通滤波环节，t代表当前时刻；
j、根据转子转速计算值
Figure 182683DEST_PATH_IMAGE004
和转子角度初值的估计值
Figure 663343DEST_PATH_IMAGE044
，获得转子角度的估计值
Figure DEST_PATH_IMAGE047
：
       
Figure 156117DEST_PATH_IMAGE008
       
所述t表示当前时刻；
k、根据估计转速，用下式更新估计旋转参考系转速：
       
Figure 747635DEST_PATH_IMAGE009
l、根据估计旋转参考系转速，用下式更新该参考系相角： 
       
Figure 379605DEST_PATH_IMAGE010
所述t表示当前时刻；
m、返回步骤c，进行循环。
3.根据权利要求2所述的一种高精度永磁同步电机的无速度传感器估计方法，其特征在于：所述e步骤中的高通滤波采用高通滤波器。
4.根据权利要求2所述的一种高精度永磁同步电机的无速度传感器估计方法，其特征在于：所述h步骤中的、i步骤中的
Figure 409374DEST_PATH_IMAGE046
均采用低通滤波器。
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