CN103944482B - 定子磁链、电磁转矩观测方法及分别应用两种方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的定子磁链、电磁转矩观测方法及分别应用两种方法的装置，通过全阶滑模观测器采集永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，通过闭环观测估计得到有效反电动势克服了现有技术中的电压模型磁链观测器的积分影响；再通过电磁转矩计算单元采集有效反电动势及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由有效反电动势计算得到转速再由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链所述方法不仅克服了现有技术中的电压模型磁链观测器的积分影响，而且无需用到速度传感器，解决了无速度传感器定子磁链和电磁转矩观测的问题。

Description

定子磁链、电磁转矩观测方法及分别应用两种方法的装置

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种定子磁链、电磁转矩观测方法及分别应用两种方法的装置。

背景技术

在风力发电技术中，凸极永磁同步电机因为高功率密度、高可靠性等优点而广泛应用于风力发电系统。为提高系统可靠性，风力发电系统常常要求实现无速度传感器控制，现有技术中常用的电磁转矩闭环控制方法，具有较高的电磁转矩控制精度，但是其电磁转矩反馈值通常不能直接获得，为此，需要研究无速度传感器的电磁转矩观测方法，电磁转矩可以根据定子磁链和定子电流得到，因此观测定子磁链是关键。

常用的定子磁链观测主要为电压模型法，但是会受到积分初始值和积分漂移的影响，且现存的各种技术和方法均未能很好的解决上述问题，因此需要研究一种能够克服传统电压模型磁链观测器的积分问题，实现无速度传感器定子磁链观测的方法。-

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种定子磁链、电磁转矩观测方法及分别应用两种方法的装置，以解决现有技术中无法克服传统电压模型磁链观测器的积分影响，以实现对永磁同步电机的无速度传感器控制的问题。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种定子磁链观测方法，应用于数字信号处理器，所述数字信号处理器分别与逆变器及永磁同步电机相连，所述数字信号处理器包括与所述永磁同步电机相连的电流坐标变换单元、分别与所述永磁同步电机及电流坐标变换单元相连的全阶滑模观测器，及分别与所述电流坐标变换单元及全阶滑模观测器相连的电磁转矩计算单元，所述定子磁链观测方法包括：

所述全阶滑模观测器采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，通过闭环观测估计得到有效反电动势

所述电磁转矩计算单元采集有效反电动势及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由有效反电动势计算得到转速由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链

优选的，所述全阶滑模观测器包括：与所述永磁同步电机相连的电压转换单元、与所述电压转换单元相连的电压坐标变换单元、与所述电压坐标变换单元及电流坐标变换单元相连的观测器单元；

所述全阶滑模观测器采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，通过闭环观测估计得到有效反电动势的步骤具体包括：

所述电压转换单元采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc，由定子线电压u_ab、u_bc计算得到定子三相相电压u_A、u_B、u_C；

所述电压坐标变换单元由定子三相相电压u_A、u_B、u_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电压分量u_α、u_β；

所述观测器单元采集所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由电压分量u_α、u_β及电流分量i_α、i_β通过闭环观测估计得到有效反电动势

优选的，所述电压转换单元由定子线电压u_ab、u_bc计算得到定子三相相电压u_A、u_B、u_C的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_B=\frac{1}{3}(u_{\mathrm{bc}}-u_{\mathrm{ab}})\\ u_A=u_{\mathrm{ab}}+u_B\\ u_C=u_B-u_{\mathrm{bc}}\end{array}\right.;$

所述电压坐标变换单元由定子三相相电压u_A、u_B、u_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电压分量u_α、u_β的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right].\begin{array}{}\end{array}$

优选的，所述电磁转矩计算单元由有效反电动势计算得到转速的公式为：

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_r=\frac{\sqrt{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}^2}}{(L_d-L_q)i_d+{\mathrm{\ψ}}_f};$

所述电磁转矩计算单元由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}=-\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}}{{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r}+L_q{i}_{\mathrm{\β}}\\ {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}=\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}}{{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r}+L_q{i}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right.;$

其中，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ψ_f为永磁体磁链，i_d为励磁电流。

一种电磁转矩观测方法，包括上述任一所述的定子磁链观测方法。

优选的，在所述全阶滑模观测器采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β的步骤之前还包括：

所述电流坐标变换单元采集所述永磁同步电机的定子电流i_A、i_B、i_C，由定子电流i_A、i_B、i_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电流分量i_α、i_β；

所述电流坐标变换单元由定子电流i_A、i_B、i_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电流分量i_α、i_β的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right].$

优选的，在所述电磁转矩计算单元由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链的步骤之后还包括：

所述电磁转矩计算单元由定子磁链计算得到电磁转矩

所述电磁转矩计算单元由定子磁链计算得到电磁转矩的公式为：

${\hat{T}}_e=n_p({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{\α}});$

其中，n_p为所述永磁同步电机的极对数。

一种全阶滑模观测器，分别与永磁同步电机及电流坐标变换单元相连，所述全阶滑模观测器用于采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，并通过闭环观测估计得到有效反电动势

优选的，所述全阶滑模观测器包括：

与所述永磁同步电机相连的电压转换单元，用于采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc，由定子线电压u_ab、u_bc计算得到定子三相相电压u_A、u_B、u_C；

与所述电压转换单元相连的电压坐标变换单元，用于由定子三相相电压u_A、u_B、u_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电压分量u_α、u_β；

与所述电压坐标变换单元及电流坐标变换单元相连的观测器单元，用于采集所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由电压分量u_α、u_β及电流分量i_α、i_β通过闭环观测估计得到有效反电动势

优选的，所述电压转换单元由定子线电压u_ab、u_bc计算得到定子三相相电压u_A、u_B、u_C的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_B=\frac{1}{3}(u_{\mathrm{bc}}-u_{\mathrm{ab}})\\ u_A=u_{\mathrm{ab}}+u_B\\ u_C=u_B-u_{\mathrm{bc}}\end{array}\right.;$

所述电压坐标变换单元由定子三相相电压u_A、u_B、u_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电压分量u_α、u_β的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right].\begin{array}{}\end{array}$

一种数字信号处理器，分别与逆变器及永磁同步电机相连，所述数字信号处理器包括：

与所述永磁同步电机相连的电流坐标变换单元；用于采集所述永磁同步电机的定子电流i_A、i_B、i_C，由定子电流i_A、i_B、i_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电流分量i_α、i_β；

上述任一所述的全阶滑模观测器；

分别与所述电流坐标变换单元及全阶滑模观测器相连的电磁转矩计算单元；用于采集有效反电动势及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由有效反电动势计算得到转速由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链再由定子磁链计算得到电磁转矩

优选的，所述电流坐标变换单元由定子电流i_A、i_B、i_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电流分量i_α、i_β的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right];\begin{array}{}\end{array}$

所述电磁转矩计算单元由有效反电动势计算得到转速的公式为：

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_r=\frac{\sqrt{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}^2}}{(L_d-L_q)i_d+{\mathrm{\ψ}}_f};$

所述电磁转矩计算单元由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}=-\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}}{{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r}+L_q{i}_{\mathrm{\β}}\\ {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}=\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}}{{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r}+L_q{i}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right.;$

所述电磁转矩计算单元由定子磁链计算得到电磁转矩的公式为：

${\hat{T}}_e=n_p({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{\α}});$

其中，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ψ_f为永磁体磁链，i_d为励磁电流，n_p为所述永磁同步电机的极对数。

从上述的技术方案可以看出，本发明公开的定子磁链观测方法，通过全阶滑模观测器采集永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，通过闭环观测估计得到有效反电动势克服了现有技术中的电压模型磁链观测器的积分影响；再通过电磁转矩计算单元采集有效反电动势及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由有效反电动势计算得到转速再由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链所述方法不仅克服了现有技术中的电压模型磁链观测器的积分影响，而且无需用到速度传感器，解决了无速度传感器定子磁链和电磁转矩观测的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。

图1为本发明实施例公开的定子磁链观测方法流程图；

图2为本发明另一实施例公开的定子磁链观测方法流程图；

图3为本发明另一实施例公开的电磁转矩观测方法流程图；

图4为本发明另一实施例公开的电磁转矩观测方法流程图；

图5为本发明另一实施例公开的全阶滑模观测器的部分具体逻辑原理示意图；

图6为本发明另一实施例公开的全阶滑模观测器结构示意图；

图7为本发明另一实施例公开的数字信号处理器结构示意图。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种定子磁链观测方法，以解决现有技术中无法克服传统电压模型磁链观测器的积分影响，以实现对永磁同步电机的无速度传感器控制的问题。

所述定子磁链观测方法，应用于数字信号处理器，所述数字信号处理器分别与逆变器及永磁同步电机相连，所述数字信号处理器包括与所述永磁同步电机相连的电流坐标变换单元、分别与所述永磁同步电机及电流坐标变换单元相连的全阶滑模观测器，及分别与所述电流坐标变换单元及全阶滑模观测器相连的电磁转矩计算单元。

具体的，所述定子磁链观测方法，如图1所示，包括：

S101、所述全阶滑模观测器采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，通过闭环观测估计得到有效反电动势

所述全阶滑模观测器通过闭环观测估计得到有效反电动势克服了现有技术中的电压模型磁链观测器的积分初始值和积分漂移的影响。

具体的，所述全阶滑模观测器包括：与所述永磁同步电机相连的电压转换单元、与所述电压转换单元相连的电压坐标变换单元、与所述电压坐标变换单元及电流坐标变换单元相连的观测器单元。

本步骤具体如图2所示，包括：

S201、所述电压转换单元采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc，由定子线电压u_ab、u_bc计算得到定子三相相电压u_A、u_B、u_C；

其具体的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_B=\frac{1}{3}(u_{\mathrm{bc}}-u_{\mathrm{ab}})\\ u_A=u_{\mathrm{ab}}+u_B\\ u_C=u_B-u_{\mathrm{bc}}\end{array}\right..$

S202、所述电压坐标变换单元由定子三相相电压u_A、u_B、u_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电压分量u_α、u_β；

其具体的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right].\begin{array}{}\end{array}$

S203、所述观测器单元采集所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由电压分量u_α、u_β及电流分量i_α、i_β通过闭环观测估计得到有效反电动势 ${\hat{e}}_{\mathrm{\β}}.$

S102、所述电磁转矩计算单元采集有效反电动势及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由有效反电动势计算得到转速由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链

其中，所述电磁转矩计算单元由有效反电动势计算得到转速的公式为：

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_r=\frac{\sqrt{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}^2}}{(L_d-L_q)i_d+{\mathrm{\ψ}}_f};$

所述电磁转矩计算单元由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}=-\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}}{{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r}+L_q{i}_{\mathrm{\β}}\\ {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}=\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}}{{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r}+L_q{i}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right.;$

其中，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ψ_f为永磁体磁链，i_d为励磁电流。

本实施例公开的定子磁链观测方法，通过全阶滑模观测器采集永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，通过闭环观测估计得到有效反电动势克服了现有技术中的电压模型磁链观测器的积分影响；再通过电磁转矩计算单元采集有效反电动势及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由有效反电动势计算得到转速再由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链所述方法不仅克服了现有技术中的电压模型磁链观测器的积分影响，而且无需用到速度传感器，解决了无速度传感器定子磁链和电磁转矩观测的问题。

本发明另一实施例还提供了一种电磁转矩观测方法，包括上述实施例任一所述的定子磁链观测方法。

其具体的步骤及流程与上述实施例相同，此处不再赘述。

优选的，如图3所示，所述电磁转矩观测方法包括：

S301、所述电流坐标变换单元采集所述永磁同步电机的定子电流i_A、i_B、i_C，由定子电流i_A、i_B、i_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电流分量i_α、i_β。

其具体的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right].$

S302、所述全阶滑模观测器采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，通过闭环观测估计得到有效反电动势

S303、所述电磁转矩计算单元采集有效反电动势及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由有效反电动势计算得到转速由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链

S304、所述电磁转矩计算单元由定子磁链计算得到电磁转矩 ${\hat{T}}_e.$

具体的公式为：

${\hat{T}}_e=n_p({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{\α}});$

其中，n_p为所述永磁同步电机的极对数。

本实施例详细说明了所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β的来源，以及电磁转矩的得到过程，实现了完整的电磁转矩观测。

优选的，如图4所示，步骤S302包括：

S401、所述电压转换单元采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc，由定子线电压u_ab、u_bc计算得到定子三相相电压u_A、u_B、u_C；

S402、所述电压坐标变换单元由定子三相相电压u_A、u_B、u_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电压分量u_α、u_β；

S403、所述观测器单元采集所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由电压分量u_α、u_β及电流分量i_α、i_β通过闭环观测估计得到有效反电动势 ${\hat{e}}_{\mathrm{\β}}.$

本发明另一实施例还提供了一种全阶滑模观测器，分别与永磁同步电机及电流坐标变换单元相连，所述全阶滑模观测器用于采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，并通过闭环观测估计得到有效反电动势

传统的基于有效磁链的凸极永磁同步电机全阶模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{pi}}_{\mathrm{\α}}=-\frac{R_s}{L_q}{i}_{\mathrm{\α}}+\frac{u_{\mathrm{\α}}}{L_q}-\frac{{\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{\α}}}{L_q}\\ {\mathrm{pi}}_{\mathrm{\β}}=-\frac{R_s}{L_q}{i}_{\mathrm{\β}}+\frac{u_{\mathrm{\β}}}{L_q}-\frac{{\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{\β}}}{L_q}\\ {\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{\α}}=-{\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}\\ {\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{\β}}={\mathrm{\ω}}_r{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right.$

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]=[{\mathrm{\ψ}}_f+(L_d-L_q)i_d]\left[\begin{array}{c}{\sin \mathrm{\θ}}_r\\ \cos {\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]$

其中，i_α、i_β分别为定子电流在静止α-β坐标系上的两个分量，u_α、u_β分别为定子电压在静止α-β坐标系上的两个分量，ψ_α、ψ_β为有效磁链在静止α-β坐标系上的两个分量，ψ_f为永磁体磁链，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，R_s为定子电阻，ω_r为同步转速，θ_r为转子位置。

如图5所示，为本实施例提供的所述全阶滑模观测器的部分具体逻辑原理示意图。

本实施例定义有效反电动势e_α、e_β如下：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}={\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}={\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

认为磁链幅值不变可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{pe}}_{\mathrm{\α}}=-{\mathrm{\ω}}_r{e}_{\mathrm{\β}}\\ {\mathrm{pe}}_{\mathrm{\β}}={\mathrm{\ω}}_r{e}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right.$

根据有效反电动势e_α、e_β的定义得到改进后的凸极永磁同步电机全阶模型，如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{pi}}_{\mathrm{\α}}=-\frac{R_s}{L_q}{i}_{\mathrm{\α}}+\frac{u_{\mathrm{\α}}}{L_q}-\frac{e_{\mathrm{\α}}}{L_q}\\ {\mathrm{pi}}_{\mathrm{\β}}=-\frac{R_s}{L_q}{i}_{\mathrm{\β}}+\frac{u_{\mathrm{\β}}}{L_q}-\frac{e_{\mathrm{\β}}}{L_q}\\ {\mathrm{pe}}_{\mathrm{\α}}=-{\mathrm{\ω}}_r{e}_{\mathrm{\β}}\\ {\mathrm{pe}}_{\mathrm{\β}}={\mathrm{\ω}}_r{e}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right.$

基于该模型建立全阶滑模观测器，如下：

$\left\{\begin{array}{c}p{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}=-\frac{R_s}{L_q}{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}+\frac{u_{\mathrm{\α}}}{L_q}-\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}}{L_q}-\frac{1}{L_q}{s}_{\mathrm{\α}}\\ p{\hat{i}}_{\mathrm{\β}}=-\frac{R_s}{L_q}{\hat{i}}_{\mathrm{\β}}+\frac{u_{\mathrm{\β}}}{L_q}-\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}}{L_q}-\frac{1}{L_q}{s}_{\mathrm{\β}}\\ p{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}=-{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}+{\mathrm{Ns}}_{\mathrm{\α}}\\ p{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}={\widehat{\mathrm{\ω}}}_r{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{Ns}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

其中， $s_{\mathrm{\α}}=\mathrm{Msgn}({\hat{i}}_{\mathrm{\α}}-i_{\mathrm{\α}}),s_{\mathrm{\β}}=\mathrm{Msgn}({\hat{i}}_{\mathrm{\β}}-i_{\mathrm{\β}}),$ M为电流滑模观测器的增益，sgn()为符号函数，N为有效反电动势e_α、e_β滑模观测器的增益，为在静止α-β坐标系上的估计电流值，为估计的有效反电动势，为估计的同步转速。

本实施例公开的所述全阶滑模观测器，通过如图5所示的闭环观测估计得到有效反电动势克服了现有技术中的电压模型磁链观测器的积分影响。

优选的，如图6所示，所述全阶滑模观测器包括：

与所述永磁同步电机相连的电压转换单元201；

与电压转换单元201相连的电压坐标变换单元202；

与电压坐标变换单元202及所述电流坐标变换单元相连的观测器单元203。

图5所示为观测器单元203的具体逻辑原理示意图。

具体的工作原理为：

电压转换单元201采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc，由定子线电压u_ab、u_bc计算得到定子三相相电压u_A、u_B、u_C；电压坐标变换单元202由定子三相相电压u_A、u_B、u_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电压分量u_α、u_β；观测器单元203采集所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由电压分量u_α、u_β及电流分量i_α、i_β通过闭环观测估计得到有效反电动势

其中，电压转换单元201由定子线电压u_ab、u_bc计算得到定子三相相电压u_A、u_B、u_C的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_B=\frac{1}{3}(u_{\mathrm{bc}}-u_{\mathrm{ab}})\\ u_A=u_{\mathrm{ab}}+u_B\\ u_C=u_B-u_{\mathrm{bc}}\end{array}\right.;$

电压坐标变换单元202由定子三相相电压u_A、u_B、u_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电压分量u_α、u_β的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right].\begin{array}{}\end{array}$

本发明另一实施例还提供了一种数字信号处理器，如图7所示，数字信号处理器100分别与逆变器200及永磁同步电机300相连，数字信号处理器100包括：

与永磁同步电机300相连的电流坐标变换单元101；

分别与永磁同步电机300及电流坐标变换单元101相连的全阶滑模观测器102；

分别与电流坐标变换单元101及全阶滑模观测器102相连的电磁转矩计算单元103；

具体的工作原理为：

电流坐标变换单元101采集所述永磁同步电机的定子电流i_A、i_B、i_C，由定子电流i_A、i_B、i_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电流分量i_α、i_β；全阶滑模观测器102采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，通过闭环观测估计得到有效反电动势电磁转矩计算单元103采集有效反电动势及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由有效反电动势计算得到转速由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链再由定子磁链计算得到电磁转矩

其中，电流坐标变换单元101由定子电流i_A、i_B、i_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电流分量i_α、i_β的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right].\begin{array}{}\end{array}$

电磁转矩计算单元103由有效反电动势计算得到转速的公式为：

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_r=\frac{\sqrt{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}^2}}{(L_d-L_q)i_d+{\mathrm{\ψ}}_f};$

电磁转矩计算单元103由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}=-\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}}{{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r}+L_q{i}_{\mathrm{\β}}\\ {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}=\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}}{{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r}+L_q{i}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right.;$

电磁转矩计算单元103由定子磁链计算得到电磁转矩的公式为：

${\hat{T}}_e=n_p({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{\α}});$

其中，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ψ_f为永磁体磁链，i_d为励磁电流，n_p为所述永磁同步电机的极对数。

本实施例公开的数字信号处理器100，通过全阶滑模观测器102采集永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，通过闭环观测估计得到有效反电动势克服了现有技术中的电压模型磁链观测器的积分影响；再通过电磁转矩计算单元103采集有效反电动势 及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由有效反电动势计算得到转速再由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链再由定子磁链计算得到电磁转矩不仅克服了现有技术中的电压模型磁链观测器的积分影响，而且无需用到速度传感器，最终实现了电磁转矩的观测，解决了无速度传感器定子磁链和电磁转矩观测的问题。。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种定子磁链观测方法，其特征在于，应用于数字信号处理器，所述数字信号处理器分别与逆变器及永磁同步电机相连，所述数字信号处理器包括与所述永磁同步电机相连的电流坐标变换单元、分别与所述永磁同步电机及电流坐标变换单元相连的全阶滑模观测器，及分别与所述电流坐标变换单元及全阶滑模观测器相连的电磁转矩计算单元，所述定子磁链观测方法包括：

所述全阶滑模观测器采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，通过闭环观测估计得到有效反电动势

所述电磁转矩计算单元采集有效反电动势及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由有效反电动势计算得到转速由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链

2.根据权利要求1所述的定子磁链观测方法，其特征在于，所述全阶滑模观测器包括：与所述永磁同步电机相连的电压转换单元、与所述电压转换单元相连的电压坐标变换单元、与所述电压坐标变换单元及电流坐标变换单元相连的观测器单元；

所述全阶滑模观测器采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，通过闭环观测估计得到有效反电动势的步骤具体包括：

所述电压转换单元采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc，由定子线电压u_ab、u_bc计算得到定子三相相电压u_A、u_B、u_C；

所述电压坐标变换单元由定子三相相电压u_A、u_B、u_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电压分量u_α、u_β；

所述观测器单元采集所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由电压分量u_α、u_β及电流分量i_α、i_β通过闭环观测估计得到有效反电动势

3.根据权利要求2所述的定子磁链观测方法，其特征在于，所述电压转换单元由定子线电压u_ab、u_bc计算得到定子三相相电压u_A、u_B、u_C的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_B=\frac{1}{3}(u_{bc}-u_{ab})\\ u_A=u_{ab}+u_B\\ u_C=u_B-u_{bc}\end{array}\right.;$

所述电压坐标变换单元由定子三相相电压u_A、u_B、u_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电压分量u_α、u_β的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right].$

4.根据权利要求1所述的定子磁链观测方法，其特征在于，所述电磁转矩计算单元由有效反电动势计算得到转速的公式为：

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_r=\frac{\sqrt{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}^2}}{(L_d-L_q)i_d+{\mathrm{\ψ}}_f};$

所述电磁转矩计算单元由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{s\mathrm{\β}}=-\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}}{{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r}+L_q{i}_{\mathrm{\β}}\\ {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{s\mathrm{\α}}=\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}}{{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r}+L_q{i}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right.;$

其中，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ψ_f为永磁体磁链，i_d为励磁电流。

5.一种电磁转矩观测方法，其特征在于，包括权利要求1至4任一所述的定子磁链观测方法；

在所述电磁转矩计算单元由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链的步骤之后还包括：

所述电磁转矩计算单元由定子磁链计算得到电磁转矩

所述电磁转矩计算单元由定子磁链计算得到电磁转矩的公式为：

${\hat{T}}_e=n_p({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{s\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{s\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}});$

其中，n_p为所述永磁同步电机的极对数。

6.根据权利要求5所述的电磁转矩观测方法，其特征在于，在所述全阶滑模观测器采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β的步骤之前还包括：

所述电流坐标变换单元采集所述永磁同步电机的定子电流i_A、i_B、i_C，由定子电流i_A、i_B、i_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电流分量i_α、i_β；

所述电流坐标变换单元由定子电流i_A、i_B、i_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电流分量i_α、i_β的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right].$

7.一种数字信号处理器，其特征在于，分别与逆变器及永磁同步电机相连，所述数字信号处理器包括：

与所述永磁同步电机相连的电流坐标变换单元；用于采集所述永磁同步电机的定子电流i_A、i_B、i_C，由定子电流i_A、i_B、i_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电流分量i_α、i_β；

分别与所述永磁同步电机及所述电流坐标变换单元相连的全阶滑模观测器，用于采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，并通过闭环观测估计得到有效反电动势

分别与所述电流坐标变换单元及全阶滑模观测器相连的电磁转矩计算单元；用于采集有效反电动势及所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由有效反电动势计算得到转速由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链再由定子磁链计算得到电磁转矩

8.根据权利要求7所述的数字信号处理器，其特征在于，所述全阶滑模观测器包括：

与所述永磁同步电机相连的电压转换单元，用于采集所述永磁同步电机的定子线电压u_ab、u_bc，由定子线电压u_ab、u_bc计算得到定子三相相电压u_A、u_B、u_C；

与所述电压转换单元相连的电压坐标变换单元，用于由定子三相相电压u_A、u_B、u_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电压分量u_α、u_β；

与所述电压坐标变换单元及电流坐标变换单元相连的观测器单元，用于采集所述电流坐标变换单元输出的电流分量i_α、i_β，由电压分量u_α、u_β及电流分量i_α、i_β通过闭环观测估计得到有效反电动势

9.根据权利要求8所述的数字信号处理器，其特征在于，所述电压转换单元由定子线电压u_ab、u_bc计算得到定子三相相电压u_A、u_B、u_C的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_B=\frac{1}{3}(u_{bc}-u_{ab})\\ u_A=u_{ab}+u_B\\ u_C=u_B-u_{bc}\end{array}\right.;$

所述电压坐标变换单元由定子三相相电压u_A、u_B、u_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电压分量u_α、u_β的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_A\\ u_B\\ u_C\end{array}\right].$

10.根据权利要求7至9任一所述的数字信号处理器，其特征在于，所述电流坐标变换单元由定子电流i_A、i_B、i_C计算得到其在静止α-β坐标系上的电流分量i_α、i_β的公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right];$

所述电磁转矩计算单元由有效反电动势计算得到转速的公式为：

${\widehat{\mathrm{\ω}}}_r=\frac{\sqrt{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}^2+{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}^2}}{(L_d-L_q)i_d+{\mathrm{\ψ}}_f};$

所述电磁转矩计算单元由有效反电动势电流分量i_α、i_β及转速计算得到定子磁链的公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{s\mathrm{\β}}=-\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}}{{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r}+L_q{i}_{\mathrm{\β}}\\ {\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{s\mathrm{\α}}=\frac{{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}}{{\widehat{\mathrm{\ω}}}_r}+L_q{i}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right.;$

所述电磁转矩计算单元由定子磁链计算得到电磁转矩的公式为：

${\hat{T}}_e=n_p({\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{s\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-{\widehat{\mathrm{\ψ}}}_{s\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}});$

其中，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ψ_f为永磁体磁链，i_d为励磁电流，n_p为所述永磁同步电机的极对数。