CN106655944B - 一种永磁同步电机的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的控制方法及系统；包括：获取永磁同步电机当前的运行状态；当处于超低速运行，和/或低速运行时，在当前工作状态下向永磁同步电机输入的高频电压信号；根据输入的高频电压信号获取永磁同步电机的转子位置信息；根据转子位置信息获取永磁同步电机在当前状态下的转速；当转速达到高速范围时，根据预设高转速分析方法控制永磁同步电机运行，根据预设高转速分析方法判断当转速进入低速运行范围时，切换永磁同步电机低速运行的算法。其目的去除现有技术中的速度传感器，采用电机中转子位置辨识算法，不仅可以获取转子初始位置，同时可以分别求得电机低速段和高速段的转子速度，不需要增加额外硬件，算法简单，鲁棒性好。

Description

一种永磁同步电机的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种永磁同步电机的控制方法及系统。

背景技术

不管是由无刷直流电机还是由永磁同步电机构成的高性能电气传动系统中，要想实现精确的闭环自控式调速，必须要获得电机精确的转子位置和速度信息。在传统的电机控制方案中，要想获得这些信息必须安装位置传感器，但是，机械式传感器会给整个系统带来许多不利的地方，比如增加了系统成本，体积，并且在速度传感器出现问题的时候电机无法正常运转；车载电机工作环境恶劣，由于振动，温度的影响，转子位置检测很不可靠。

专利201110038193.6通过磁链估计来计算电机转子位置，此种方法受电机参数影响较大，所计算的转子位置精度不高。专利201410231925.7采用多种不同的辨识方法，算法较为复杂，较难实现，特别是低速段位置检测，并没有进行转子N、S极性判断，因此电机转子实际位置可能与所辨识的转子位置相差电角度。

发明内容

本发明的提供了一种永磁同步电机的控制方法及系统，其目的去除现有技术中的速度传感器，采用电机中转子位置辨识算法，不仅可以获取转子初始位置，同时可以分别求得电机低速段和高速段的转子速度，不需要增加额外硬件，算法简单，鲁棒性好。

本发明提供的技术方案如下：

一种永磁同步电机的控制方法，包括：步骤S100获取永磁同步电机当前的运行状态；当处于超低速运行，和/或，低速运行时执行步骤S200；步骤S200在当前工作状态下向永磁同步电机输入的高频电压信号；步骤S300根据输入的所述高频电压信号获取永磁同步电机的转子位置信息；步骤S400根据所述转子位置信息获取永磁同步电机在当前状态下的转速；当所述转速达到高速范围时，切换至步骤S500；步骤S500根据预设高转速分析方法控制永磁同步电机运行，执行步骤S600；步骤S600根据所述预设高转速分析方法判断当转速进入低速运行范围时，切换永磁同步电机执行步骤S200。

在本发明中，采用不同的预设控制算法实现了对永磁同步电机的速度辨识以及控制其运行状态，同时根据不同速度自动切换相应控制算法；解决了现有技术中用机械式传感器获取永磁同步电机的转速时出现的速度传感器故障与损坏的问题。

进一步优选的，所述步骤S300包括：当永磁同步电机处于超低速运行时，执行步骤S310；步骤S310在永磁同步电机的定子空间内的第一预设点和第二预设点获取电流幅值；步骤S311根据在所述第一预设点和所述第二预设点获取的所述电流幅值，得到永磁同步电机转子的位置信息；所述第一预设点为ω_ht＝π/2，所述第二预设点为ω_ht＝2π/3；ω_h为转子角速度。

在本发明中，为了对电动汽车永磁同步电机的转子位置进行准确辨识，通过电机控制器在电机定子直轴和交轴注入高频电压信号，在超低速时，通过判断相位差180°的方法精确定位转子的极性，进一步检测定子电流来提取电机转子位置信息，节省硬件开销，算法简单可靠。

进一步优选的，所述步骤S300包括：当永磁同步电机处于低速运行时，执行步骤S320；步骤S320获取永磁同步电机定子的响应电流；步骤S321根据第一预设算法将所述响应电流进行变换滤波；所述第一预设算法为：

其中，i_d'q'i”由分量i_q'i，i_d'i组成，ω_h为转子角速度，θ_r为转子位置角；

步骤S322根据滤波后的所述响应电流获取永磁同步电机转子的位置信息。

在本发明中，针对不同的转子转速，切换至不同的控制方法，使本发明的控制方法更加灵活多变，转速信息精确，通过对电流的滤波去除高频干扰波，使电机对干扰信号不会发生突变，从而控制电机在本速度段内稳定运行。

进一步优选的，所述步骤S500包括：步骤S510采集所述当前状态下永磁同步电机的瞬时线电压和相电流；步骤S520根据步骤S510获取相电压和相电流通过第二预设算法获取永磁同步电机的位置信息；步骤S530根据所述第二预设算法获取的永磁同步电机的位置信息获取当前状态下的转速。

进一步优选的，永磁同步电机定子的响应电流模型包括：

i_αβi--定子电流，θ_r--转子位置角，ω_h--转子角速度。

进一步优选的，永磁同步电机转子的位置模型包括：

i_d′i--直轴电流，i_q′i--交轴电流。

进一步优选的，永磁同步电机转子的转速模型包括：

其中θ_R(k+1)--k+1时刻的位置角，θ_R(k)--k时刻的位置角，根据步骤S311判断的N值，N＝0时，θ_R＝θ_r；N＝1时，θ_R＝180°+θ_r，P--电机极对数，T--采样周期。

在本发明中，通过位置信息求取转子的转速的运行控制方法，在电机台架和运营车辆中使用本方案的方法辨识电机速度，工作正常，辨识准确，能够准确实现无速度传感器控制。

进一步优选的，采集所述当前状态下永磁同步电机的瞬时线电压和相电流建立的模型包括：

式中，

x_k＝[i_a(k) i_b(k) i_c(k) ω_e(k) θ_k]^T，

z_k+1＝[i_a(k+1) i_b(k+1) i_c(k+1)]^T，

u_k＝[u_ab(k)-u_ac(k) u_bc(k)-u_ab(k) u_ca(k)-u_bc(k) T_L]^T，

T_s--采样时间，R--相电阻，K_e--反电动势系数，B--粘滞摩擦系数，L--电磁自感，M--电磁互感，J--转子转动惯量，T_L--负载转矩。

在本发明中，在电机进入高速运行阶段对于电机控制引用了最小偏度单形采样无迹卡尔曼滤波方法估算出电机的转速与位置，本发明中使用的控制算法计算量小并且估算精度高，从而精确地控制电机稳定、安全、可靠的运行。

一种永磁同步电机的控制系统，包括：电机状态获取模块，获取永磁同步电机当前的运行状态；电压信号输入模块，与所述电机状态获取模块电连接，根据所述电机状态获取模块获取到永磁同步电机当处于超低速运行，和/或，低速运行时，在当前工作状态下向永磁同步电机输入的高频电压信号；位置信息获取模块，与所述电压信号输入模块电连接，根据所述电压信号输入模块输入的所述高频电压信号获取永磁同步电机的转子位置信息；第一转速获取模块，与所述位置信息获取模块电连接，根据所述位置信息获取模块获取的转子位置信息获取永磁同步电机在当前状态下的转速；运行控制模块，分别与所述第一转速获取模块、电压信号输入模块电连接，根据所述转速获取模块获取到永磁同步电机的转速达到高速范围时，根据预设高转速分析方法控制永磁同步电机运行，当根据所述预设高转速分析方法判断当转速进入低速运行范围时，控制所述电压信号输入模块向永磁同步电机输入的高频电压信号。

在本发明中，采用不同的预设控制算法实现了对永磁同步电机的速度辨识以及控制其运行状态，同时根据不同速度自动切换相应控制算法；解决了现有技术中用机械式传感器获取永磁同步电机的转速时出现的速度传感器故障与损坏的问题。

进一步优选的，所述位置信息获取模块包括：电流幅值获取子模块，当根据所述电机状态获取模块获取永磁同步电机处于超低速运行时，在永磁同步电机的定子空间内的第一预设点和第二预设点获取电流幅值；第一位置信息获取子模块，与所述电流幅值获取子模块电连接，根据所述电流幅值获取子模块获取的所述第一预设点和所述第二预设点的所述电流幅值获取永磁同步电机转子的位置信息；所述第一预设点为ω_ht＝π/2，所述第二预设点为ω_ht＝2π/3；ω_h为转子角速度。

在本发明中，为了对电动汽车永磁同步电机的转子位置进行准确辨识，通过电机控制器在电机定子直轴和交轴注入高频电压信号，在超低速时，通过判断相位差180°的方法精确定位转子的极性，进一步检测定子电流来提取电机转子位置信息，节省硬件开销，算法简单可靠。

进一步优选的，所述位置信息获取模块包括：响应电流获取子模块，当根据所述电机状态获取模块获取永磁同步电机处于低速运行时，获取永磁同步电机定子的响应电流；电流滤波子模块，根据第一预设算法将所述响应电流获取子模块获取的永磁同步电机定子的响应电流进行变换滤波；所述第一预设算法为：其中，i_d'q'i”由分量i_q'i，i_d'i组成，ω_h为转子角速度，θ_r为转子位置角；第二位置信息获取子模块，根据所述电流滤波子模块滤波后的响应电流获取永磁同步电机转子的位置信息。

在本发明中，针对不同的转子转速，切换至不同的控制方法，使本发明的控制方法更加灵活多变，转速信息精确，通过对电流的滤波去除高频干扰波，使电机对干扰信号不会发生突变，从而控制电机在本速度段内稳定运行。

进一步优选的，所述运行控制模块包括：电源信息获取子模块，根据所述转速获取模块获取到永磁同步电机的转速达到高速范围时，利用电流传感器以及电压传感器采集当前状态下永磁同步电机的瞬时线电压和相电流；第三位置信息获取子模块，根据所述电源信息获取子模块获取的相电压和相电流通过第二预设算法获取永磁同步电机的位置信息；第二转速获取子模块，根据所述第三位置信息获取子模块获取的永磁同步电机的位置信息获取当前状态下的转速。

在本发明中，在电机进入高速运行阶段对于电机控制引用了最小偏度单形采样无迹卡尔曼滤波方法估算出电机的转速与位置，本发明中使用的控制算法计算量小并且估算精度高，从而精确地控制电机稳定、安全、可靠的运行。

进一步优选的，永磁同步电机定子的响应电流模型包括：

i_αβi--定子电流，θ_r--转子位置角，ω_h--转子角速度。

进一步优选的，永磁同步电机转子的位置模型包括：

进一步优选的，永磁同步电机转子的位置模型包括：

其中θ_R(k+1)--k+1时刻的位置角，θ_R(k)--k时刻的位置角，根据步骤S311判断的N值，N＝0时，θ_R＝θ_r；N＝1时，θ_R＝180°+θ_r，P--电机极对数，T--采样周期。

在本发明中，通过位置信息求取转子的转速的运行控制方法，在电机台架和运营车辆中使用本方案的方法辨识电机速度，工作正常，辨识准确，能够准确实现无速度传感器控制。

进一步优选的，采集所述当前状态下永磁同步电机的瞬时线电压和相电流建立的模型包括：

式中，

x_k＝[i_a(k) i_b(k) i_c(k) ω_e(k) θ_k]^T，

z_k+1＝[i_a(k+1) i_b(k+1) i_c(k+1)]^T，

u_k＝[u_ab(k)-u_ac(k) u_bc(k)-u_ab(k) u_ca(k)-u_bc(k) T_L]^T，

T_s--采样时间，R--相电阻，K_e--反电动势系数，B--粘滞摩擦系数，L--电磁自感，M--电磁互感，J--转子等效惯性，T_L--负载转矩。

在本发明中，在电机进入高速运行阶段对于电机控制引用了最小偏度单形采样无迹卡尔曼滤波方法估算出电机的转速与位置，本发明中使用的控制算法计算量小并且估算精度高，从而精确地控制电机稳定、安全、可靠的运行。

与现有技术相比，本发明提供一种永磁同步电机的控制方法及系统，至少带来以下一种技术效果：

1、现有技术中电机控制算法的扩展卡尔曼滤波方法是基于近似原系统的非线性方程的滤波器方法，大大降低了滤波器的估算精度，并且雅克比矩阵的复杂推导给系统的实现带来了极大的困难。本发明采用的无迹卡尔曼是一种以近似状态变量的概率分布的滤波器新方法，计算量小并且估算精度高。

2、现有技术中，电机的精确运转离不开速度传感器，但是机械式速度传感器容易出现故障甚至损坏，况且速度传感器的安转不仅增加了系统成本，也增加了系统的体；本发明电机中转子位置辨识算法，不仅可以获取转子初始位置，同时可以分别求得电机低速段和高速段的转子速度，此方案不用增加额外硬件，算法简单，对电机参数的变化不敏感，鲁棒性好。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种永磁同步电机的控制方法及系统特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明一种永磁同步电机的控制方法的一个实施例的流程图；

图2是本发明一种永磁同步电机的控制方法的另一个实施例的流程图；

图3是本发明一种永磁同步电机的控制方法的另一个实施例的流程图；

图4是本发明一种永磁同步电机的控制系统的一个实施例的结构图；

图5是本发明一种永磁同步电机的控制系统的另一个实施例的结构图；

图6是本发明一种永磁同步电机的一个相位图；

图7是本发明一种永磁同步电机的另一个相位图；

图8是本发明一种永磁同步电机的一个转速变换图；

图9是本发明一种永磁同步电机的一个转子位置图；

图10是本发明一种永磁同步电机的另一转速变换图；

图11是本发明一种永磁同步电机的另一个转子位置图。

具体实施方式

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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

本发明提供一种永磁同步电机的控制方法的一个实施例，包括：步骤S100获取永磁同步电机当前的运行状态；当处于超低速运行，和/或，低速运行时执行步骤S200；步骤S200在当前工作状态下向永磁同步电机输入的高频电压信号；步骤S300根据输入的所述高频电压信号获取永磁同步电机的转子位置信息；步骤S400根据所述转子位置信息获取永磁同步电机在当前状态下的转速；当所述转速达到高速范围时，切换至步骤S500；步骤S500根据预设高转速分析方法控制永磁同步电机运行，执行步骤S600；步骤S600根据所述预设高转速分析方法判断当转速进入低速运行范围时，切换永磁同步电机执行步骤S200。

具体的，参考图1所示；在本实施例中永磁同步电机在刚刚启动的过程中处于超低速状态，可以设置第一个阈值范围0<V_dang<V_D，表示处于超低速运行状态；设置第二个阈值范围V_D≤V_dang<V_G，当转速介于第一个阈值和第二阈值之间时，表示永磁同步电机处于低速运行；当永磁同步电机的转速大于第二个阈值时V_dang≥V_G，表示磁同步电机处于高速运行状态；根据不同的预设控制方法使永磁同步电机在不同的速度范围采用不同的速度辨识方法，实现自动切换；在三种状态下首先根据每种状态下的转子相对于定子的位置关系进一步获取到其转速，使永磁同步电机平稳可靠的运行。

在本发明中，采用不同的预设控制算法实现了对永磁同步电机的速度辨识以及控制其运行状态，同时根据不同速度自动切换相应控制算法；解决了现有技术中用机械式传感器获取永磁同步电机的转速时出现的速度传感器故障与损坏的问题。

优选的，所述步骤S300包括：当永磁同步电机处于超低速运行时，执行步骤S310；步骤S310在永磁同步电机的定子空间内的第一预设点和第二预设点获取电流幅值；步骤S311根据在所述第一预设点和所述第二预设点获取的所述电流幅值的永磁同步电机转子的位置信息。

具体的，本实施例以上述实施例为基础提供又一实施例，参考图2所示；当永磁同步电机在刚刚启动的过程中处于超低速状态，可以设置第一个阈值范围0<V_dang<V_D，表示处于超低速运行状态即接近与停止运行的状态；计算永磁同步电机转速通过转子的位置关系求取；(永磁同步电机控制中，为了能够得到类似直流电机的控制特性，在电机转子上建立了一个坐标系，此坐标系与转子同步转动，取转子磁场方向为d轴，垂直于转子磁场方向为q轴，将电机的数学模型转换到此坐标系下，可实现d轴和q轴的解耦，从而得到良好控制特性；)首先判断电机在超低速运行时转子N、S极性判断：假设在本实施例将电机定子矢量空间平均分为8个区间，每个空间45度，其中0～3区间为与电机定子d轴正方向一致的区间，4～7区间为与电机定子d轴正方向相差180°的区间。当电机静止时，在电机定子直轴注入高频电压信号u'_d＝U_mcosω_ht，若电机定子产生的磁势与d轴正方向一致时，由于永磁同步电机的磁场饱和效应，当ω_ht＝π/2时为第一预设点，磁路饱和，定子d轴电感变小，电流幅值较大，如图6中的I₁，当ω_ht＝2π/3时为第二预设点，磁路退饱和，定子d轴电感变大，电流幅值较小，如图6中的-I₂，故有|I₁|>|I₂|；反之，若电机定子产生的磁势与d轴正方向相差180°电角度时，有|I₁|<|I₂|，如图7所示，通过判断|I₁|与|I₂|的幅值的大小，便可知道转子N、S极性，从而确定了θ_r转子位置角。当记录的|I₁|<|I₂|，则设置标志位N＝1；当记录的|I₁|>|I₂|，则设置标志位N＝0。

在本发明中，为了对电动汽车永磁同步电机的转子位置进行准确辨识，通过电机控制器在电机定子直轴和交轴注入高频电压信号，在超低速时，通过判断相位差180°的方法精确定位转子的极性，进一步检测定子电流来提取电机转子位置信息，节省硬件开销，算法简单可靠。

优选的，所述步骤S300包括：当永磁同步电机处于低速运行时，执行步骤S320；步骤S320获取永磁同步电机定子的响应电流；步骤S321根据第一预设算法将所述响应电流进行变换滤波；步骤S322根据滤波后的所述响应电流获取永磁同步电机转子的位置信息。

具体的，本实施例以上述实施例为基础提供又一实施例，参考图2所示；当转速介于第一个阈值和第二阈值之间时即V_D≤V_dang<V_G，也可以将电机设置为电机转速小于2000rpm时；表示永磁同步电机处于低速运行，在电机定子d直轴与q交轴同时注入高频电压信号：

u'_d＝U_mcosω_ht，u'_q＝U_msinω_ht，θ_r为转子位置角，则定子电流响应为：

进一步变换为：

i_αβi--定子电流，θ_r--转子位置角，ω_h--转子角速度。

将定子电流i_αβi变换到以ω_h为角速度的同步旋转坐标轴中即为：

采用高通滤波器滤掉直流项，得到：

再将其变换到以-2ω_h为角速度的同步旋转坐标轴中，得到：

其中i_d'q'i”由分量i_q'i，i_d'i组成；进一步将得到的电流滤除噪声后求反正切，即可求得转子位置角：根据步骤S311判断的N值，N＝0时，θ_R＝θ_r；N＝1时，θ_R＝180°+θ_r。在本实施例中求取的θ_R为永磁同步电机转子的转速处于V_D≤V_dang<V_G时的位置信息。在本发明中，针对不同的转子转速，切换至不同的控制方法，使本发明的控制方法更加灵活多变，转速信息精确，通过对电流的滤波去除高频干扰波，使电机对干扰信号不会发生突变，从而控制电机在本速度段内稳定运行。

优选的，所述步骤S500包括：步骤S510采集所述当前状态下永磁同步电机的瞬时线电压和相电流；步骤S520根据步骤S510获取相电压和相电流通过第二预设算法获取永磁同步电机的位置信息；步骤S530根据所述第二预设算法获取的永磁同步电机的位置信息获取当前状态下的转速。

具体的，本实施例以上述实施例为基础提供又一实施例，参考图3所示；本实施例中通过上一实施例获取的永磁同步电机的转速V_dang≥V_G，超过设置的2000rpm时，表示永磁同步电机处于高速运行，电机的控制系统自动检测后利用电流传感器和电压传感器获取当前状态的线电压和相电流，根据电机系统的离散化方程建模为：

进一步地，上式可以被写成符合无迹卡尔曼滤波器的形式，采集所述当前状态下永磁同步电机的瞬时线电压和相电流建立的模型包括；

进一步式中，

x_k＝[i_a(k) i_b(k) i_c(k) ω_e(k) θ_k]^T，

z_k+1＝[i_a(k+1) i_b(k+1) i_c(k+1)]^T，

u_k＝[u_ab(k)-u_ac(k) u_bc(k)-u_ab(k) u_ca(k)-u_bc(k) T_L]^T，

所述高速算法的流程包括：假设初始状态变量值x₀和噪声ω_k、v_k是相互独立的，并且初始状态符合下列统计特性

在时间更新时对每个Sigma点进行非线性变换

计算预测状态值

计算误差协方差阵

在测量参数更新时：自协方差阵和互协方差阵仍旧是必须的，因为此处和经典的卡尔曼滤波是很相似的；

按下面方法重新计算Sigma点

由上面的Sigma点，通过量测方程计算出量测向量的预测值

计算预测值的均值

预测值的自协方差阵

互协方差阵

最后，进行滤波量测更新：

在本发明中，在电机进入高速运行阶段对于电机控制引用了最小偏度单形采样无迹卡尔曼滤波方法估算出电机的转速与位置，本发明中使用的控制算法计算量小并且估算精度高，从而精确地控制电机稳定、安全、可靠的运行。

优选的，永磁同步电机转子的位置模型包括：

其中θ_R(k+1)--k+1时刻的位置角，θ_R(k)--k时刻的位置角，根据步骤S311判断的N值，N＝0时，θ_R＝θ_r；N＝1时，θ_R＝180°+θ_r，P--电机极对数，T--采样周期。

具体的，本实施例以上一实施例的基础提供又一实施例，参考图6和7所示；在上述实施例中求得在不同速度状态下的转子的位置信息θ_r，当记录的|I₁|<|I₂|，则设置标志位N＝1；当记录的|I₁|>|I₂|，则设置标志位N＝0。根据转子的位置信息求取转速，从而实现对电机的控制。

在本发明中，通过位置信息求取转子的转速的运行控制方法，在电机台架和运营车辆中使用本方案的方法辨识电机速度，工作正常，辨识准确，能够准确实现无速度传感器控制。

本发明还提供了一种永磁同步电机的控制方法的另一实施例，参考图3所示；包括：步骤S100获取永磁同步电机当前的运行状态；当处于超低速运行，和/或，低速运行时执行步骤S200；步骤S200在当前工作状态下向永磁同步电机输入的高频电压信号；步骤S300根据输入的所述高频电压信号获取永磁同步电机的转子位置信息；当永磁同步电机处于超低速运行时，执行步骤S310步骤S310在永磁同步电机的定子空间内的第一预设点和第二预设点获取电流幅值；步骤S311根据在所述第一预设点和所述第二预设点获取的所述电流幅值，得到永磁同步电机转子的位置信息；当永磁同步电机处于低速运行时，执行步骤S320；步骤S320获取永磁同步电机定子的响应电流；永磁同步电机定子的响应电流模型包括：

步骤S321根据第一预设算法将所述响应电流进行变换滤波；步骤S322根据滤波后的所述响应电流获取永磁同步电机转子的位置信息；永磁同步电机转子的位置模型包括：

i_d′i--直轴电流，i_q′i--交轴电流；

步骤S400根据所述转子位置信息获取永磁同步电机在当前状态下的转速；永磁同步电机转子的转速模型包括：

其中，θ_R(k+1)--k+1时刻的位置角，θ_R(k)--k时刻的位置角，根据步骤S311判断的N值，N＝0时，θ_R＝θ_r；N＝1时，θ_R＝180°+θ_r，P--电机极对数，T--采样周期。当所述转速达到高速范围时，切换至步骤S500；步骤S500根据预设高转速分析方法控制永磁同步电机运行，执行步骤S600；步骤S510采集所述当前状态下永磁同步电机的瞬时线电压和相电流；步骤S520根据步骤S510获取相电压和相电流通过第二预设算法获取永磁同步电机的位置信息；步骤S530根据所述第二预设算法获取的永磁同步电机的位置信息获取当前状态下的转速；采集所述当前状态下永磁同步电机的瞬时线电压和相电流建立的模型包括：

式中，

x_k＝[i_a(k) i_b(k) i_c(k) ω_e(k) θ_k]^T，

z_k+1＝[i_a(k+1) i_b(k+1) i_c(k+1)]^T，

u_k＝[u_ab(k)-u_ac(k) u_bc(k)-u_ab(k) u_ca(k)-u_bc(k) T_L]^T，

T_s--采样时间，R--相电阻，K_e--反电动势系数，B--粘滞摩擦系数，L--电磁自感，M--电磁互感，J--转子转动惯量，T_L--负载转矩。

在本发明中，通过进行电机转子位置辨识，不仅可以获取转子初始位置，同时可以分别求得电机低速段和高速段的转子速度，此方案不用增加额外硬件，算法简单，对电机参数的变化不敏感，鲁棒性好。

本发明提供一种永磁同步电机的控制系统，包括：电机状态获取模块100，获取永磁同步电机当前的运行状态；电压信号输入模块200，与所述电机状态获取模块100电连接，根据所述电机状态获取模块100获取到永磁同步电机当处于超低速运行，和/或，低速运行时，在当前工作状态下向永磁同步电机输入高频电压信号；位置信息获取模块300，与所述电压信号输入模块200电连接，根据所述电压信号输入模块200输入的所述高频电压信号获取永磁同步电机的转子位置信息；第一转速获取模块400，与所述位置信息获取模块300电连接，根据所述位置信息获取模块300获取的转子位置信息获取永磁同步电机在当前状态下的转速；运行控制模块500，分别与所述第一转速获取模块400、电压信号输入模块200电连接，根据所述第一转速获取模块400获取到永磁同步电机的转速达到高速范围时，根据预设高转速分析方法控制永磁同步电机运行，当根据所述预设高转速分析方法判断当转速进入低速运行范围时，控制所述电压信号输入模块200向永磁同步电机输入的高频电压信号。

具体的，参考图4所示；本实施例以上述实施例为基础提供又一实施例，在本实施例中永磁同步电机在刚刚启动的过程中处于超低速状态，可以设置第一个阈值范围0<V_dang<V_D，表示处于超低速运行状态；设置第二个阈值范围V_D≤V_dang<V_G，当永转速介于第一个阈值和第二阈值之间时，表示永磁同步电机处于低速运行；当永磁同步电机的转速大于第二个阈值时V_dang≥V_G，表示磁同步电机处于高速运行状态；根据不同的预算控制方法使永磁同步电机在不同的速度范围采用不同的速度辨识方法，实现自动切换；在三种状态下首先根据每种状态下的转子相对于定子的位置关系进一步获取到其转速，使永磁同步电机平稳可靠的运行。

在本发明中，采用不同的预设控制算法实现了对永磁同步电机的速度辨识以及控制其运行状态，同时根据不同速度自动切换相应控制算法；解决了现有技术中用机械式传感器获取永磁同步电机的转速时出现的速度传感器故障与损坏的问题。

优选的，所述位置信息获取模块300包括：电流幅值获取子模块310，当根据所述电机状态获取模块100获取永磁同步电机处于超低速运行时，在永磁同步电机的定子空间内的第一预设点和第二预设点获取电流幅值；第一位置信息获取子模块311，与所述电流幅值获取子模块310电连接，根据所述电流幅值获取子模块310获取的所述第一预设点和所述第二预设点的所述电流幅值获取永磁同步电机转子的位置信息。

具体的，本实施例以上述实施例为基础提供又一实施例，参考图5所示；当永磁同步电机在刚刚启动的过程中处于超低速状态，可以设置第一个阈值范围0<V_dang<V_D，表示处于超低速运行状态即接近与停止运行的状态；计算永磁同步电机转速通过转子的位置关系求取；(永磁同步电机控制中，为了能够得到类似直流电机的控制特性，在电机转子上建立了一个坐标系，此坐标系与转子同步转动，取转子磁场方向为d轴，垂直于转子磁场方向为q轴，将电机的数学模型转换到此坐标系下，可实现d轴和q轴的解耦，从而得到良好控制特性；)首先判断电机在超低速运行时转子N、S极性判断：假设在本实施例将电机定子矢量空间平均分为8个区间，每个空间45度，其中0～3区间为与电机定子d轴正方向一致的区间，4～7区间为与电机定子d轴正方向相差180°的区间。当电机静止时，在电机定子直轴注入高频电压信号u'_d＝U_mcosω_ht，若电机定子产生的磁势与d轴正方向一致时，由于永磁同步电机的磁场饱和效应，当ω_ht＝π/2时为第一预设点，磁路饱和，定子d轴电感变小，电流幅值较大，如图6中的I₁，当ω_ht＝2π/3时为第二预设点，磁路退饱和，定子d轴电感变大，电流幅值较小，如图6中的-I₂，故有|I₁|>|I₂|；反之，若电机定子产生的磁势与d轴正方向相差180°电角度时，有|I₁|<|I₂|，如图7所示，通过判断|I₁|与|I₂|的幅值的大小，便可知道转子N、S极性，从而确定了θ_r转子位置角。当记录的|I₁|<|I₂|，则设置标志位N＝1；当记录的|I₁|>|I₂|，则设置标志位N＝0。

在本发明中，为了对电动汽车永磁同步电机的转子位置进行准确辨识，通过电机控制器在电机定子直轴和交轴注入高频电压信号，在超低速时，通过判断相位差180°的方法精确定位转子的极性，进一步检测定子电流来提取电机转子位置信息，节省硬件开销，算法简单可靠。

优选的，所述位置信息获取模块300包括：响应电流获取子模块320，当根据所述电机状态获取模块100获取永磁同步电机处于低速运行时，获取永磁同步电机定子的响应电流；电流滤波子模块321，根据第一预设算法将所述响应电流获取子模块320获取的永磁同步电机定子的响应电流进行变换滤波；第二位置信息获取子模块3322，根据所述电流滤波子模块321滤波后的响应电流获取永磁同步电机转子的位置信息。

具体的，本实施例以上述实施例为基础提供又一实施例，参考图5所示；当永转速介于第一个阈值和第二阈值之间时即V_D≤V_dang<V_G，也可以将电机设置为电机转速小于2000rpm时；表示永磁同步电机处于低速运行，在电机定子d直轴与q交轴同时注入高频电压信号：

u'_d＝U_mcosω_ht，u'_q＝U_msinω_ht，θ_r为转子位置角，则定子电流响应为：

进一步变换为：

将定子电流i_αβi变换到以ω_h为角速度的同步旋转坐标轴中即为：

采用高通滤波器滤掉直流项，得到：

再将其变换到以-2ω_h为角速度的同步旋转坐标轴中，得到：

其中i_d'q'i”由分量i_q'i，i_d'i组成；进一步将得到的电流滤除噪声后求反正切，即可求得转子位置角：根据步骤S311判断的N值，N＝0时，θ_R＝θ_r；N＝1时，θ_R＝180°+θ_r。在本实施例中求取的θ_R为永磁同步电机转子的转速处于V_D≤V_dang<V_G时的位置信息。

在本发明中，针对不同的转子转速，切换至不同的控制方法，使本发明的控制方法更加灵活多变，转速信息精确，通过对电流的滤波去除高频干扰波，使电机对干扰信号不会发生突变，从而控制电机在本速度段内稳定运行。

优选的，所述运行控制模块500包括：电源信息获取子模块510，根据所述转速获取模块400获取到永磁同步电机的转速达到高速范围时，利用电流传感器以及电压传感器采集当前状态下永磁同步电机的瞬时线电压和相电流；第三位置信息获取子模块520，根据所述电源信息获取子模块510获取的相电压和相电流通过第二预设算法获取永磁同步电机的位置信息；第二转速获取子模块S530，根据所述第三位置信息获取子模块520获取的永磁同步电机的位置信息获取当前状态下的转速。

具体的，本实施例以上述实施例为基础提供又一实施例，参考图5所示；本实施例中通过上一实施例获取的永磁同步电机的转速V_dang≥V_G，超过设置的2000rpm时，表示永磁同步电机处于高速运行，电机的控制系统自动检测后利用电流传感器和电压传感器获取当前状态的线电压和相电流，根据电机系统的离散化方程建模为：

进一步地，上式可以被写成符合无迹卡尔曼滤波器的形式，采集所述当前状态下永磁同步电机的瞬时线电压和相电流建立的模型包括；

进一步式中，

x_k＝[i_a(k) i_b(k) i_c(k) ω_e(k) θ_k]^T，

z_k+1＝[i_a(k+1) i_b(k+1) i_c(k+1)]^T，

u_k＝[u_ab(k)-u_ac(k) u_bc(k)-u_ab(k) u_ca(k)-u_bc(k) T_L]^T，

T_s--采样时间，R--相电阻，K_e--反电动势系数，B--粘滞摩擦系数，L--电磁自感，M--电磁互感，J--转子转动惯量，T_L--负载转矩。

所述高速算法的流程包括：假设初始状态变量值x₀和噪声ω_k、v_k是相互独立的，并且初始状态符合下列统计特性

在时间更新时对每个Sigma点进行非线性变换

计算预测状态值

计算误差协方差阵

在测量参数更新时：自协方差阵和互协方差阵仍旧是必须的，因为此处和经典的卡尔曼滤波是很相似的；

按下面方法重新计算Sigma点

由上面的Sigma点，通过量测方程计算出量测向量的预测值

计算预测值的均值

预测值的自协方差阵

互协方差阵

最后，进行滤波量测更新：

在本发明中，在电机进入高速运行阶段对于电机控制引用了最小偏度单形采样无迹卡尔曼滤波方法估算出电机的转速与位置，本发明中使用的控制算法计算量小并且估算精度高，从而精确地控制电机稳定、安全、可靠的运行。

优选的，永磁同步电机转子的位置模型包括：

其中θ_R(k+1)--k+1时刻的位置角，θ_R(k)--k时刻的位置角，根据步骤S311判断的N值，N＝0时，θ_R＝θ_r；N＝1时，θ_R＝180°+θ_r，P--电机极对数，T--采样周期。

具体的，本实施例以上一实施例的基础提供又一实施例，参考图6和图7所示；在上述实施例中求得在不同速度状态下的转子的位置信息θ_r，当记录的|I₁|<|I₂|，则设置标志位N＝1；当记录的|I₁|>|I₂|，则设置标志位N＝0。根据转子的位置信息求取转速，从而实现对电机的控制。

根据本发明的提供的技术特征的算法，参考图8永磁同步电机速度突变时算法估计速度的性能；参考图9永磁同步电机速度突变时实际转子位置和估计转子位置的误差；参考图10永磁同步电机负载突变时算法估计速度的性能；参考图11永磁同步电机负载突变时实际转子位置和估计转子位置的误差。不管是参考速度突变还是负载转矩突变，永磁同步电机的电流和转矩都有一个很好的动态性能，使电机稳定的运行。

在本发明中，通过位置信息求取转子的转速的运行控制方法，在电机台架和运营车辆中使用本方案的方法辨识电机速度，工作正常，辨识准确，能够准确实现无速度传感器控制。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种永磁同步电机的控制方法，其特征在于，包括：

步骤S100获取永磁同步电机当前的运行状态；

当处于超低速运行，和/或，低速运行时执行步骤S200；

步骤S200在当前工作状态下向永磁同步电机输入的高频电压信号；

步骤S300根据输入的所述高频电压信号获取永磁同步电机的转子位置信息；

步骤S400根据所述转子位置信息获取永磁同步电机在当前状态下的转速；

当所述转速达到高速范围时，切换至步骤S500；

步骤S500根据预设高转速分析方法控制永磁同步电机运行，执行步骤S600；

步骤S600根据所述预设高转速分析方法判断当转速进入低速运行范围时，切换永磁同步电机执行步骤S200；

所述步骤S500包括：步骤S510采集所述当前状态下永磁同步电机的瞬时线电压和相电流；

步骤S520根据步骤S510获取相电压和相电流通过第二预设算法获取永磁同步电机的位置信息；所述第二预设算法为最小偏度单形采样无迹卡尔曼滤波方法；

步骤S530根据所述第二预设算法获取的永磁同步电机的位置信息获取当前状态下的转速；

采集所述当前状态下永磁同步电机的瞬时相电压和相电流建立的模型包括：

式中，

x_k＝[i_a(k) i_b(k) i_c(k) ω_e(k) θ_k]^T，

z_k+1＝[i_a(k+1) i_b(k+1) i_c(k+1)]^T，

u_k＝[u_ab(k)-u_ac(k) u_bc(k)-u_ab(k) u_ca(k)-u_bc(k) T_L]^T，

T_s--采样时间，R--相电阻，K_e--反电动势系数，B_g--粘滞摩擦系数，L--电磁自感，M--电磁互感，J--转子转动惯量，T_L--负载转矩。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述步骤S300包括：

当永磁同步电机处于超低速运行时，执行步骤S310

步骤S310在永磁同步电机的定子空间内的第一预设点和第二预设点获取电流幅值；

步骤S311根据在所述第一预设点和所述第二预设点获取的所述电流幅值，得到永磁同步电机转子的位置信息；所述第一预设点为ω_ht＝π/2，所述第二预设点为ω_ht＝2π/3；ω_h为转子角速度；

当电机静止时，在电机定子直轴注入高频电压信号u'_d＝U_mcosω_ht，若电机定子产生的磁势与d轴正方向一致时，由于永磁同步电机的磁场饱和效应，当ω_ht＝π/2时为第一预设点，磁路饱和，定子d轴电感变小，电流I₁幅值较大，当ω_ht＝2π/3时为第二预设点，磁路退饱和，定子d轴电感变大，电流-I₂幅值较小，故有|I₁|>|I₂|；反之，若电机定子产生的磁势与d轴正方向相差180°电角度时，有|I₁|<|I₂|；当记录的|I₁|<|I₂|，则设置标志位N＝1；当记录的|I₁|>|I₂|，则设置标志位N＝0。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，所述步骤S300包括：

当永磁同步电机处于低速运行时，执行步骤S320；

步骤S320获取永磁同步电机定子的响应电流；

步骤S321根据第一预设算法将所述响应电流进行变换滤波；所述第一预设算法为：

再将其变换到角速度的同步旋转坐标轴中，得到：

其中，i_d'q'i”由分量i_q'i，i_d'i组成，ω_h为转子角速度，θ_r为转子位置角；

步骤S322根据滤波后的所述响应电流获取永磁同步电机转子的位置信息。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，永磁同步电机定子的响应电流模型包括：

i_αβi--定子电流，θ_r--转子位置角，ω_h--转子角速度。

5.根据权利要求3所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，永磁同步电机转子的位置模型包括：

i_d′i--直轴电流，i_q′i--交轴电流。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机的控制方法，其特征在于，永磁同步电机转子的转速模型包括：

其中θ_R(k+1)--k+1时刻的位置角，θ_R(k)--k时刻的位置角，根据步骤S311判断的N值，N＝0时，θ_R＝θ_r；N＝1时，θ_R＝180°+θ_r，P--电机极对数，T--采样周期。

7.一种永磁同步电机的控制系统，其特征在于，包括：

电机状态获取模块，获取永磁同步电机当前的运行状态；

电压信号输入模块，与所述电机状态获取模块电连接，根据所述电机状态获取模块获取到永磁同步电机当处于超低速运行，和/或，低速运行时，在当前工作状态下向永磁同步电机输入高频电压信号；

位置信息获取模块，与所述电压信号输入模块电连接，根据所述电压信号输入模块输入的所述高频电压信号获取永磁同步电机的转子位置信息；

第一转速获取模块，与所述位置信息获取模块电连接，根据所述位置信息获取模块获取的转子位置信息获取永磁同步电机在当前状态下的转速；

运行控制模块，分别与所述第一转速获取模块、所述电压信号输入模块电连接，根据所述第一转速获取模块获取到永磁同步电机的转速达到高速范围时，根据预设高转速分析方法控制永磁同步电机运行，当根据所述预设高转速分析方法判断当转速进入低速运行范围时，控制所述电压信号输入模块向永磁同步电机输入的高频电压信号；

所述运行控制模块包括：

电源信息获取子模块，根据所述转速获取模块获取到永磁同步电机的转速达到高速范围时，利用电流传感器以及电压传感器采集当前状态下永磁同步电机的瞬时相电压和相电流；

第三位置信息获取子模块，根据所述电源信息获取子模块获取的相电压和相电流通过第二预设算法获取永磁同步电机的位置信息；所述第二预设算法为最小偏度单形采样无迹卡尔曼滤波方法；

第二转速获取子模块，根据所述第三位置信息获取子模块获取的永磁同步电机的位置信息获取当前状态下的转速；

根据所述第二预设算法获取永磁同步电机的位置信息的模型包括：

式中，

x_k＝[i_a(k) i_b(k) i_c(k) ω_e(k) θ_k]^T，

z_k+1＝[i_a(k+1) i_b(k+1) i_c(k+1)]^T，

u_k＝[u_ab(k)-u_ca(k) u_bc(k)-u_ab(k) u_ca(k)-u_bc(k) T_L]^T，

T_s--采样时间，R--相电阻，K_e--反电动势系数，B--粘滞摩擦系数，L--电磁自感，M--电磁互感，J--转子转动惯量，T_L--负载转矩。

8.根据权利要求7所述的永磁同步电机的控制系统，其特征在于，所述位置信息获取模块包括：

电流幅值获取子模块，当根据所述电机状态获取模块获取永磁同步电机处于超低速运行时，在永磁同步电机的定子空间内的第一预设点和第二预设点获取电流幅值；

第一位置信息获取子模块，与所述电流幅值获取子模块电连接，根据所述电流幅值获取子模块获取的所述第一预设点和所述第二预设点的所述电流幅值获取永磁同步电机转子的位置信息；所述第一预设点为ω_ht＝π/2，所述第二预设点为ω_ht＝2π/3；ω_h为转子角速度；

当电机静止时，在电机定子直轴注入高频电压信号u'_d＝U_mcosω_ht，若电机定子产生的磁势与d轴正方向一致时，由于永磁同步电机的磁场饱和效应，当ω_ht＝π/2时为第一预设点，磁路饱和，定子d轴电感变小，电流I₁幅值较大，当ω_ht＝2π/3时为第二预设点，磁路退饱和，定子d轴电感变大，电流-I₂幅值较小，故有|I₁|>|I₂|；反之，若电机定子产生的磁势与d轴正方向相差180°电角度时，有|I₁|<|I₂|；当记录的|I₁|<|I₂|，则设置标志位N＝1；当记录的|I₁|>|I₂|，则设置标志位N＝0。

9.根据权利要求8所述的永磁同步电机的控制系统，其特征在于，所述位置信息获取模块包括：

响应电流获取子模块，当根据所述电机状态获取模块获取永磁同步电机处于低速运行时，获取永磁同步电机定子的响应电流；

电流滤波子模块，根据第一预设算法将所述响应电流获取子模块获取的永磁同步电机定子的响应电流进行变换滤波；所述第一预设算法为：

再将其变换到角速度的同步旋转坐标轴中，得到：

其中，i_d'q'i”由分量i_q'i，i_d'i组成，ω_h为转子角速度，θ_r为转子位置角；

第二位置信息获取子模块，根据所述电流滤波子模块滤波后的响应电流获取永磁同步电机转子的位置信息。

10.根据权利要求9所述的永磁同步电机的控制系统，其特征在于，永磁同步电机定子的响应电流模型包括：

i_αβi--定子电流，θ_r--转子位置角，ω_h--转子角速度。

11.根据权利要求9所述的永磁同步电机的控制系统，其特征在于，永磁同步电机转子的位置模型包括：

i_d′i--直轴电流，i_q′i--交轴电流。

12.根据权利要求9所述的永磁同步电机的控制系统，其特征在于，永磁同步电机转子的转速模型包括：

其中θ_R(k+1)--k+1时刻的位置角，θ_R(k)--k时刻的位置角，根据第一位置信息获取子模块判断的N值，N＝0时，θ_R＝θ_r；N＝1时，θ_R＝180°+θ_r，P--电机极对数，T--采样周期。