CN107171610B - 转子位置估计方法、转子位置估计装置及电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种转子位置估计方法、转子位置估计装置及电机，转子位置估计方法包括：获取第一相电流和第二相电流；获取第一相电压和第二相电压；获取速度参考值；计算第一反电势和第二反电势；对第一反电势和第二反电势积分处理获得第一磁链和第二磁链；通过高通滤波器处理第一磁链和第二磁链获得第三磁链和第四磁链；通过第三磁链和第四磁链计算出转子磁链第一分量和转子磁链第二分量；根据转子磁链第一分量和转子磁链第二分量计算转子位置角；根据转子磁链第一分量和转子磁链第二分量计算转子速度。本发明提供的转子位置估计方法改善了相位角偏移、对参数敏感、弱磁区域工作不佳等问题，提高了效率和准确度。

Description

转子位置估计方法、转子位置估计装置及电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体而言，涉及一种转子位置估计方法、转子位置估计装置及电机。

背景技术

近年来，许多学者提出各种无速度传感器控制方法，通常将其分为两类，一类基于电机的基频数学模型，由于其依赖电机参数，更适用于中高速的场合；另一类基于电机的凸极效应，采用谐波注入等方法进行提取，能运行于低速(零速)。采用基频数学模型的开环磁链法、模型参考自适应、观测器、卡尔曼滤波器等由于不需要利用电机的凸极效应，使其应用更为广泛。在这当中，开环磁链法控制可靠，收敛快速，实现也最为简单。

但常规的开环磁链法主要存在如下几个问题，一是积分初值问题，二是抗参数扰动和信号干扰能力弱，三是弱磁区域工作不佳。相关技术中，常采用积分加高通滤波的方式，或者采用一阶惯性环节替代积分器，同时利用高通环节分别对磁链在坐标系的两个分量进行幅频特性的补偿。第一种方法加剧了系统对电机参数和系统噪声的敏感性，而对于第二种方法，单一的补偿参数无法适应整个频带，尤其是弱磁区域。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本发明的第一方面的实施例提出了一种转子位置估计方法。

本发明的第二方面的实施例提出了一种转子位置估计装置。

本发明的第三方面的实施例提出了一种电机。

有鉴于此，根据本发明的第一方面的实施例，本发明提出了一种转子位置估计方法，用于电机，包括：获取电机的第一相电流和第二相电流；获取电机的第一相电压和第二相电压；获取电机的速度参考值；通过第一相电流、第二相电流、第一相电压、第二相电压、速度参考值及电机参数分别计算出第一反电势和第二反电势；通过第一低通滤波器分别对第一反电势和第二反电势积分处理并获得第一磁链和第二磁链；通过高通滤波器处理第一磁链和第二磁链，获得第三磁链和第四磁链，其中，高通滤波器的超前角等于低通滤波器的超前角；通过第三磁链和第四磁链分别计算出转子磁链第一分量和转子磁链第二分量；根据转子磁链第一分量和转子磁链第二分量计算转子位置角；根据转子磁链第一分量和转子磁链第二分量计算转子速度。

本发明提供的转子位置估计方法，首先采用低通滤波加相位补偿环节替代积分器(纯物理积分)用于根据反电势计算磁链，解决积分初值问题；其次，实时调整用于幅频补偿的高通滤波器的输入磁链限幅值，调整的依据是反电势和磁链的正交性，据此改善其对参数的敏感性和弱磁区域工作不佳的问题；最后，根据估计的转子磁链的两个分量计算转子位置角度和转速。通过上述的过程，改善了以往开环磁链积分方法带来的相位角偏移、对参数敏感、弱磁区域工作不佳等问题，提高了估计转子位置角度和转速的效率和准确度，同时能够实现较大速度范围内的高精度转子位置估计，并对电机参数变化和扰动表现出一定的鲁棒性。

其中，电机的第一相电流记作i_α，第二相电流记作i_β，第一相电压记作u_α，第二相电压记作u_β，速度参考值记作ω_ref。其中可先采集得到电机相电流，并进行PARK变换(派克变换)到两相静止坐标系下的量得到第一相电流i_α和第二相电流i_β；可通过矢量控制器SVPWM(空间矢量脉宽调制)的开关信号重构出第一相电压u_α和第二相电压u_β，速度参考值ω_ref可由用户设定或预设的算法得到。第一反电势和第二反电势分别记作e_α和e_β。第一磁链、第二磁链、第三磁链和第四磁链均为电机的定子的磁链，并分别记作Ψ’_sα、Ψ’_sβ、Ψ_sα，Ψ_sβ，其中的第三磁链和第四磁链分别为第一磁链和第二磁链补偿后的结果。转子磁链第一分量和转子磁链第二分量分别记作Ψ_rα，Ψ_rβ。转子位置角记作

且

该转子位置角可直接用作矢量控制定向角的输入。转子速度记作

且

其中的|ψ_r|表示转子磁链第一分量和转子磁链第二分量相加所得的向量的模，而采用该式计算角度相对采用角度微分进行计算有更小的量化误差。

另外，本发明提供的上述实施例中的转子位置估计方法还可以具有如下附加技术特征：

在上述技术方案中，优选地，高通滤波器的输入为电机的定子的磁链限幅后的上一计算周期的定子的磁链值(分别记作

和

)。

在该技术方案中，通过选取合适的高通滤波器的输入，获得更准确的第三磁链和第四磁链，进而提升估计转子位置角度和转速的效率和准确度。

在上述任一技术方案中，优选地，定子的磁链的限幅值的计算过程包括：计算第一反电势、第二反电势、第三磁链和第四磁链的归一化和积；将归一化和积输入第二低通滤波器，获得输出值；将第二低通滤波器的输出值乘以定子的磁链的额定值(记作|ψ_s|_rated)以进行反归一处理并将计算结果记为动态调整分量(记作ΔΨ)；将动态调整分量与定子的磁链的额定值相加，获得定子的磁链的限幅值。

在该技术方案中，通过上述步骤确定定子的磁链的限幅值，可用于更新当前所需的磁链限幅值，提升估计转子位置角度和转速的效率和准确度。同时，定子的磁链的限幅值可根据反电势和磁链的夹角动态调整。同时，可以通过合理设计第二低通滤波器的时间常数，使第二低通滤波器的输出反映上述的归一化和积的直流分量。定子的磁链的限幅值是一个实时计算的变量，以实现更精准的幅频补偿效果。其中的反归一处理用于调整增益，使第二低通滤波器的输出和磁链幅值在同一维度。

其中，计算第一反电势、第二反电势和定子磁链的归一化和积的公式为(e_αψ_sα+e_βψ_sβ)/|e||ψ_s|，其中的|e|为第一反电势e_α和第二反电势e_β相加所得的向量的模，|ψ_s|为第三磁链Ψ_sα和第四磁链Ψ_sβ相加所得的向量的模。

在上述任一技术方案中，优选地，电机参数包括电机的定子电阻、直轴电感、交轴电感。

在该技术方案中，电机参数包括电机的定子电阻、直轴电感、交轴电感，可通过上述的电机参数与第一相电流、第二相电流、第一相电压、第二相电压及速度参考值等参数计算反电势，以便后续获取磁链和估计转子位置角度和转速。

其中，定子电阻、直轴电感、交轴电感分别记作R_s,L_d,L_q，在本发明中，计算反电势的公式为：

e_α＝u_α-R_si_α-ω_ref(L_d-L_q)i_β

e_β＝u_β-R_si_β+ω_ref(L_d-L_q)i_α

通过上述的公式可以分别计算出第一反电势e_α和第二反电势e_β。

在上述任一技术方案中，优选地，通过第三磁链和第四磁链分别计算出转子磁链第一分量和转子磁链第二分量计算过程包括：第三磁链减去直轴电感与交轴电感的平均值与第一相电流的乘积，得到转子磁链第一分量；第四磁链减去直轴电感与交轴电感的平均值与第二相电流的乘积，得到转子磁链第二分量。

在该技术方案中，通过上述步骤获取转子磁链第一分量和转子磁链第二分量，这样提升了磁链第一分量和转子磁链第二分量准确性，进而提高了估计转子位置角度和转速的效率和准确度。

其中，计算转子磁链第一分量Ψ_rα和转子磁链第二分量Ψ_rβ的公式分别为Ψ_rα＝Ψ_sα-L_s i_α、Ψ_rβ＝Ψ_sβ-L_s i_β，其中，L_s为直轴电感和交轴电感的平均值。

在上述任一技术方案中，采用了对磁链空间矢量幅值综合限制，而不是对其分量(α和β方向上的分量)单独限幅。磁链限幅阈值的选择初始为磁链空间矢量的幅值。同时计算过程中还利用反电势和磁链的正交性。如果系统收敛，则反电势和磁链呈90度角，其余弦为零。据此调整磁链的限幅值，则可消除涵盖电机参数在内的影响，大大提高了其抗参数扰动的能力。

综上，本发明中计算磁链与真实磁链无相位差，通过低通滤波器替代积分器，并用高通滤波器进行幅频补偿，且补偿的幅频特性动态调整，不引入磁链相位的偏差；抗电机参数扰动，动态地对磁链的空间矢量幅值进行整体的限幅，并利用反电势输入和磁链输出设计闭环，可消除电机参数对定子磁链计算模块的影响，减轻该类方法对电机参数的依赖性；并能工作在弱磁区域，本发明中磁链限幅值为额定值叠加一调整量，以逼近磁链的真实值，由于该动态限幅调整单元的加入，在弱磁的状态下也能够正常快速地收敛。

本发明还提出了一种转子位置估计装置，用于电机，转子位置估计装置包括：获取单元，用于获取电机的第一相电流和第二相电流；获取单元还用于获取电机的第一相电压和第二相电压；获取单元还用于获取电机的速度参考值；计算单元，用于通过第一相电流、第二相电流、第一相电压、第二相电压、速度参考值及电机参数分别计算出第一反电势和第二反电势；计算单元还用于通过第一低通滤波器分别对第一反电势和第二反电势积分处理并获得第一磁链和第二磁链；处理单元，用于通过高通滤波器处理第一磁链和第二磁链，获得第三磁链和第四磁链，其中，高通滤波器的超前角等于低通滤波器的超前角；计算单元还用于通过第三磁链和第四磁链分别计算出转子磁链第一分量和转子磁链第二分量；计算单元还用于根据转子磁链第一分量和转子磁链第二分量计算转子位置角；计算单元还用于根据转子磁链第一分量和转子磁链第二分量计算转子速度。

本发明提供的转子位置估计装置，首先采用低通滤波加相位补偿环节替代积分器(纯物理积分)用于根据反电势计算磁链，解决积分初值问题；其次，实时调整用于幅频补偿的高通滤波器的输入磁链限幅值，调整的依据是反电势和磁链的正交性，据此改善其对参数的敏感性和弱磁区域工作不佳的问题；最后，根据估计的转子磁链的两个分量计算转子位置角度和转速。通过上述的过程，改善了以往开环磁链积分方法带来的相位角偏移、对参数敏感、弱磁区域工作不佳等问题，提高了估计转子位置角度和转速的效率和准确度，同时能够实现较大速度范围内的高精度转子位置估计，并对电机参数变化和扰动表现出一定的鲁棒性。

其中，电机的第一相电流记作i_α，第二相电流记作i_β，第一相电压记作u_α，第二相电压记作u_β，速度参考值记作ω_ref。其中可先采集得到电机相电流，并进行PARK变换(派克变换)到两相静止坐标系下的量得到第一相电流i_α和第二相电流i_β；可通过矢量控制器SVPWM(空间矢量脉宽调制)的开关信号重构出第一相电压u_α和第二相电压u_β，速度参考值ω_ref可由用户设定或根据预设的算法得到。第一反电势和第二反电势分别记作e_α和e_β。第一磁链、第二磁链、第三磁链和第四磁链均为电机的定子的磁链，并分别记作Ψ’_sα、Ψ’_sβ、Ψ_sα，Ψ_sβ，其中的第三磁链和第四磁链分别为第一磁链和第二磁链补偿后的结果。转子磁链第一分量和转子磁链第二分量分别记作Ψ_rα，Ψ_rβ。转子位置角记作

且

该转子位置角可直接用作矢量控制定向角的输入。转子速度记作

且

其中的|ψ_r|表示转子磁链第一分量和转子磁链第二分量相加所得的向量的模，而采用该式计算角度相对采用角度微分进行计算有更小的量化误差。

另外，本发明提供的上述实施例中的转子位置估计装置还可以具有如下附加技术特征：

在上述技术方案中，优选地，高通滤波器的输入为电机的定子的磁链限幅后的上一计算周期的定子的磁链值(分别记作

和

)。

在该技术方案中，通过选取合适的高通滤波器的输入，获得更准确的第三磁链和第四磁链，进而提升估计转子位置角度和转速的效率和准确度。

在上述任一技术方案中，优选地，计算单元还用于计算第一反电势、第二反电势、第三磁链和第四磁链的归一化和积；处理单元还用于将归一化和积输入第二低通滤波器，获得输出值；计算单元还用于将第二低通滤波器的输出值乘以定子的磁链的额定值(记作|ψ_s|_rated)以进行反归一处理并将计算结果记为动态调整分量(记作ΔΨ)；计算单元还用于将动态调整分量与定子的磁链的额定值相加，获得定子的磁链的限幅值。

在该技术方案中，通过上述步骤确定定子的磁链的限幅值，可用于更新当前所需的磁链限幅值，提升估计转子位置角度和转速的效率和准确度。同时，定子的磁链的限幅值可根据反电势和磁链的夹角动态调整。同时，可以通过合理设计第二低通滤波器的时间常数，使第二低通滤波器的输出反映上述的归一化和积的直流分量。定子的磁链的限幅值是一个实时计算的变量，以实现更精准的幅频补偿效果。其中的反归一处理用于调整增益，使第二低通滤波器的输出和磁链幅值在同一维度。

其中，计算第一反电势、第二反电势和定子磁链的归一化和积的公式为(e_αψ_sα+e_βψ_sβ)/|e||ψ_s|，其中的|e|为第一反电势e_α和第二反电势e_β相加所得的向量的模，|ψ_s|为第三磁链Ψ_sα和第四磁链Ψ_sβ相加所得的向量的模。

在上述任一技术方案中，优选地，电机参数包括电机的定子电阻、直轴电感、交轴电感。

在该技术方案中，电机参数包括电机的定子电阻、直轴电感、交轴电感，可通过上述的电机参数与第一相电流、第二相电流、第一相电压、第二相电压及速度参考值等参数计算反电势，以便后续获取磁链和估计转子位置角度和转速。

其中，定子电阻、直轴电感、交轴电感分别记作R_s,L_d,L_q，在本发明中，计算反电势的公式为：

e_α＝u_α-R_si_α-ω_ref(L_d-L_q)i_β

e_β＝u_β-R_si_β+ω_ref(L_d-L_q)i_α

通过上述的公式可以分别计算出第一反电势e_α和第二反电势e_β。

在上述任一技术方案中，优选地，计算单元还用于将第三磁链减去直轴电感与交轴电感的平均值与第一相电流的乘积，得到转子磁链第一分量；计算单元还用于将第四磁链减去直轴电感与交轴电感的平均值与第二相电流的乘积，得到转子磁链第二分量。

在该技术方案中，通过上述步骤获取转子磁链第一分量和转子磁链第二分量，这样提升了磁链第一分量和转子磁链第二分量准确性，进而提高了估计转子位置角度和转速的效率和准确度。

其中，计算转子磁链第一分量Ψ_rα和转子磁链第二分量Ψ_rβ的公式分别为Ψ_rα＝Ψ_sα-L_s i_α、Ψ_rβ＝Ψ_sβ-L_s i_β，其中，L_s为直轴电感和交轴电感的平均值。

在上述任一技术方案中，采用了对磁链空间矢量幅值综合限制，而不是对其分量(α和β方向上的分量)单独限幅。磁链限幅阈值的选择初始为磁链空间矢量的幅值。同时计算过程中还利用反电势和磁链的正交性。如果系统收敛，则反电势和磁链呈90度角，其余弦为零。据此调整磁链的限幅值，则可消除涵盖电机参数在内的影响，大大提高了其抗参数扰动的能力。

综上，本发明中计算磁链与真实磁链无相位差，通过低通滤波器替代积分器，并用高通滤波器进行幅频补偿，且补偿的幅频特性动态调整，不引入磁链相位的偏差；抗电机参数扰动，动态地对磁链的空间矢量幅值进行整体的限幅，并利用反电势输入和磁链输出设计闭环，可消除电机参数对定子磁链计算模块的影响，减轻该类方法对电机参数的依赖性；并能工作在弱磁区域，本发明中磁链限幅值为额定值叠加一调整量，以逼近磁链的真实值，由于该动态限幅调整单元的加入，在弱磁的状态下也能够正常快速地收敛。

本发明还提出了一种电机，包括上述的转子位置估计装置。

本发明提供的电机(优选为永磁同步电机)，通过采用上述的转子位置估计装置，改善了以往开环磁链积分方法带来的相位角偏移、对参数敏感、弱磁区域工作不佳等问题，提高了估计转子位置角度和转速的效率和准确度，同时能够实现较大速度范围内的高精度转子位置估计，并对电机参数变化和扰动表现出一定的鲁棒性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了本发明的一个实施例的转子位置估计方法的流程示意图；

图2示出了本发明的一个实施例的转子位置估计方法的流程示意图；

图3示出了图2中步骤S204中的具体步骤；

图4示出了本发明的一个实施例的转子位置估计装置的示意框图；

图5示出了本发明的一个实施例的转子位置估计装置的原理框图；

图6示出了本发明的一个实施例中的定子磁链计算环节的实施框图；

图7示出了本发明的一个实施例中的磁链限幅值调整环节的实施框图；

图8示出了本发明的一个实施例的进行计算的结果波形(给定、实际、估计的速度波形)；

图9示出了本发明的一个实施例的进行计算的结果波形(实际、估计的角度波形)。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1和图2描述根据本发明一些实施例所述的转子位置估计方法和转子位置估计装置。

如图1所示，本发明提供了一种转子位置估计方法，用于电机，该转子位置估计方法包括以下步骤：

步骤S102，获取电机的第一相电流和第二相电流；

步骤S104，获取电机的第一相电压和第二相电压；

步骤S106，获取电机的速度参考值；

步骤S108，通过第一相电流、第二相电流、第一相电压、第二相电压、速度参考值及电机参数分别计算出第一反电势和第二反电势；

步骤S110，通过第一低通滤波器分别对第一反电势和第二反电势积分处理并获得第一磁链和第二磁链；

步骤S112，通过高通滤波器处理第一磁链和第二磁链，获得第三磁链和第四磁链，其中，高通滤波器的超前角等于低通滤波器的超前角；

步骤S114，通过第三磁链和第四磁链分别计算出转子磁链第一分量和转子磁链第二分量；

步骤S116，根据转子磁链第一分量和转子磁链第二分量计算转子位置角；

步骤S118，根据转子磁链第一分量和转子磁链第二分量计算转子速度。

本发明提供的转子位置估计方法，首先采用低通滤波加相位补偿环节替代积分器(纯物理积分)用于根据反电势计算磁链，解决积分初值问题；其次，实时调整用于幅频补偿的高通滤波器的输入磁链限幅值，调整的依据是反电势和磁链的正交性，据此改善其对参数的敏感性和弱磁区域工作不佳的问题；最后，根据估计的转子磁链的两个分量计算转子位置角度和转速。通过上述的过程，改善了以往开环磁链积分方法带来的相位角偏移、对参数敏感、弱磁区域工作不佳等问题，提高了估计转子位置角度和转速的效率和准确度，同时能够实现较大速度范围内的高精度转子位置估计，并对电机参数变化和扰动表现出一定的鲁棒性。

其中，电机的第一相电流记作i_α，第二相电流记作i_β，第一相电压记作u_α，第二相电压记作u_β，速度参考值记作ω_ref。其中可先采集得到电机相电流，并进行PARK变换(派克变换)到两相静止坐标系下的量得到第一相电流i_α和第二相电流i_β；可通过矢量控制器SVPWM(空间矢量脉宽调制)的开关信号重构出第一相电压u_α和第二相电压u_β，速度参考值ω_ref可由用户设定或预设的算法得到。第一反电势和第二反电势分别记作e_α和e_β。第一磁链、第二磁链、第三磁链和第四磁链均为电机的定子的磁链，并分别记作Ψ’_sα、Ψ’_sβ、Ψ_sα，Ψ_sβ，其中的第三磁链和第四磁链分别为第一磁链和第二磁链补偿后的结果。转子磁链第一分量和转子磁链第二分量分别记作Ψ_rα，Ψ_rβ。转子位置角记作

且

该转子位置角可直接用作矢量控制定向角的输入。转子速度记作

且

其中的|ψ_r|表示转子磁链第一分量和转子磁链第二分量相加所得的向量的模，而采用该式计算角度相对采用角度微分进行计算有更小的量化误差。

在本发明的一个实施例中，优选地，高通滤波器的输入为电机的定子的磁链限幅后的上一计算周期的定子的磁链值(分别记作

和

)。

在该实施例中，通过选取合适的高通滤波器的输入，获得更准确的第三磁链和第四磁链，进而提升估计转子位置角度和转速的效率和准确度。

在本发明的一个实施例中，优选地，定子的磁链的限幅值的计算过程包括：计算第一反电势、第二反电势、第三磁链和第四磁链的归一化和积；将归一化和积输入第二低通滤波器，获得输出值；将第二低通滤波器的输出值乘以定子的磁链的额定值(记作|ψ_s|_rated)以进行反归一处理并将计算结果记为动态调整分量(记作ΔΨ)；将动态调整分量与定子的磁链的额定值相加，获得定子的磁链的限幅值。

在该实施例中，通过上述步骤确定定子的磁链的限幅值，可用于更新当前所需的磁链限幅值，提升估计转子位置角度和转速的效率和准确度。同时，定子的磁链的限幅值可根据反电势和磁链的夹角动态调整。同时，可以通过合理设计第二低通滤波器的时间常数，使第二低通滤波器的输出反映上述的归一化和积的直流分量。定子的磁链的限幅值是一个实时计算的变量，以实现更精准的幅频补偿效果。其中的反归一处理用于调整增益，使第二低通滤波器的输出和磁链幅值在同一维度。

其中，计算第一反电势、第二反电势和定子磁链的归一化和积的公式为(e_αψ_sα+e_βψ_sβ)/|e||ψ_s|，其中的|e|为第一反电势e_α和第二反电势e_β相加所得的向量的模，|ψ_s|为第三磁链Ψ_sα和第四磁链Ψ_sβ相加所得的向量的模。

在本发明的一个实施例中，优选地，电机参数包括电机的定子电阻、直轴电感、交轴电感。

在该实施例中，电机参数包括电机的定子电阻、直轴电感、交轴电感，可通过上述的电机参数与第一相电流、第二相电流、第一相电压、第二相电压及速度参考值等参数计算反电势，以便后续获取磁链和估计转子位置角度和转速。

其中，定子电阻、直轴电感、交轴电感分别记作R_s,L_d,L_q，在本发明中，计算反电势的公式为：

e_α＝u_α-R_si_α-ω_ref(L_d-L_q)i_β

e_β＝u_β-R_si_β+ω_ref(L_d-L_q)i_α

通过上述的公式可以分别计算出第一反电势e_α和第二反电势e_β。

在本发明的一个实施例中，优选地，通过第三磁链和第四磁链分别计算出转子磁链第一分量和转子磁链第二分量计算过程包括：第三磁链减去直轴电感与交轴电感的平均值与第一相电流的乘积，得到转子磁链第一分量；第四磁链减去直轴电感与交轴电感的平均值与第二相电流的乘积，得到转子磁链第二分量。

在该实施例中，通过上述步骤获取转子磁链第一分量和转子磁链第二分量，这样提升了磁链第一分量和转子磁链第二分量准确性，进而提高了估计转子位置角度和转速的效率和准确度。

其中，计算转子磁链第一分量Ψ_rα和转子磁链第二分量Ψ_rβ的公式分别为Ψ_rα＝Ψ_sα-L_s i_α、Ψ_rβ＝Ψ_sβ-L_s i_β，其中，L_s为直轴电感和交轴电感的平均值。

在本发明的一个实施例中，采用了对磁链空间矢量幅值综合限制，而不是对其分量(α和β方向上的分量)单独限幅。磁链限幅阈值的选择初始为磁链空间矢量的幅值。同时计算过程中还利用反电势和磁链的正交性。如果系统收敛，则反电势和磁链呈90度角，其余弦为零。据此调整磁链的限幅值，则可消除涵盖电机参数在内的影响，大大提高了其抗参数扰动的能力。

在本发明的一个实施例中，如图2和图3所示，转子位置估计方法包括以下步骤：

步骤S202，根据输入电压、电流、转速、电机参数计算反电势；具体包括：采集得到电机相电流(i_a，i_b)，并进行PARK变换到两相静止坐标系下的量(i_α,i_β)，获得矢量控制器SVPWM的开关信号重构出相电压(u_α，u_β)，获得矢量控制速度的参考值ω_ref。结合电机参数R_s,L_d,L_q(分别为永磁同步电机的定子电阻、直轴电感、交轴电感)计算反电势(e_α,e_β)。

根据本发明的一个实施例，在该步骤中，反电势根据以下公式进行计算：

e_α＝u_α-R_si_α-ω(L_d-L_q)i_β

e_β＝u_β-R_si_β+ω(L_d-L_q)i_α

步骤S204，采用低通滤波器加自调整高通滤波器计算定子磁链；具体包括：以低通滤波单元替代物理纯积分，分别对两个反电动势进行积分以获得未经补偿的磁链(ψ’_sα,ψ’_sβ)。同时，设计一带自适应限幅值的高通滤波器环节作用于该磁链，使其与低通滤波器的超前角相对应，得到补偿后的定子估计磁链(Ψ_sα，Ψ_sβ)。自适应的依据稳态是反电势和磁链正交。

具体而言，如图3所示，该步骤又分为如下几个分步骤：

步骤S2042，对反电势(e_α,e_β)进行低通滤波得到未补偿的定子磁链(ψ’_sα,ψ’_sβ)；

步骤S2044，对上一计算周期的磁链进行限幅，限幅值

通过磁链限幅值调整模块进行调整，得到限幅后的磁链估计值

步骤S2046，对限幅后的磁链值进行高通滤波，得到定子磁链的幅频补偿值

步骤S2048，求未补偿的定子磁链(ψ’_sα,ψ’_sβ)和磁链的补偿量

的和，该和即为当前计算周期的磁链值(Ψ_sα,Ψ_sβ)。

进一步地，步骤S2044中磁链限幅值又是动态调整的，调整的具体步骤为：首先，计算反电势和定子磁链的归一化和积(e_αψ_sα+e_βψ_sβ)/|e||ψ_s|；其次，将此归一化和积输入另一个低通滤波器，滤波器的输出反映上述和积的直流分量。再次，将该输出再乘以磁链的额定值|ψ_s|_rated，调整归一化增益，得到一动态调整的分量ΔΨ。最后，此结果和磁链额定值|ψ_s|_rated的和，即

提供给相位补偿单元的磁链限幅值。

步骤S206，将定子磁链(Ψ_sα，Ψ_sβ)再分别减去L_si_α和L_si_β，得到转子磁链的α和β分量(Ψ_rα，Ψ_rβ)。即，Ψ_rα＝Ψ_sα-L_si_α，Ψ_rβ＝Ψ_sβ-L_si_β。需要说明的是，L_s为直轴电感和交轴电感的平均值。

步骤S208，根据S206的输出，再根据表达式

计算转子位置角，该位置角直接用作矢量控制定向角的输入。

步骤S210，根据S206的输出，再根据以下表达式计算转子速度

采用该式计算角度相对采用角度微分进行计算有更小的量化误差。

综上，本发明中计算磁链与真实磁链无相位差，通过低通滤波器替代积分器，并用高通滤波器进行幅频补偿，且补偿的幅频特性动态调整，不引入磁链相位的偏差；抗电机参数扰动，动态地对磁链的空间矢量幅值进行整体的限幅，并利用反电势输入和磁链输出设计闭环，可消除电机参数对定子磁链计算模块的影响，减轻该类方法对电机参数的依赖性；并能工作在弱磁区域，本发明中磁链限幅值为额定值叠加一调整量，以逼近磁链的真实值，由于该动态限幅调整单元的加入，在弱磁的状态下也能够正常快速地收敛。

本发明还提供了一种转子位置估计装置4，如图4所示，包括：获取单元402，用于获取电机的第一相电流和第二相电流；获取单元402还用于获取电机的第一相电压和第二相电压；获取单元402还用于获取电机的速度参考值；计算单元404，用于通过第一相电流、第二相电流、第一相电压、第二相电压、速度参考值及电机参数分别计算出第一反电势和第二反电势；计算单元404还用于通过第一低通滤波器分别对第一反电势和第二反电势积分处理并获得第一磁链和第二磁链；处理单元406，用于通过高通滤波器处理第一磁链和第二磁链，获得第三磁链和第四磁链，其中，高通滤波器的超前角等于低通滤波器的超前角；计算单元404还用于通过第三磁链和第四磁链分别计算出转子磁链第一分量和转子磁链第二分量；计算单元404还用于根据转子磁链第一分量和转子磁链第二分量计算转子位置角；计算单元404还用于根据转子磁链第一分量和转子磁链第二分量计算转子速度。

本发明提供的转子位置估计装置4，首先采用低通滤波加相位补偿环节替代积分器(纯物理积分)用于根据反电势计算磁链，解决积分初值问题；其次，实时调整用于幅频补偿的高通滤波器的输入磁链限幅值，调整的依据是反电势和磁链的正交性，据此改善其对参数的敏感性和弱磁区域工作不佳的问题；最后，根据估计的转子磁链的两个分量计算转子位置角度和转速。通过上述的过程，改善了以往开环磁链积分方法带来的相位角偏移、对参数敏感、弱磁区域工作不佳等问题，提高了估计转子位置角度和转速的效率和准确度，同时能够实现较大速度范围内的高精度转子位置估计，并对电机参数变化和扰动表现出一定的鲁棒性。

其中，电机的第一相电流记作i_α，第二相电流记作i_β，第一相电压记作u_α，第二相电压记作u_β，速度参考值记作ω_ref。其中可先采集得到电机相电流，并进行PARK变换(派克变换)到两相静止坐标系下的量得到第一相电流i_α和第二相电流i_β；可通过矢量控制器SVPWM(空间矢量脉宽调制)的开关信号重构出第一相电压u_α和第二相电压u_β，速度参考值ω_ref可由用户设定或根据预设的算法得到。第一反电势和第二反电势分别记作e_α和e_β。第一磁链、第二磁链、第三磁链和第四磁链均为电机的定子的磁链，并分别记作Ψ’_sα、Ψ’_sβ、Ψ_sα，Ψ_sβ，其中的第三磁链和第四磁链分别为第一磁链和第二磁链补偿后的结果。转子磁链第一分量和转子磁链第二分量分别记作Ψ_rα，Ψ_rβ。转子位置角记作

且

该转子位置角可直接用作矢量控制定向角的输入。转子速度记作

且

其中的|ψ_r|表示转子磁链第一分量和转子磁链第二分量相加所得的向量的模，而采用该式计算角度相对采用角度微分进行计算有更小的量化误差。

在本发明的一个实施例中，优选地，高通滤波器的输入为电机的定子的磁链限幅后的上一计算周期的定子的磁链值(分别记作

和

)。

在该实施例中，通过选取合适的高通滤波器的输入，获得更准确的第三磁链和第四磁链，进而提升估计转子位置角度和转速的效率和准确度。

在本发明的一个实施例中，优选地，计算单元404还用于计算第一反电势、第二反电势、第三磁链和第四磁链的归一化和积；处理单元406还用于将归一化和积输入第二低通滤波器，获得输出值；计算单元404还用于将第二低通滤波器的输出值乘以定子的磁链的额定值(记作|ψ_s|_rated)以进行反归一处理并将计算结果记为动态调整分量(记作ΔΨ)；计算单元404还用于将动态调整分量与定子的磁链的额定值相加，获得定子的磁链的限幅值。

在该实施例中，通过上述步骤确定定子的磁链的限幅值，可用于更新当前所需的磁链限幅值，提升估计转子位置角度和转速的效率和准确度。同时，定子的磁链的限幅值可根据反电势和磁链的夹角动态调整。同时，可以通过合理设计第二低通滤波器的时间常数，使第二低通滤波器的输出反映上述的归一化和积的直流分量。定子的磁链的限幅值是一个实时计算的变量，以实现更精准的幅频补偿效果。其中的反归一处理用于调整增益，使第二低通滤波器的输出和磁链幅值在同一维度。

其中，计算第一反电势、第二反电势和定子磁链的归一化和积的公式为(e_αψ_sα+e_βψ_sβ)/|e||ψ_s|，其中的|e|为第一反电势e_α和第二反电势e_β相加所得的向量的模，|ψ_s|为第三磁链Ψ_sα和第四磁链Ψ_sβ相加所得的向量的模。

在本发明的一个实施例中，优选地，电机参数包括电机的定子电阻、直轴电感、交轴电感。

在该实施例中，电机参数包括电机的定子电阻、直轴电感、交轴电感，可通过上述的电机参数与第一相电流、第二相电流、第一相电压、第二相电压及速度参考值等参数计算反电势，以便后续获取磁链和估计转子位置角度和转速。

其中，定子电阻、直轴电感、交轴电感分别记作R_s,L_d,L_q，在本发明中，计算反电势的公式为：

e_α＝u_α-R_si_α-ω_ref(L_d-L_q)i_β

e_β＝u_β-R_si_β+ω_ref(L_d-L_q)i_α

通过上述的公式可以分别计算出第一反电势e_α和第二反电势e_β。

在本发明的一个实施例中，优选地，计算单元404还用于将第三磁链减去直轴电感与交轴电感的平均值与第一相电流的乘积，得到转子磁链第一分量；计算单元404还用于将第四磁链减去直轴电感与交轴电感的平均值与第二相电流的乘积，得到转子磁链第二分量。

在该实施例中，通过上述步骤获取转子磁链第一分量和转子磁链第二分量，这样提升了磁链第一分量和转子磁链第二分量准确性，进而提高了估计转子位置角度和转速的效率和准确度。

其中，计算转子磁链第一分量Ψ_rα和转子磁链第二分量Ψ_rβ的公式分别为Ψ_rα＝Ψ_sα-L_s i_α、Ψ_rβ＝Ψ_sβ-L_s i_β，其中，L_s为直轴电感和交轴电感的平均值。

在本发明的一个实施例中，采用了对磁链空间矢量幅值综合限制，而不是对其分量(α和β方向上的分量)单独限幅。磁链限幅阈值的选择初始为磁链空间矢量的幅值。同时计算过程中还利用反电势和磁链的正交性。如果系统收敛，则反电势和磁链呈90度角，其余弦为零。据此调整磁链的限幅值，则可消除涵盖电机参数在内的影响，大大提高了其抗参数扰动的能力。

在本发明的一个实施例中，如图5至图7所示，图5为本发明一实施例转子位置估计装置的模块构成图(原理框图)，具体包括转子磁链计算模块1，磁链限幅值调整模块2，转子位置估计模块3，速度估计模块4。其中，所述转子磁链计算模块1用于计算转子磁链，转子磁链计算模块的一组输入为电压、电流、参考转速和电机参数，转子磁链计算模块的另一组输入为当前计算周期的磁链限幅值；所述磁链限幅值调整模块2用于根据当前计算的定子磁链和反电势，动态地调整转子磁链计算模块中所需的磁链限幅值；所述转子位置计算模块3用于根据转子磁链的两个分量计算位置角的反正切值；所述速度计算模块4用于根据磁链的两个分量值计算当前的转速。

根据本发明的实施例，模块之间的具体变量传递关系参见图5至图7。

根据本发明的实施例，转子磁链估计模块1工作在两相静止坐标系α，β下，其输入信号有两相静止坐标系下的电流(i_α,i_β)、通过SVPWM的开关信号重构的相电压(u_α，u_β)、矢量控制速度的参考值ω_ref、电机参数(R_s，L_d，L_q)。该单元首先估计定子磁链(Ψ_sα,Ψ_sβ)，再将定子磁链再分别减去L_si_α和L_si_β，得到转子磁链的α和β分量(Ψ_rα，Ψ_rβ)。即，Ψ_rα＝Ψ_sα-L_si_α，Ψ_rβ＝Ψ_sβ-L_si_β。

根据本发明的实施例，如图5所示，所述转子磁链计算模块1又包括以下几个单元：反电势计算单元11，用于根据当前输入量计算电机当前反电动势；定子磁链计算单元12，用于根据输入的反电势和当前的磁链限幅值计算定子磁链值；转子磁链计算单元13，用于根据定子磁链计算转子磁链值。

具体地说，如图6所示，定子磁链的计算模块12主要还包括以下几个单元：低通滤波器1201，高通滤波器1202，磁链限幅单元1203。低通滤波器用于替代常规方法中的积分，高通滤波器用于补偿1201引起的幅频特性变化，磁链限幅单元1203用于限制输入到高通滤波器的磁链幅值。其中，T_s为采样频率(或采样时间)，ω_c1，ω_c2分别为低通滤波器和高通滤波器的转折频率，

β₁和β₂为截止频率，z为离散变换(符号)。

进一步地，定子磁链的计算模块12所需磁链限幅值来自磁链限幅值调整模块2。

具体地说，如图7所示，根据本发明的一个实施例，所述磁链限幅值调整模块2具体还包括：反电势和定子磁链的归一化和积计算单元21，低通滤波器22，磁链限幅调整值反归一23和磁链限幅值计算24。反电势和定子磁链的和归一化和积计算21用于计算和归一化和积，物理上其等同于当前反电势和定子磁链的夹角信息，该式等同于电压e和磁链Ψ空间矢量的夹角的余弦值cos(γ)。单位增益低通滤波器22用于获取上述归一化和积中的直流分量，滤出高频扰动信息。磁链限幅调整值反归一23用于调整增益，使滤波器的输出和磁链幅值在同一维度。磁链限幅值计算24用于更新当前所需的磁链限幅值。

如图8和图9所示的本发明的一个实施例在实际计算的过程的实际验证结果。电机的参数为R_s＝0.264Ω，L_d＝2.5×10^-3H，L_q＝3.6×10^-3H，np＝3，|ψ|_rated＝0.07Wb，转动惯量J＝0.00012Kg﹒m²，反电势KE＝15.7V/1000rpm。图8为输出的速度波形，三种线(直线、虚线、实线)分别为给定、实际、估计的速度波形。图9为输出的角度波形，虚线、实线分别为实际和估计的角度波形，放大的小图展示了极小的估计和实际角度相位差，验证了本发明的有效性。

综上，本发明中计算磁链与真实磁链无相位差，通过低通滤波器替代积分器，并用高通滤波器进行幅频补偿，且补偿的幅频特性动态调整，不引入磁链相位的偏差；抗电机参数扰动，动态地对磁链的空间矢量幅值进行整体的限幅，并利用反电势输入和磁链输出设计闭环，可消除电机参数对定子磁链计算模块的影响，减轻该类方法对电机参数的依赖性；并能工作在弱磁区域，本发明中磁链限幅值为额定值叠加一调整量，以逼近磁链的真实值，由于该动态限幅调整单元的加入，在弱磁的状态下也能够正常快速地收敛。

本发明还提出了一种电机，包括上述的转子位置估计装置。

本发明提供的电机(优选为永磁同步电机)，通过采用上述的转子位置估计装置，改善了以往开环磁链积分方法带来的相位角偏移、对参数敏感、弱磁区域工作不佳等问题，提高了估计转子位置角度和转速的效率和准确度，同时能够实现较大速度范围内的高精度转子位置估计，并对电机参数变化和扰动表现出一定的鲁棒性。

在本发明中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种转子位置估计方法，用于电机，其特征在于，所述转子位置估计方法包括：

获取所述电机的第一相电流和第二相电流；

获取所述电机的第一相电压和第二相电压；

获取所述电机的速度参考值；

通过所述第一相电流、所述第二相电流、所述第一相电压、所述第二相电压、所述速度参考值及电机参数分别计算出第一反电势和第二反电势；

通过第一低通滤波器分别对所述第一反电势和所述第二反电势积分处理并获得第一磁链和第二磁链；

通过高通滤波器处理所述第一磁链和所述第二磁链，获得第三磁链和第四磁链，其中，所述高通滤波器的超前角等于所述低通滤波器的超前角；

通过所述第三磁链和所述第四磁链分别计算出转子磁链第一分量和转子磁链第二分量；

根据所述转子磁链第一分量和所述转子磁链第二分量计算转子位置角；

根据所述转子磁链第一分量和所述转子磁链第二分量计算转子速度；

所述高通滤波器的输入为所述电机的定子的磁链限幅后的上一计算周期的所述定子的磁链值；

所述定子的磁链的限幅值的计算过程包括：

计算所述第一反电势、所述第二反电势、所述第三磁链和所述第四磁链的归一化和积；

将所述归一化和积输入第二低通滤波器，获得输出值；

将所述第二低通滤波器的输出值乘以所述定子的磁链的额定值以进行反归一处理并将计算结果记为动态调整分量；

将所述动态调整分量与所述定子的磁链的额定值相加，获得所述定子的磁链的限幅值；

其中，计算所述第一反电势、所述第二反电势、所述第三磁链和所述第四磁链的归一化和积的公式为(e_αψ_sα+e_βψ_sβ)/|e||ψ_s|，其中的|e|为所述第一反电势e_α和所述第二反电势e_β相加所得的向量的模，|ψ_s|为所述第三磁链Ψ_sα和所述第四磁链Ψ_sβ相加所得的向量的模。

2.根据权利要求1所述的转子位置估计方法，其特征在于，

所述电机参数包括所述电机的定子电阻、直轴电感、交轴电感。

3.根据权利要求2所述的转子位置估计方法，其特征在于，通过所述第三磁链和所述第四磁链分别计算出转子磁链第一分量和转子磁链第二分量计算过程包括：

所述第三磁链减去所述直轴电感与所述交轴电感的平均值与所述第一相电流的乘积，得到所述转子磁链第一分量；

所述第四磁链减去所述直轴电感与所述交轴电感的平均值与所述第二相电流的乘积，得到所述转子磁链第二分量。

4.一种转子位置估计装置，用于电机，其特征在于，所述转子位置估计装置包括：

获取单元，用于获取所述电机的第一相电流和第二相电流；

所述获取单元还用于获取所述电机的第一相电压和第二相电压；

所述获取单元还用于获取所述电机的速度参考值；

计算单元，用于通过所述第一相电流、所述第二相电流、所述第一相电压、所述第二相电压、所述速度参考值及电机参数分别计算出第一反电势和第二反电势；

所述计算单元还用于通过第一低通滤波器分别对所述第一反电势和所述第二反电势积分处理并获得第一磁链和第二磁链；

处理单元，用于通过高通滤波器处理所述第一磁链和所述第二磁链，获得第三磁链和第四磁链，其中，所述高通滤波器的超前角等于所述低通滤波器的超前角；

所述计算单元还用于通过所述第三磁链和所述第四磁链分别计算出转子磁链第一分量和转子磁链第二分量；

所述计算单元还用于根据所述转子磁链第一分量和所述转子磁链第二分量计算转子位置角；

所述计算单元还用于根据所述转子磁链第一分量和所述转子磁链第二分量计算转子速度；

所述高通滤波器的输入为所述电机的定子的磁链限幅后的上一计算周期的所述定子的磁链值；

所述计算单元还用于计算所述第一反电势、所述第二反电势、所述第三磁链和所述第四磁链的归一化和积；

所述处理单元还用于将所述归一化和积输入第二低通滤波器，获得输出值；

所述计算单元还用于将所述第二低通滤波器的输出值乘以所述定子的磁链的额定值以进行反归一处理并将计算结果记为动态调整分量；

所述计算单元还用于将所述动态调整分量与所述定子的磁链的额定值相加，获得所述定子的磁链的限幅值；

其中，计算所述第一反电势、所述第二反电势、所述第三磁链和所述第四磁链的归一化和积的公式为(e_αψ_sα+e_βψ_sβ)/|e||ψ_s|，其中的|e|为所述第一反电势e_α和所述第二反电势e_β相加所得的向量的模，|ψ_s|为所述第三磁链Ψ_sα和所述第四磁链Ψ_sβ相加所得的向量的模。

5.根据权利要求4所述的转子位置估计装置，其特征在于，

所述电机参数包括所述电机的定子电阻、直轴电感、交轴电感。

6.根据权利要求5所述的转子位置估计装置，其特征在于，

所述计算单元还用于将所述第三磁链减去所述直轴电感与所述交轴电感的平均值与所述第一相电流的乘积，得到所述转子磁链第一分量；

所述计算单元还用于将所述第四磁链减去所述直轴电感与所述交轴电感的平均值与所述第二相电流的乘积，得到所述转子磁链第二分量。

7.一种电机，其特征在于，包括：

如权利要求4至6中任一项所述的转子位置估计装置。

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