CN114844398A - 一种永磁同步电机转子位置和转速估计值的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转子位置和转速估计值的获取方法：根据电机在两相静止坐标系下的电压方程，建立以电流为状态变量的α、β轴电流状态方程；以电流为状态变量，根据电流状态方程设计滑模观测器，对α、β轴的反电势信息进行观测；将α、β轴反电势的观测结果输入至转子位置估计器，得到转子位置和转速的估计值。在设计转子位置估计器时，为滤除因逆变器非线性特性等因素造成的六次位置谐波，采用陷波滤波器对位置误差的谐波成分进行滤波；为从位置误差中提取转速和位置信息，设计了一个基于电机运动状态方程的三阶扩张状态观测器。本方法可为永磁电机矢量控制系统提供更实时且准确的转子位置和转速信息，保障电机的闭环控制性能。

Description

一种永磁同步电机转子位置和转速估计值的获取方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，更具体地，涉及一种永磁同步电机转子位置和转速估计值的获取方法、电子设备及存储介质。

背景技术

永磁电机具备高转矩密度、高效率和调速性能好等优势，在数控机床、电力牵引驱动、航空航天和国防军工等对性能和效率有较高要求的场合得到了广泛的应用。精确的转子位置信息是实现永磁同步电机高性能控制的关键。安装于电机轴端的位置传感器可采集准确的位置信息，但其会增加调速系统的成本和复杂度，降低运行的可靠性。事实上，位置传感器故障已成为电机系统的主要故障源之一。为提升系统的可靠性，高性能永磁同步电机调速驱动器应当具备在无位置传感器场合下的驱动能力。其中，在中高速无位置传感器领域，基于反电势观测的方法占据主要地位，包括滑模观测器法、全阶观测器法、扰动观测器法及扩展卡尔曼滤波器法等。

在实际应用中，受逆变器死区效应、电机气隙磁密非正弦等非理想因素的影响，基于反电势观测的无位置传感器技术，其α轴、β轴的反电势观测结果将不可避免地包含以上因素导致的五、七次谐波分量。进而，在从反电势信息中提取频率和相位信息，以估算电机的转子转速和转子位置信息时，估算结果将存在明显的六次谐波分量。为消除该六次谐波分量，提高电机运行的稳态性能，亟需对现有的转子位置估计方法进行改进。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种永磁同步电机转子位置和转速估计值的获取方法，用以解决如何为永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统提供更实时且准确的转子位置和转速信息从而保障电机的闭环控制性能的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种适用于永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统的电机转子位置和转速的估计值的获取方法，包括步骤：

基于永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程，构建以电流为状态变量的α、β轴电流状态方程；

基于所述α、β轴电流状态方程，以电流为状态变量构建滑模观测器，对α、β轴的反电势信息进行观测，获取α、β轴反电势的观测值；

将所述α、β轴反电势的观测值输入至转子位置估计器，采用陷波滤波器对位置误差的谐波成分进行滤波，构建基于电机运动状态方程的三阶扩张状态观测器，获取所述永磁同步电机的转子位置和转速的估计值。

进一步地，所述α、β轴电流状态方程的表达式为：

其中，R_s、L_s分别为定子电阻、定子电感；i_α、i_β分别为电机的α轴电流、β轴电流；u_α、u_β分别为电机的α轴电压、β轴电压；e_α、e_β分别为电机的α轴反电势、β轴反电势。

进一步地，所述α、β轴反电势的观测值的获取方式包括：

构建的所述滑模观测器的表达式为：

其中，

分别为电机的α轴电流观测值、β轴电流观测值；k为所述滑模观测器的增益；sign()为符号函数，定义如下：

待所述滑模观测器运行至收敛状态，得到反电势的观测值如下：

其中，

分别为α轴反电势的观测值、β轴反电势的观测值。

进一步地，所述获取所述永磁同步电机的转子位置和转速的估计值具体包括步骤：

将所述α、β轴反电势的观测值输入至所述转子位置估计器，获取所述位置误差；

对所述位置误差进行标幺化处理，获取对应的标幺化后的位置误差；

采用所述陷波滤波器，对所述标幺化后的位置误差进行陷波滤波，滤除包括六次谐波的分量；

以转子位置和转速为状态变量建立电机运动状态方程，构建所述电机运动状态方程的扰动模型，获取所述电机运动状态方程的已知扰动和未知扰动；

将所述未知扰动扩张为一个新状态，构建基于所述电机运动状态方程的所述三阶扩张状态观测器，获取所述永磁同步电机的转子位置和转速的估计值。

进一步地，所述位置误差的表达式为：

其中，

为转子位置的估计值，ε_θ为所述位置误差；

所述标幺化后的位置误差的表达式为：

进一步地，所述陷波滤波器的传递函数G_f(s)的表达式为：

其中，s为传递函数的拉普拉斯算子；ω_re为陷波滤波器的谐振频率；k_f为陷波滤波器的截止频率系数。

进一步地，所述电机运动状态方程的已知扰动和未知扰动的获取方式包括：

以转子位置和转速为状态变量建立电机运动状态方程，所述电机运动状态方程的表达式为：

其中，θ_e和ω_e分别为转子位置和转速，B、J分别为阻尼粘滞系数和转动惯量的实际值；n_p为电机极对数；T_L为负载转矩；

构建所述电机运动状态方程的扰动模型，所述扰动模型的表达式为：

其中，f_0θ和f_1θ分别为电机运动状态方程的已知扰动和未知扰动；

为转速的观测值；

为转矩指令值；T_e为电磁转矩。

进一步地，所述三阶扩张状态观测器的表达式为：

其中，

为滤波后的位置误差；β_1θ、β_2θ、β_3θ为所述三阶扩张状态观测器的增益参数；

为所述未知扰动f_1θ的观测值；待所述三阶扩张状态观测器收敛后，获取所述永磁同步电机的转子位置的估计值

和转子转速的估计值

按照本发明的第二个方面，提供了一种电子设备，包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行上述任一项所述方法的步骤。

按照本发明的第三个方面，提供了一种存储介质，其存储有可由访问认证设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在访问认证设备上运行时，使得所述访问认证设备执行上述任一项所述方法的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明公开了一种永磁同步电机转子位置和转速估计值的获取方法。首先，根据永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程，建立以电流为状态变量的α、β轴电流状态方程；其次，以电流为状态变量，根据电流状态方程设计滑模观测器，对α、β轴的反电势信息进行观测；最后，将α、β轴反电势的观测结果输入至转子位置估计器，得到电机的转子转速和转子位置的估计值。在设计转子位置估计器时，为滤除因逆变器非线性特性、电机磁链非正弦分布等因素造成的六次位置谐波，采用陷波滤波器对位置误差的谐波成分进行滤波；为从位置误差中提取转速和位置信息，设计了一个基于电机运动状态方程的三阶扩张状态观测器。本方法可为永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统提供更实时且准确的转子位置和转速信息，从而保障了电机的闭环控制性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需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为本发明实施例提供的永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的转子位置估计器的结构框图；

图3为本发明实施例提供的一种永磁同步电机转子位置和转速估计值的获取方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的电机运行在1500r/min下的稳态实验结果图；

图5为本发明实施例提供的电机运行在300～1500r/min加减速过程的动态实验结果图；

图6为本发明实施例提供的适于实现上文描述的方法的电子设备的方框示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例提供的永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统的结构框图。在图1中，PI表示比例积分调节器，SVPWM表示电压空间矢量脉宽调制，PMSM表示永磁同步电机。图2为本发明实施例提供的转子位置估计器的结构框图，下面结合图2对本发明提供的方法进行详细说明，如图3所示，本发明的一个实施例提供了一种适用于永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统的电机转子位置和转速的估计值的获取方法，主要包括S1-S3的步骤：

S1、基于永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程，构建以电流为状态变量的α、β轴电流状态方程。

α、β轴电流状态方程的表达式为：

其中，R_s、L_s分别为定子电阻、定子电感；i_α、i_β分别为电机的α轴电流、β轴电流；u_α、u_β分别为电机的α轴电压、β轴电压；e_α、e_β分别为电机的α轴反电势、β轴反电势。

S2、基于步骤S1中所构建的α、β轴电流状态方程，以电流为状态变量构建滑模观测器，对α、β轴的反电势信息进行观测，获取α、β轴反电势的观测值。

具体的，构建的所述滑模观测器的表达式为：

其中，

分别为电机的α轴电流观测值、β轴电流观测值；k为所述滑模观测器的增益；sign()为符号函数，定义如下：

待所述滑模观测器运行至收敛状态，得到反电势的观测值如下：

其中，

分别为α轴反电势的观测值、β轴反电势的观测值。

S3、将所述α、β轴反电势的观测值输入至转子位置估计器，采用陷波滤波器对位置误差的谐波成分进行滤波，构建基于电机运动状态方程的三阶扩张状态观测器，获取所述永磁同步电机的转子位置和转速的估计值。

更具体的，步骤S3主要包括如下S31-S35的步骤：

S31、将步骤S2中得到的反电势观测值

作为转子位置估计器的输入，根据如下关系计算位置误差ε_θ。

其中，

为转子位置的估计值。

S32、对位置误差ε_θ进行标幺化处理，标幺化后的位置误差为

其幅值将不会随反电势幅值发生改变。标幺化后的位置误差

的表达式为：

S33、采用所述陷波滤波器，对所述标幺化后的位置误差进行陷波滤波，滤除包括六次谐波的分量。在设计转子位置估计器时，为滤除因逆变器非线性特性、电机磁链非正弦分布等因素造成的六次位置谐波，采用陷波滤波器对位置误差的谐波成分进行滤波。

陷波滤波器的传递函数G_f(s)的表达式为：

其中，s为传递函数的拉普拉斯算子；ω_re为陷波滤波器的谐振频率；k_f为陷波滤波器的截止频率系数。

S34、以转子位置和转速为状态变量建立电机运动状态方程，构建所述电机运动状态方程的扰动模型，获取所述电机运动状态方程的已知扰动和未知扰动。

具体的，以电机转子位置θ_e和转速ω_e为状态变量，建立电机运动状态方程：

构建上述电机运动状态方程的扰动模型为：

其中，θ_e、ω_e分别为转子位置和转速；B、J分别为阻尼粘滞系数和转动惯量的实际值；n_p为电机极对数；T_e、T_L分别为电磁转矩和负载转矩；f_0θ、f_1θ分别为运动状态方程的已知扰动、未知扰动；

为转速的观测值；

为转矩指令值。

S35、为从位置误差中提取转速和位置信息，将所述未知扰动扩张为一个新状态，构建基于所述电机运动状态方程的所述三阶扩张状态观测器，最终获取所述永磁同步电机的转子位置和转速的估计值。

具体的，将未知扰动f_1θ扩张为一个新状态，设计如下三阶扩张状态观测器：

其中，

为滤波后的位置误差；β_1θ、β_2θ、β_3θ为所述三阶扩张状态观测器的增益参数；

为所述未知扰动f_1θ的观测值；待所述三阶扩张状态观测器收敛后，获取所述永磁同步电机的转子位置的估计值

和转子转速的估计值

本发明所提出的方法的有效性通过实验进行了验证。实验参数具体设置如下：电机额定转速为1500r/min，额定转矩为5N·m,电阻R_s、电感L_s分别为0.75Ω、3.5mH，转动惯量J和阻尼粘滞系数B分别为0.0174kg·m²、0.00075N·m·s/rad。

图4为电机在1500r/min空载下的实验结果图。从上至下，波形依次为反电势观测值、转子位置观测值和实际值对比、转子位置观测误差。由图4可见，位置估计误差在1.2°以内。

图5为电机在不同转速下运行的实验结果图。初始时刻，电机运行速度为300r/min，在1s的时刻开始加速直至1500r/min，之后保持1500r/min，在4s的时刻开始减速直至300r/min。从上至下，波形依次为实际转子转速、转子位置观测误差、转子转速观测误差。由图5可见，在稳态和加减速动态运行期间，位置估计误差均在很小的范围内波动，可满足实际应用需求的标准。

图6示意性示出了根据本发明的实施例的适于实现上文描述的方法的电子设备的方框图。图6示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本发明的实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图6所示，本实施例中所描述的电子设备1000，包括：处理器1001，其可以根据存储在只读存储器(ROM)1002中的程序或者从存储部分1008加载到随机访问存储器(RAM)1003中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器1001例如可以包括通用微处理器(例如CPU)、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(ASIC))，等等。处理器1001还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器1001可以包括用于执行根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。

在RAM 1003中，存储有系统1000操作所需的各种程序和数据。处理器1001、ROM1002以及RAM 1003通过总线1004彼此相连。处理器1001通过执行ROM1002和/或RAM 1003中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。需要注意，所述程序也可以存储在除ROM 1002和RAM 1003以外的一个或多个存储器中。处理器1001也可以通过执行存储在所述一个或多个存储器中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。

根据本公开的实施例，电子设备1000还可以包括输入/输出(I/O)接口1005，输入/输出(I/O)接口1005也连接至总线1004。系统1000还可以包括连接至I/O接口1005的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分1006；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分1007；包括硬盘等的存储部分1008；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分1009。通信部分1009经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器1010也根据需要连接至I/O接口1005。可拆卸介质1011，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器1010上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分1008。

根据本公开实施例的方法流程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分1009从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质1011被安装。在该计算机程序被处理器1001执行时，执行本公开实施例的系统中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的系统、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。

本发明的实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的方法。

根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质，例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开的实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。例如，根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以包括上文描述的ROM 1002和/或RAM 1003以外的一个或多个存储器。

需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来。

附图中的流程图或框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。还要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别的，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机转子位置和转速估计值的获取方法，其特征在于，包括步骤：

基于永磁同步电机在两相静止坐标系下的电压方程，构建以电流为状态变量的α、β轴电流状态方程；

基于所述α、β轴电流状态方程，以电流为状态变量构建滑模观测器，对α、β轴的反电势信息进行观测，获取α、β轴反电势的观测值；

将所述α、β轴反电势的观测值输入至转子位置估计器，采用陷波滤波器对位置误差的谐波成分进行滤波，构建基于电机运动状态方程的三阶扩张状态观测器，获取所述永磁同步电机的转子位置和转速的估计值。

2.如权利要求1所述的获取方法，其特征在于，所述α、β轴电流状态方程的表达式为：

其中，R_s、L_s分别为定子电阻、定子电感；i_α、i_β分别为电机的α轴电流、β轴电流；u_α、u_β分别为电机的α轴电压、β轴电压；e_α、e_β分别为电机的α轴反电势、β轴反电势。

3.如权利要求2所述的获取方法，其特征在于，所述α、β轴反电势的观测值的获取方式包括：

构建的所述滑模观测器的表达式为：

其中，

分别为电机的α轴电流观测值、β轴电流观测值；k为所述滑模观测器的增益；sign()为符号函数，定义如下：

待所述滑模观测器运行至收敛状态，得到反电势的观测值如下：

其中，

分别为α轴反电势的观测值、β轴反电势的观测值。

4.如权利要求3所述的获取方法，其特征在于，所述获取所述永磁同步电机的转子位置和转速的估计值具体包括步骤：

将所述α、β轴反电势的观测值输入至所述转子位置估计器，获取所述位置误差；

对所述位置误差进行标幺化处理，获取对应的标幺化后的位置误差；

采用所述陷波滤波器，对所述标幺化后的位置误差进行陷波滤波，滤除包括六次谐波的分量；

以转子位置和转速为状态变量建立电机运动状态方程，构建所述电机运动状态方程的扰动模型，获取所述电机运动状态方程的已知扰动和未知扰动；

将所述未知扰动扩张为一个新状态，构建基于所述电机运动状态方程的所述三阶扩张状态观测器，获取所述永磁同步电机的转子位置和转速的估计值。

5.如权利要求4所述的获取方法，其特征在于，所述位置误差的表达式为：

其中，

为转子位置的估计值，ε_θ为所述位置误差；

所述标幺化后的位置误差的表达式为：

6.如权利要求5所述的获取方法，其特征在于，所述陷波滤波器的传递函

数G_f(s)的表达式为：

其中，s为传递函数的拉普拉斯算子；ω_re为陷波滤波器的谐振频率；k_f为陷波滤波器的截止频率系数。

7.如权利要求6所述的获取方法，其特征在于，所述电机运动状态方程的已知扰动和未知扰动的获取方式包括：

以转子位置和转速为状态变量建立电机运动状态方程，所述电机运动状态方程的表达式为：

其中，θ_e和ω_e分别为转子位置和转速，B、J分别为阻尼粘滞系数和转动惯量的实际值；n_p为电机极对数；T_L为负载转矩；

构建所述电机运动状态方程的扰动模型，所述扰动模型的表达式为：

其中，f_0θ和f_1θ分别为电机运动状态方程的已知扰动和未知扰动；

为转速的观测值；T_e ^*为转矩指令值；T_e为电磁转矩。

8.如权利要求7所述的获取方法，其特征在于，所述三阶扩张状态观测器的表达式为：

其中，

为滤波后的位置误差；β_1θ、β_2θ、β_3θ为所述三阶扩张状态观测器的增益参数；

为所述未知扰动f_1θ的观测值；待所述三阶扩张状态观测器收敛后，获取所述永磁同步电机的转子位置的估计值

和转子转速的估计值

9.一种电子设备，其特征在于，包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行权利要求1～8任一项所述方法的步骤。

10.一种存储介质，其特征在于，其存储有可由访问认证设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在访问认证设备上运行时，使得所述访问认证设备执行权利要求1～8任一项所述方法的步骤。

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