CN115224994A - 无传感器的电机角度测量方法及系统 - Google Patents

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CN115224994A CN202110410267.8A CN202110410267A CN115224994A CN 115224994 A CN115224994 A CN 115224994A CN 202110410267 A CN202110410267 A CN 202110410267A CN 115224994 A CN115224994 A CN 115224994A
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陈苗苗
周追财
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Abstract

本发明提供了一种无传感器的电机角度测量方法及系统，所述方法包括：基于电机电压和电流数据，通过滑模变结构观测器获得反电动势数据；基于所述反电动势数据，通过反正切函数获得电机角度基本值；基于所述反电动势数据，通过锁相环闭环控制模块获得电机速度值；基于所述电机速度值计算电机角度补偿值；基于所述电机角度基本值和所述电机角度补偿值得到电机角度输出值。本发明首先基于电机电压电流获得反电动势，然后采用反正切函数获得电机角度基本值，并采用PLL闭环控制获得电机速度值后基于电机速度值计算电机角度补偿值，计算得到最终输出的精确的电机角度输出值，大大提高了无传感器的电机角度测量精度，大大提高了动态响应速度。

Description

无传感器的电机角度测量方法及系统
技术领域
本发明涉及车辆技术领域，具体涉及一种无传感器的电机角度测量方法及系统。
背景技术
电机位置信号的精度对于电机控制的结果十分重要。为了获得更高的功能安全等级，有必要生成多通道位置信号作为备用，其使得生产者使用双模电极传感器，这些都毫无疑问地会增加成本。同时，目前电机的小型化和轻量化越来越普遍，但是过小的电机尺寸使得安装位置传感器很困难。
基于此，与基于电机位置传感器的信号测量电机位置相比，通过目前的电机位置估算算法来计算位置信号越来越普遍，但是目前的方法中噪声和动态响应特性不是很理想。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种无传感器的电机角度测量方法及系统，大大提高了无传感器的电机角度测量精度，大大提高了动态响应速度。
本发明实施例提供一种无传感器的电机角度测量方法，包括如下步骤：
基于电机电压和电流数据，通过滑模变结构观测器获得反电动势数据；
基于所述反电动势数据，通过反正切函数获得电机角度基本值；
基于所述反电动势数据，通过锁相环闭环控制模块获得电机速度值；
基于所述电机速度值计算电机角度补偿值；
基于所述电机角度基本值和所述电机角度补偿值得到电机角度输出值。
在一些实施例中，所述通过滑模变结构观测器获得反电动势数据之后，还包括如下步骤：
通过低通滤波器对所述反电动势数据进行低通滤波处理。
在一些实施例中，基于所述电机速度值计算电机角度补偿值，包括通过如下公式计算电机角度补偿值
Figure BDA0003023862270000021
Figure BDA0003023862270000022
其中，ωe为所述相环闭环控制模块输出的电机速度值，ωc为所述低通滤波器的截止频率。
在一些实施例中，所述通过反正切函数获得电机角度基本值，包括通过如下公式计算电机角度基本值
Figure BDA0003023862270000023
Figure BDA0003023862270000024
其中，
Figure BDA0003023862270000025
和
Figure BDA0003023862270000026
分别为所述滑模变结构观测器输出的α和β轴的反电动势值。
在一些实施例中，所述通过锁相环闭环控制模块获得电机速度值，包括如下步骤：
通过输入单元，基于所述滑模变结构观测器输出的α轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号的正弦值得到第一输入值，基于所述滑模变结构观测器输出的β轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号的余弦值得到第二输入值；
通过误差计算单元计算所述输入单元输出的第一输入值和所述第二输入值之间的误差值；
通过PID控制器，基于所述误差计算单元输出的所述误差值获得电机速度值；
通过积分器，基于所述PID控制器输出的电机速度值得到反馈角度信号。
在一些实施例中，基于所述电机角度基本值和所述电机角度补偿值得到电机角度输出值，包括：将所述电机角度基本值加上所述电机角度补偿值得到电机角度输出值。
本发明实施例还提供一种无传感器的电机角度测量系统，应用于所述的无传感器的电机角度测量方法，所述系统包括：
滑模变结构观测器，用于基于输入的基于电机电压和电流数据，获得反电动势数据；
反正切计算模块，用于基于所述反电动势数据，通过反正切函数获得电机角度基本值；
锁相环闭环控制模块，用于基于所述反电动势数据，获得电机速度值；
补偿值计算模块，用于基于所述电机速度值计算电机角度补偿值；
角度值输出模块，用于基于所述电机角度基本值和所述电机角度补偿值得到电机角度输出值。
在一些实施例中，还包括低通滤波器，用于对所述滑模变结构观测器输出的所述反电动势数据进行低通滤波处理。
在一些实施例中，所述补偿值计算模块用于采用如下公式计算电机角度补偿值
Figure BDA0003023862270000031
Figure BDA0003023862270000032
其中，ωe为所述相环闭环控制模块输出的电机速度值，ωc为所述低通滤波器的截止频率。
在一些实施例中，所述锁相环闭环控制模块包括输入单元、误差计算单元、PID控制器和积分器，其中：
所述输入单元用于基于所述滑模变结构观测器输出的α轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号的正弦值得到第一输入值，基于所述滑模变结构观测器输出的β轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号的余弦值得到第二输入值；
所述误差计算单元用于计算所述输入单元输出的第一输入值和所述第二输入值之间的误差值；
所述PID控制器用于基于所述误差计算单元输出的所述误差值获得电机速度值；
所述积分器用于基于所述PID控制器输出的电机速度值得到反馈角度信号。
本发明所提供的无传感器的电机角度测量方法及系统具有如下优点：
本发明首先基于电机电压电流获得反电动势，然后采用反正切函数获得电机角度基本值，并采用PLL闭环控制获得电机速度值后基于电机速度值计算电机角度补偿值，然后将前面得到的电机角度基本值和电机角度补偿值，计算得到最终输出的精确的电机角度输出值，大大提高了无传感器的电机角度测量精度，大大提高了动态响应速度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是一种基于反正切函数测量电机角度的电路示意图；
图2是一种基于PLL闭环控制测量电机速度的电路示意图；
图3是本发明一实施例的无传感器的点击角度测量方法的流程图；
图4是本发明一实施例的电机角度测量电路的示意图；
图5是本发明一实施例的无传感器的电机角度测量系统的结构框图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
无角度传感器算法中可以使用滑模变结构观测器(Slide Mode Observer,SMO)来观察α和β轴BEMF(Back Electromotive Force，反电动势)，然后通过反正切函数或通过PLL闭环控制获得电机速度和转子位置。滑模变结构观测器有足够的动态响应并且可以适应于动态响应。然而，它将引入大噪声，以使得观测的alpha和beta轴BEMF有大信号噪声。为了抑制噪声，需要在观测的BEMF进行低通滤波，但是低通滤波将衰减振幅和产生相位滞后，由此导致在电机角度和速度在真实值和估算值之间存在更大的偏差。
图1是一种基于反正切函数测量电机角度的电路示意图，其中，在通过滑模变结构观测器获得α和β轴BEMF后，通过低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)进行低通滤波处理，通过反正切函数arctan得到电机角度，并且通过速度计算Velocity calculation来获得电机速度值ωe，在反正切函数arctan得到的电机角度基础上加上由电机速度值ωe和低通滤波器截止频率ωc得到的补偿值，得到输出的电机角度值。然而，反正切函数arctan会进一步放大BEMF值的噪声，在转子位置(电机角度)信号中产生很大的噪声。为了抑制噪声，该方法中增加了低通滤波器对BEMF值进行低通滤波，然而这会衰减BEMF的振幅并且产生BEMF的相位延迟，从而使得在电机角度和速度在真实值和估算值之间存在更大的偏差。因此，滤波器截止频率对于结果有很大的影响。如果选择的滤波器截止频率过大，估计的位置信号将有过大的噪声，相反地，如果选择的滤波器截止频率过低，将会产生很大的静态误差。这个缺陷在高速和低速运转时变得尤为明显。
图2是一种基于PLL闭环控制测量电机速度的电路示意图。采用该电路进行电机角度和速度的测量时，效果优于图1中的电路，具有较高的静态精度和噪声特性。但是由于该电路中具有PID控制闭环，需要较多的响应时间，其动态性能比较差。
为了提高无传感器的电机角度测量算法的精度和动态响应速度，本发明提供了一种无传感器的电机角度测量方法，如图3所示，所述电机角度测量方法包括如下步骤：
S100：基于电机电压和电流数据，通过滑模变结构观测器获得反电动势数据，即所述滑模变结构观测器的输入为电机电压和电流数据，输出为反电动势数据；
S200：基于所述反电动势数据，通过反正切函数获得电机角度基本值；
S300：基于所述反电动势数据，通过锁相环闭环控制模块获得电机速度值，即所述锁相环闭环控制模块的输入为所述滑模变结构观测器得到的反电动势数据，输出为电机速度值；
S400：基于所述电机速度值计算电机角度补偿值；
S500：基于所述电机角度基本值和所述电机角度补偿值得到电机角度输出值。
本发明的无传感器的电机角度测量方法中，通过步骤S100基于电机电压电流获得反电动势，通过步骤S200采用反正切函数获得电机角度基本值，通过步骤S300采用PLL(Phase Locked Loop，锁相环)闭环控制获得电机速度值，通过步骤S400基于电机速度值计算电机角度补偿值，然后通过步骤S500基于步骤S200得到的电机角度基本值和步骤S400得到的电机角度补偿值，计算得到最终输出的精确的电机角度输出值，大大提高了无传感器的电机角度测量精度，大大提高了动态响应速度。
在该实施例中，所述步骤S100：通过滑模变结构观测器获得反电动势数据之后，步骤S200和步骤S300之前，还包括如下步骤：
通过低通滤波器对所述反电动势数据进行低通滤波处理。
如图4所示，为该实施例中电机角度测量方法所采用的电路的结构示意图。在该实施例中，首先将电机电压数据Uα、Uβ和反馈电流数据iα、iβ输入到滑模变结构观测器SMO中，SMO输出反电动势数据
Figure BDA0003023862270000061
和
Figure BDA0003023862270000062
分别为所述滑模变结构观测器输出的α和β轴的反电动势值，分别经过低通滤波器LPF后，输入到反正切计算模块arctan，得到反正切计算模块arctan输出的电机角度基本值
Figure BDA0003023862270000063
在该实施例中，所述步骤S200：通过反正切函数获得电机角度基本值，包括通过如下公式计算电机角度基本值
Figure BDA0003023862270000064
Figure BDA0003023862270000065
在该实施例中，所述锁相环闭环控制模块包括输入单元、误差计算单元、PID控制器和积分器。所述步骤S300：通过锁相环闭环控制模块获得电机速度值，包括如下步骤：
通过输入单元，基于所述滑模变结构观测器输出的α轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号的正弦值得到第一输入值，基于所述滑模变结构观测器输出的β轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号的余弦值得到第二输入值；
通过误差计算单元计算所述输入单元输出的第一输入值和所述第二输入值之间的误差值；
通过PID控制器，基于所述误差计算单元输出的所述误差值获得电机速度值；
通过积分器，基于所述PID控制器输出的电机速度值得到反馈角度信号。
如图4所示，所述输入单元包括两个乘法器，两个乘法器分别基于所述滑模变结构观测器输出的α轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号θe_PLL的正弦值得到第一输入值，基于所述滑模变结构观测器输出的β轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号θe_PLL的余弦值得到第二输入值。然后计算第一输入值和第二输入值的误差θerr。误差θerr输入到PID控制器中，得到输出的电机速度值ωe。电机速度值ωe输入到积分器中，得到输出的反馈角度信号θe_PLL。
所述步骤S400中，基于所述电机速度值计算电机角度补偿值，包括基于所述低通滤波器的截止频率ωc和所述相环闭环控制模块输出的电机速度值ωe通过函数f(ωe,ωc)得到电机角度补偿值。在该实施例中，通过如下公式计算电机角度补偿值
Figure BDA0003023862270000071
Figure BDA0003023862270000072
其中，ωe为所述相环闭环控制模块输出的电机速度值，ωc为所述低通滤波器的截止频率。
在该实施例中，所述步骤S500：基于所述电机角度基本值和所述电机角度补偿值得到电机角度输出值，包括：将所述电机角度基本值
Figure BDA0003023862270000073
加上所述电机角度补偿值
Figure BDA0003023862270000074
得到电机角度输出值
Figure BDA0003023862270000075
在其他可替代的实施方式中，也可以将所述电机角度补偿值乘以一个预设的系数后再与所述电机角度基本值加和，或者两者采用其他的组合方式，均属于本发明的保护范围之内。
经过测试，采用本发明的无传感器的电机角度测量方法时，当电机以500rpm运行时，相比于采用传统的PLL算法(即图2对应的方法)，动态响应时间提高了0.17s，相比于传统的滑模控制方法(即图1对应的方法)，精度提高了4.2度。当电机以1000rpm运行时，相比于采用传统的PLL算法(即图2对应的方法)，动态响应时间提高了0.26s，相比于传统的滑模控制方法(即图1对应的方法)，精度提高了8.1度。因此，本发明相比于图1和图2中的方法，在大大提高精度的同时提高了动态响应时间，可以更准确地得到电机位置信息。
如图5所示，本发明实施例还提供一种无传感器的电机角度测量系统，应用于所述的无传感器的电机角度测量方法，所述系统包括：
滑模变结构观测器M100，用于基于输入的基于电机电压和电流数据，获得反电动势数据；
反正切计算模块M200，用于基于所述反电动势数据，通过反正切函数获得电机角度基本值
Figure BDA0003023862270000081
锁相环闭环控制模块M300，用于基于所述反电动势数据，获得电机速度值ωe；
补偿值计算模块M400，用于基于所述电机速度值ωe计算电机角度补偿值
Figure BDA0003023862270000082
角度值输出模块M500，用于基于所述电机角度基本值
Figure BDA0003023862270000083
和所述电机角度补偿值
Figure BDA0003023862270000084
得到电机角度输出值
Figure BDA0003023862270000085
在该实施例中，所述角度值输出模块M500用于将所述电机角度基本值
Figure BDA0003023862270000086
加上所述电机角度补偿值
Figure BDA0003023862270000087
得到电机角度输出值
Figure BDA0003023862270000088
本发明的无传感器的电机角度测量系统中，通过滑模变结构观测器M100基于电机电压电流获得反电动势，通过反正切计算模块M200采用反正切函数获得电机角度基本值，通过锁相环闭环控制模块M300采用PLL闭环控制获得电机速度值，通过补偿值计算模块M400基于电机速度值计算电机角度补偿值，然后通过角度值输出模块M500基于反正切计算模块M200得到的电机角度基本值和补偿值计算模块M400得到的电机角度补偿值，计算得到最终输出的精确的电机角度输出值，大大提高了无传感器的电机角度测量精度，大大提高了动态响应速度。
在该实施例中，所述无传感器的电机角度测量系统还包括低通滤波器，用于对所述滑模变结构观测器输出的所述反电动势数据进行低通滤波处理。
如图4所示，为该实施例中电机角度测量系统所对应的电路的结构示意图。在该实施例中，滑模变结构观测器SMO的输入为电机电压数据Uα、Uβ和反馈电流数据iα、iβ，滑模变结构观测器SMO的的输出为α和β轴的反电动势值，分别经过低通滤波器LPF后，输入到反正切计算模块arctan，得到反正切计算模块arctan输出的电机角度基本值
Figure BDA0003023862270000089
在该实施例中，所述补偿值计算模块用于采用如下公式计算电机角度补偿值
Figure BDA0003023862270000091
Figure BDA0003023862270000092
其中，ωe为所述相环闭环控制模块输出的电机速度值，ωc为所述低通滤波器的截止频率。
在该实施例中，所述锁相环闭环控制模块包括输入单元、误差计算单元、PID控制器和积分器，其中：所述输入单元用于基于所述滑模变结构观测器输出的α轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号的正弦值得到第一输入值，基于所述滑模变结构观测器输出的β轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号的余弦值得到第二输入值；所述误差计算单元用于计算所述输入单元输出的第一输入值和所述第二输入值之间的误差值θerr；所述PID控制器用于基于所述误差计算单元输出的所述误差值θerr获得电机速度值ωe；所述积分器用于基于所述PID控制器输出的电机速度值得到反馈角度信号θe_PLL。
如图4所示，所述输入单元包括两个乘法器，两个乘法器分别基于所述滑模变结构观测器输出的α轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号θe_PLL的正弦值得到第一输入值，基于所述滑模变结构观测器输出的β轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号θe_PLL的余弦值得到第二输入值。然后计算第一输入值和第二输入值的误差θerr。误差θerr输入到PID控制器中，得到输出的电机速度值ωe。电机速度值ωe输入到积分器中，得到输出的反馈角度信号θe_PLL。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无传感器的电机角度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于电机电压和电流数据，通过滑模变结构观测器获得反电动势数据；
基于所述反电动势数据，通过反正切函数获得电机角度基本值；
基于所述反电动势数据，通过锁相环闭环控制模块获得电机速度值；
基于所述电机速度值计算电机角度补偿值；
基于所述电机角度基本值和所述电机角度补偿值得到电机角度输出值。
2.根据权利要求1所述的无传感器的电机角度测量方法，其特征在于，所述通过滑模变结构观测器获得反电动势数据之后，还包括如下步骤：
通过低通滤波器对所述反电动势数据进行低通滤波处理。
3.根据权利要求2所述的无传感器的电机角度测量方法，其特征在于，基于所述电机速度值计算电机角度补偿值，包括通过如下公式计算电机角度补偿值
Figure FDA0003023862260000011
Figure FDA0003023862260000012
其中，ωe为所述相环闭环控制模块输出的电机速度值，ωc为所述低通滤波器的截止频率。
4.根据权利要求1所述的无传感器的电机角度测量方法，其特征在于，所述通过反正切函数获得电机角度基本值，包括通过如下公式计算电机角度基本值
Figure FDA0003023862260000013
Figure FDA0003023862260000014
其中，
Figure FDA0003023862260000015
和
Figure FDA0003023862260000016
分别为所述滑模变结构观测器输出的α和β轴的反电动势值。
5.根据权利要求1所述的无传感器的电机角度测量方法，其特征在于，所述通过锁相环闭环控制模块获得电机速度值，包括如下步骤：
通过输入单元，基于所述滑模变结构观测器输出的α轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号的正弦值得到第一输入值，基于所述滑模变结构观测器输出的β轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号的余弦值得到第二输入值；
通过误差计算单元计算所述输入单元输出的第一输入值和所述第二输入值之间的误差值；
通过PID控制器，基于所述误差计算单元输出的所述误差值获得电机速度值；
通过积分器，基于所述PID控制器输出的电机速度值得到反馈角度信号。
6.根据权利要求1所述的无传感器的电机角度测量方法，其特征在于，基于所述电机角度基本值和所述电机角度补偿值得到电机角度输出值，包括：将所述电机角度基本值加上所述电机角度补偿值得到电机角度输出值。
7.一种无传感器的电机角度测量系统，其特征在于，应用于权利要求1至6中任一项所述的无传感器的电机角度测量方法，所述系统包括：
滑模变结构观测器，用于基于输入的基于电机电压和电流数据，获得反电动势数据；
反正切计算模块，用于基于所述反电动势数据，通过反正切函数获得电机角度基本值；
锁相环闭环控制模块，用于基于所述反电动势数据，获得电机速度值；
补偿值计算模块，用于基于所述电机速度值计算电机角度补偿值；
角度值输出模块，用于基于所述电机角度基本值和所述电机角度补偿值得到电机角度输出值。
8.根据权利要求7所述的无传感器的电机角度测量系统，其特征在于，还包括低通滤波器，用于对所述滑模变结构观测器输出的所述反电动势数据进行低通滤波处理。
9.根据权利要求8所述的无传感器的电机角度测量系统，其特征在于，所述补偿值计算模块用于采用如下公式计算电机角度补偿值
Figure FDA0003023862260000021
Figure FDA0003023862260000022
其中，ωe为所述相环闭环控制模块输出的电机速度值，ωc为所述低通滤波器的截止频率。
10.根据权利要求7所述的无传感器的电机角度测量系统，其特征在于，所述锁相环闭环控制模块包括输入单元、误差计算单元、PID控制器和积分器，其中：
所述输入单元用于基于所述滑模变结构观测器输出的α轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号的正弦值得到第一输入值，基于所述滑模变结构观测器输出的β轴的反电动势值和所述积分器输出的反馈角度信号的余弦值得到第二输入值；
所述误差计算单元用于计算所述输入单元输出的第一输入值和所述第二输入值之间的误差值；
所述PID控制器用于基于所述误差计算单元输出的所述误差值获得电机速度值；
所述积分器用于基于所述PID控制器输出的电机速度值得到反馈角度信号。
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