CN115514278A - 一种半正切积分型的电机位置和速度估计方法及装置 - Google Patents

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李光奇
王晋
范陆健
樊明迪
李建文
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Abstract

本发明公开了一种半正切积分型的电机位置和速度估计方法及装置，包括以下步骤；步骤一，采集电机的三相电流；步骤二，对步骤一的三相电流进行Clark变换，得到αβ坐标系下的电机电流信号；步骤三，利用αβ坐标系下的电流信号和电机模型，构建滑模观测器；步骤四，基于估计电流和实际电流信号，计算电机的反电动势；步骤五，将反电动势信号进行Park变换，利用变换信号计算半正切型的电机位置误差信息；步骤六，基于位置误差，构建积分型的电机位置和速度估计器。本发明在电机速度变化大的情况下，不仅具有优良的动态响应速度，而且具有良好的稳态精度。

Description

一种半正切积分型的电机位置和速度估计方法及装置
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种半正切积分型的电机位置和速度估计方法及装置。
背景技术
在电机的无位置控制中，需要设计电机的位置和速度估计器。在现有技术中通常通过锁相环技术实现。然而当电机的速度变化大时，现有的锁相环估计算法具有响应速度慢和严重的振荡问题，且对于电机的速度估计具有较差的扰动抑制能力。因而，当电机的速度变化大时，锁相环无法快速精确估计电机的位置和速度，从而恶化无位置控制器的控制性能。
综上所述，现有技术存在的问题是：当电机速度变化大时，现有基于锁相环的电机位置和速度估计算法存在动态响应慢和振荡等问题，且速度估计具有较差的扰动抑制能力，这些问题严重影响电机无位置控制器的控制性能。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种半正切积分型的电机位置和速度估计方法及装置，在电机速度变化大的情况下，不仅具有优良的动态响应速度，而且具有良好的稳态精度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种半正切积分型的电机位置和速度估计方法，包括以下步骤；
步骤一，采集电机的三相电流；
步骤二，对步骤一的三相电流进行Clark变换，得到αβ坐标系下的电机电流信号；
步骤三，利用αβ坐标系下的估计电流信号与实际电机电流信号，并结合αβ坐标系下的电机模型，构建滑模观测器；
步骤四，基于估计电流和实际电流信号之差，计算电机的反电动势；
步骤五，将反电动势信号进行Park变换，利用变换信号计算半正切型的电机位置误差信息；
步骤六，基于位置误差，构建积分型的电机位置和速度估计器，利用该估计器估计电机位置和速度。
所述步骤一中的采集电机三相电流为ia,ib,ic，进行Clark变换，得到αβ坐标系下的电机电流iα，iβ：公式为：
Figure BDA0003924456810000021
所述步骤三中，αβ坐标系下的电机模型的具体公式为：
Figure BDA0003924456810000022
Figure BDA0003924456810000023
其中Rs为电机的相绕组电阻，Ls为电机线电感，ia,ib为两相静止坐标系下电流，ua,ub为两相静止坐标系下电压，ea,eb为两相静止坐标系下反电势。
所述步骤三中，构建滑模观测器的具体公式为：
Figure BDA0003924456810000024
Figure BDA0003924456810000025
其中
Figure BDA0003924456810000026
是需要估计的电流，Rs为电机的相绕组电阻，Ls为电机线电感，ia,ib为两相静止坐标系下电流，ua,ub为两相静止坐标系下电压，ea,eb为两相静止坐标系下反电势，k为滑模增益，sgn为符号函数。
所述步骤四中利用估计电流和实际电流信号计算电机的反电动势：
Figure BDA0003924456810000031
其中
Figure BDA0003924456810000032
是需要估计的电流，ia,ib为两相静止坐标系下电流，ea,eb为两相静止坐标系下反电势，k为滑模增益，sgn为符号函数，w实际电角速度，lf为永磁体磁链。
所述步骤五中基于电动势
Figure BDA0003924456810000033
进行Park变换：
Figure BDA0003924456810000034
其中
Figure BDA0003924456810000035
是电机位置q的估计值，ea,eb为两相静止坐标系下反电势，ed,eq为两相旋转坐标系下反电势，w实际电角速度，lf为永磁体磁链；利用三角函数公式得到半正切型的电机位置误差信息：
Figure BDA0003924456810000036
其中etq是电机位置误差信息，
Figure BDA0003924456810000037
是电机位置q的估计值，ea,eb为两相静止坐标系下反电势，ed,eq为两相旋转坐标系下反电势，w实际电角速度，lf为永磁体磁链。
所述步骤六利用电机位置误差信息etq构建积分型的电机位置和速度估计器：
Figure BDA0003924456810000038
其中
Figure BDA0003924456810000039
是电机位置的估计值，
Figure BDA00039244568100000310
是电机位置q的估计值，k1,k2是设计参数。
利用一种半正切积分型的电机位置和速度估计方法得到的电机电流参数估计装置，包括三相电流传感器，所述三相电流传感器用于采集电机三相电流，采集到的信号经二阶滤波器、放大器、模数转换器和电机电流参数估计器；电机电流参数估计器对电机位置和速度进行估计。
本发明的有益效果：
在电机的速度变化大时，具有快速的动态响应和优良的稳态精度；本发明提出了电机位置和速度的估计方法，并提出了相应的硬件电路，在电机速度变化大的情况下，具有动态响应速度快和稳态精度高等优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电机位置和速度的估计方法流程图。
图2是本发明实施例提供的电机位置和速度的估计方法实现流程图。
图3是本发明实施例提供的电机电流参数估计装置结构示意图。
图中：1、三相电流传感器；2、二阶滤波器；3、放大器；4、模数转换器；5、电机电流参数估计器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供的电机位置和速度的估计方法包括以下步骤：
S101：采集电机三相电流；
S102：进行Clarke变换，得到αβ坐标系下的电机电流；
S103：构建滑模观测器；
S104：计算电机的电动势；
S105：进行Park变换和三角函数计算，得到电机的位置误差信息；
S106:构建电机的位置和速度估计算法。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图2所示，本发明实施例提供的本发明实施例提供的电机位置和速度估计方法包括以下步骤：
第一步，采集电机的三相电流ia，ib，ic；
第二步，进行Clarke变换：
Figure BDA0003924456810000051
得到αβ坐标系下的电机电流iα，iβ；
第三步，构建滑模观测器：
Figure BDA0003924456810000052
其中
Figure BDA0003924456810000053
是估计的电流。
第四步，计算电机的电动势：
Figure BDA0003924456810000054
第五步，将电动势进行Park变换和三角函数计算：
Figure BDA0003924456810000055
第六步，构建电机的位置和速度估计算法：
Figure BDA0003924456810000056
其中
Figure BDA0003924456810000061
是电机位置的估计值。
如图3所示，本发明实施例提供的电机电流参数估计装置包括三相电流传感器1、二阶滤波器2、放大器3、模数转换器4、电机电流参数估计器5。
三相电流传感器1采集电机三相电流，采集到的信号经二阶滤波器2、放大器3、模数转换器4后，由电机电流参数估计器5对电机位置和速度进行估计，其中，电机电流参数估计器5为DSP或MCU运行电机电流参数估计方法构成。
将估计所得电机的位置与速度，通过与编码器采集得到的电机真实的位置和速度进行比较，结果基本一致，证明本发明估计的结果是准确的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种半正切积分型的电机位置和速度估计方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一，采集电机的三相电流；
步骤二，对步骤一的三相电流进行Clark变换，得到αβ坐标系下的电机电流信号；
步骤三，利用αβ坐标系下的估计电流信号与实际电机电流信号，并结合αβ坐标系下的电机模型，构建滑模观测器；
步骤四，基于估计电流和实际电流信号之差，计算电机的反电动势；
步骤五，将反电动势信号进行Park变换，利用变换信号计算半正切型的电机位置误差信息；
步骤六，基于位置误差，构建积分型的电机位置和速度估计器。
2.根据权利要求1所述的一种半正切积分型的电机位置和速度估计方法，其特征在于，所述步骤一中的采集电机三相电流为ia,ib,ic，进行Clark变换，得到αβ坐标系下的电机电流iα，iβ：公式为：
Figure FDA0003924456800000011
3.根据权利要求1所述的一种半正切积分型的电机位置和速度估计方法，其特征在于，所述步骤三中，αβ坐标系下的电机模型的具体公式为：
Figure FDA0003924456800000012
Figure FDA0003924456800000013
其中Rs为电机的相绕组电阻，Ls为电机线电感，ia,ib为两相静止坐标系下电流，ua,ub为两相静止坐标系下电压，ea,eb为两相静止坐标系下反电势。
所述步骤三中，构建滑模观测器的具体公式为：
Figure FDA0003924456800000021
其中
Figure FDA0003924456800000022
是需要估计的电流，Rs为电机的相绕组电阻，Ls为电机线电感，ia,ib为两相静止坐标系下电流，ua,ub为两相静止坐标系下电压，ea,eb为两相静止坐标系下反电势，k为滑模增益，sgn为符号函数。
4.根据权利要求1所述的一种半正切积分型的电机位置和速度估计方法，其特征在于，所述步骤四中利用估计电流和实际电流信号计算电机的反电动势：
Figure FDA0003924456800000023
其中
Figure FDA0003924456800000024
是需要估计的电流，ia,ib为两相静止坐标系下电流，ea,eb为两相静止坐标系下反电势，k为滑模增益，sgn为符号函数，w实际电角速度，lf为永磁体磁链。
5.根据权利要求1所述的一种半正切积分型的电机位置和速度估计方法，其特征在于，所述步骤五中基于电动势
Figure FDA0003924456800000025
进行Park变换：
Figure FDA0003924456800000026
其中
Figure FDA0003924456800000027
是电机位置q的估计值，ea,eb为两相静止坐标系下反电势，ed,eq为两相旋转坐标系下反电势，w实际电角速度，lf为永磁体磁链；利用三角函数公式得到半正切型的电机位置误差信息：
Figure FDA0003924456800000028
其中etq是电机位置误差信息，
Figure FDA0003924456800000031
是电机位置q的估计值，ea,eb为两相静止坐标系下反电势，ed,eq为两相旋转坐标系下反电势，w实际电角速度，lf为永磁体磁链。
6.根据权利要求1所述的一种半正切积分型的电机位置和速度估计方法，其特征在于，所述步骤六利用电机位置误差信息etq构建积分型的电机位置和速度估计器：
Figure FDA0003924456800000032
其中
Figure FDA0003924456800000033
是电机位置的估计值，
Figure FDA0003924456800000034
是电机位置q的估计值，k1,k2是设计参数。
7.基于权利要求1-6任一项所述的一种半正切积分型的电机位置和速度估计方法得到的电机电流参数估计装置，其特征在于，包括三相电流传感器，所述三相电流传感器用于采集电机三相电流，采集到的信号经二阶滤波器、放大器、模数转换器和电机电流参数估计器；电机电流参数估计器对电机位置和速度进行估计。
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