用于在线估计表面式永磁电机的初始位置的方法和装置与流程

本发明的实施例涉及表面式永磁电机控制领域，具体地，涉及用于在静止状态或第一速度下在线估计表面式永磁电机的初始位置的方法以及用于在静止状态或第一速度下在线估计表面式永磁电机的初始位置的装置。

背景技术：

为了驱动表面式永磁同步电机(SPMSM/SPM：Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)，需要获取转子位置以便实现矢量控制(FOC：Field Oriented Control)。在没有转子位置传感器的情况下，转子位置能够通过从所测量的相电流之中抽取出位置信息的方式来加以估计。当该同步电机以速度零或者较低的速度(通常为额定速度的10％)来运行时，因为速度也非常小的缘故，所以反向电动势非常小。在这样的情况下，高频率脉动电压注入(HFPVI：High Frequency Pulsating Voltage Injection)方法通常用于抽取转子位置信息。

原则上来说，高频率脉动电压注入方法仅仅跟踪转子凸极的位置，该位置并不包括转子位置的极性。如果所估计的转子位置的极性是不准确的，那么电磁扭矩将会和参考扭矩相反，由此将会引起电极控制的故障。先前的用于估计转子位置极性的方法为从d轴的正向和负向分别注入电压脉冲并且根据所测量的电流的幅度差来确定转子极性。然而，该方法需要至少注入电压信号两次，并且在确定转子极性之前需要消耗较长的时间(数百毫秒级)，而且该方法必须在电极处于停止状态时来确定转子极性。所以这样的方法为离线方法，因而不能被用于启动具有一定的初始速度的电机。

技术实现要素：

为了实现在线的转子位置判定，尤其是具有一定速度的电机的转子位置判定，依据本发明提供了一种具有创新性的方法，该方法为在线方法并且能够被用于在以零速度或者以较低的第一速度来启动的电机之上使用。该方法基于d轴之上的高频电流的二次谐波来实现。该方法能够补偿定子阻抗以及PWM时延的影响，从而能够最大化转子位置误差载波电流以及该转子位置载波电流的信噪比。因此能够改善静止状态或者低速状态时的转子位置估计的精度。

依据本发明提出了一种用于在静止状态或第一速度下在线估计表面式永磁电机的初始位置的方法，所述方法包括：

注入高频脉动电压信号；

获取响应于所述高频脉动电压信号的d轴高频电流信号；以及

根据所述d轴高频电流信号的二次谐波来估计所述表面式永磁电机的初始位置。

依据本发明创新性地利用d轴高频电流信号的二次谐波来估计所述表面式永磁电机的初始位置，从而即便是在该表面式永磁电机具有一定的初始速度例如第一速度的情况下也能够准确地估计该表面式永磁电机的初始位置，进而实现了该表面式永磁电机的初始位置的在线估计。

在本发明的一种实施形式之中，对所述高频脉动电压信号进行相位补偿，以补偿定子阻抗以及脉冲宽度调制的时延。通过这样的相位补偿，能够补偿定子阻抗以及脉冲宽度调制的时延，进而提高所估计的表面式永磁电机的初始位置的准确性。

在本发明的一种实施形式之中，所述第一速度不超过所述表面式永磁电机的额定转速的10％。

在本发明的一种实施形式之中，所述初始位置包括转子凸极的位置和转子位置极性。以这样的方式，依据本发明的方法通过仅仅注入一次高频脉动电压信号便能够实现包括转子凸极的位置和转子位置极性在内的初始位置的估计，一方面能够降低估计初始位置的时间，提高系统性能；另一方面能够附加地获取转子位置极性信息，进而为后续的矢量控制提供必要的有用信息。

在本发明的一种实施形式之中，根据所述d轴高频电流信号的二次谐波来估计所述表面式永磁电机的初始位置进一步包括：

将所述d轴高频电流信号转换至d-q坐标系以得到第一分量和第二分量；

对所述第一分量进行带通滤波、正弦处理、低通滤波以及利用龙伯格观察器或者锁相环电路观察以得到所述表面式永磁电机的转子凸极的位置；以及

对所述第二分量进行带通滤波、余弦处理、低通滤波以及极性判断以得到所述表面式永磁电机的转子位置极性。

本领域的技术人员应当了解，依据本发明的方法包括但不限于上述处理步骤，也能够通过其他合适的技术手段来实现通过d轴高频电流信号的二次谐波来估计表面式永磁电机的初始位置。

此外，依据本发明还提供了一种用于在静止状态或第一速度下在线估计表面式永磁电机的初始位置的装置，所述装置包括：

电压注入单元，所述电压注入单元被构造为注入高频脉动电压信号；

电流获取单元，所述电流获取单元被构造为获取响应于所述高频脉动电压信号的d轴高频电流信号；以及

分析单元，所述分析单元被构造为分析所述d轴高频电流信号的二次谐波，以估计所述表面式永磁电机的初始位置。

在本发明的一种实施形式之中，所述电压注入单元还被构造为对所述高频脉动电压信号进行相位补偿，以补偿定子阻抗以及脉冲宽度调制的时延。

在本发明的一种实施形式之中，所述第一速度不超过所述表面式永磁电机的额定转速的10％。

在本发明的一种实施形式之中，所述初始位置包括转子凸极的位置和转子位置极性。

在本发明的一种实施形式之中，所述分析单元进一步包括：

坐标系转换单元，其被构造为将所述d轴高频电流信号转换至d-q坐标系以得到第一分量和第二分量；

第一处理单元，其包括第一带通滤波器、正弦处理单元、第一低通滤波器和龙伯格观察器或者锁相环电路并且被构造为对所述第一分量进行带通滤波、正弦处理、低通滤波以及利用龙伯格观察器或者锁相环电路观察以得到所述表面式永磁电机的转子凸极的位置；以及

第二处理单元，其包括第二带通滤波器、余弦处理单元、第二低通滤波器和极性判断电路并且被构造为对所述第二分量进行带通滤波、余弦处理、低通滤波以及极性判断以得到所述表面式永磁电机的转子位置极性。

在本发明的一种实施形式之中，所述第二低通滤波器为具有零时延的自适应滤波器，以便补偿所述第二低通滤波器所引入的相移。

与现有方法相比，该方法主要具有以下几方面的优点：

首先，该方法实现了在线的转子位置极性判断，而且能够实现在以较低速度启动时的转子位置极性判断，相较于现有技术之中的只能在转子处于停止状态时才能使用的离线方法具有较大的比较优势；

其次，相较于传统的离线方法，该方法能够缩短用于确定转子位置的时间，在该方法之中所需的时间仅仅为约20至40毫秒，而且与之同时能够补偿定子阻抗和PWM时延，并由此改善转子位置的估计精度。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1示意性地示出了依据本发明的用于在静止状态或第一速度下在线估计表面式永磁电机的初始位置的方法100的流程图；

图2示意性地示出了依据本发明的用于在静止状态或第一速度下在线估计表面式永磁电机的初始位置的装置200的方框图；以及

图3示意性地示出了依据本发明的分析单元230的方框图。

在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置(模块)或步骤。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。

从理论上来说，d轴磁通和d轴电流的关系如下：当d轴电流为正的时，d轴电枢反应磁通与永磁体磁通同向，这便会引起d轴磁路的进一步饱和，并且使得d轴电感下降；相应地，当d轴电流为负的时，d轴电枢反应磁通与永磁体磁通反向，这便会引起d轴磁路的饱和等级下降并且使得d轴电感上升。通过以上的电感饱和效应便能够区分转子的N极和S极。

通过以上论述可知，d轴电流为d轴磁通的函数，通过将该函数在(ψ_m，0)处省略掉其余的拉格朗日余项得到的二级泰勒级数为：

i_d(ψ_d)＝R_d0(ψ_d-ψ_m)+R′_d(ψ_d-ψ_m)²+R″_d(ψ_d-ψ_m)³ (1)

其中，并且

如果在所估计的d-q坐标系之中注入了如下的高频脉动电压信号：

那么，在考虑定子阻抗和PWM时延的情况下，高频响应电流能够表示为：

其中，z_dh＝R_s+jω_hL_d，z_qh＝R_s+jω_hL_q，并且

φ₁＝arctan(R_s/ω_hL_d)，φ₂＝arctan(R_s/ω_hL_q)，φ₃为由于PWM时延所引起的相移。

通过以上公式(3)的第一项能够抽取出转子凸极位置，而从该公式(3)的第二项能够抽取出以下信息，即该转子位置趋向N极还是S极，具体的抽取方法将在接下来的部分详细描述。

通过相应的办法，能够得到如下所述的转子位置误差信号，即：

其中，

而转子位置极性误差信号为：

如果转子位置估计误差为δθ_e或者δθ_e+π，那么极性载波信号幅度为：

其中，

由以上的式子(4)和(6)可知，通过依据本发明的用于在静止状态或第一速度下在线估计表面式永磁电机的初始位置的方法能够估计出表面式永磁电机的初始位置，具体地，图1示出了一种用于在静止状态或第一速度下在线估计表面式永磁电机的初始位置的方法的流程图100，从图1可以看出，该方法包括以下步骤：

首先，在步骤110之中将会注入高频脉动电压信号；

然后，在接下来的步骤120之中将会获取响应于高频脉动电压信号的d轴高频电流信号；以及

最后，在步骤130之中根据d轴高频电流信号的二次谐波来估计表面式永磁电机的初始位置。

可选地或者附加地，上述的第一速度不超过表面式永磁电机的额定转速的10％。

在以上的表述之中，初始位置能够包括转子凸极的位置和转子位置极性。以这样的方式，依据本发明的方法通过仅仅注入一次高频脉动电压信号便能够实现包括转子凸极的位置和转子位置极性在内的初始位置的估计，一方面能够降低估计初始位置的时间，提高系统性能；另一方面能够附加地获取转子位置极性信息，进而为后续的矢量控制提供必要的有用信息。

以上根据d轴高频电流信号的二次谐波来估计所述表面式永磁电机的初始位置的步骤130能够进一步包括：

将所述d轴高频电流信号转换至d-q坐标系以得到第一分量和第二分量；

对第一分量进行带通滤波、正弦处理、低通滤波以及利用龙伯格观察器LO或者锁相环电路观察以得到所述表面式永磁电机的转子凸极的位置；以及

对第二分量进行带通滤波、余弦处理、低通滤波以及极性判断以得到所述表面式永磁电机的转子位置极性。

接下来，将结合图2的装置框图200以及图3的有关分析装置的详细方块图300来进一步阐明依据本发明的方法的实施步骤。

具体地，图2示出了依据本发明的用于在静止状态或第一速度下在线估计表面式永磁电机的初始位置的装置200的方框图以及图3示出了依据本发明的分析单元230的方框图。

从图2之中可以看出，依据本发明的用于在静止状态或第一速度下在线估计表面式永磁电机的初始位置的装置200包括以下部分：

电压注入单元210，该电压注入单元被构造为注入高频脉动电压信号；

电流获取单元220，该电流获取单元被构造为获取响应于高频脉动电压信号的d轴高频电流信号；以及

分析单元230，该分析单元被构造为分析d轴高频电流信号的二次谐波，以估计表面式永磁电机的初始位置。

可选地或者附加地，第一速度不超过表面式永磁电机的额定转速的10％。在本发明的一个实施例之中，初始位置包括转子凸极的位置和转子位置极性。

更为具体地，分析单元230进一步包括：

坐标系转换单元232，其被构造为将d轴高频电流信号转换至d-q坐标系以得到第一分量和第二分量；

第一处理单元234，其包括第一带通滤波器、正弦处理单元、第一低通滤波器和龙伯格观察器或者锁相环电路并且被构造为对第一分量进行带通滤波、正弦处理、低通滤波以及利用龙伯格观察器或者锁相环电路观察以得到表面式永磁电机的转子凸极的位置；以及

第二处理单元236，其包括第二带通滤波器、余弦处理单元、第二低通滤波器和极性判断电路并且被构造为对所述第二分量进行带通滤波、余弦处理、低通滤波以及极性判断以得到表面式永磁电机的转子位置极性。优选地，第二低通滤波器为具有零时延的自适应滤波器，以便补偿所述第二低通滤波器所引入的相移。

然而，定子阻抗和PWM时延(在式子(4)和(6)之中分别表现为φ₁和φ₃)将会降低位置误差幅度以及极性载波信号幅度，并且由此降低信噪比。为了最大化位置载波信号和极性载波信号的信噪比，需要补偿掉定子阻抗和PWM时延。优选地，能够对所述高频脉动电压信号进行相位补偿，以补偿定子阻抗以及脉冲宽度调制的时延。然后，所注入的高频脉动电压信号应当为：

通过对所注入的高频脉动电压信号进行相位补偿，所得到的位置误差幅度以及极性载波信号幅度相应地应该为：

以及

由以上的式子(8)和(9)可以看出，在以上的两个位置误差幅度以及极性载波信号幅度之中，定子阻抗和PWM时延(φ₁和φ₃)均已经得以消除。因此，转子位置估计误差δθ′_e基本上趋向于零，并且转子位置载波信号的信噪比得以最大化了。换句话说，通过这样的相位补偿，能够补偿定子阻抗以及脉冲宽度调制的时延，进而提高所估计的表面式永磁电机的初始位置的准确性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。