永磁同步电机无位置传感器控制方法和装置与流程
本发明涉及电机控制技术领域，更具体地说，涉及永磁同步电机无位置传感器控制方法和装置。
背景技术：
永磁同步电机调速控制系统需要获取精确的转子位置和速度信息作为反馈量以形成闭环控制。但利用高精度的位置传感器来直接测量转子位置和速度信息，不仅增加了系统成本，还降低了系统稳定性。为克服位置传感器的上述缺点，永磁同步电机无位置传感器控制技术应运而生。
永磁同步电机无位置传感器控制技术，是指利用适当的算法来估算出转子位置和速度信息，从而取代位置传感器的技术。目前，比较成熟的算法有反电动势直接计算法、高频信号注入法、观测器法等，但这些算法都存在同样的缺陷，就是在零速和低速段精度差，因而难以在全速度范围内都获得高精度的转子位置和速度信息。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了永磁同步电机无位置传感器控制方法和装置，以实现在全速度范围内都获得高精度的转子位置和速度信息。
一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，包括：
确定d-q坐标系下的电流型定子磁链；
对所述d-q坐标系下的电流型定子磁链进行反Park变换，得到α-β坐标系下的电流型定子磁链；其中，所述进行反Park变换时所用位置信号为上一次估算出的永磁同步电机转子位置；
利用引入有模型偏差补偿控制量的电压型定子磁链估算模型，估算出α-β坐标系下的电压型定子磁链；其中，所述模型偏差补偿控制量是所述α-β坐标系下的电流型定子磁链与上一次估算出的α-β坐标系下的电压型定子磁链之间的偏差经过调节器调节后的输出量；
根据所述α-β坐标系下的电压型定子磁链，得到d-q坐标系下的转子磁链；
利用锁相环将所述转子磁链的q轴分量锁定为零，估算出永磁同步电机的转子位置和速度信息。
其中，所述确定d-q坐标系下的电流型定子磁链，包括：
利用电流型定子磁链估算模型，估算出d-q坐标系下的电流型定子磁链；
所述电流型定子磁链估算模型为
式中，和分别为电流型定子磁链在d、q轴的分量；id和iq分别为d、q轴采样电流；Ld和Lq分别为d、q轴电感；ψr为永磁体磁链。
其中，所述引入有模型偏差补偿控制量的电压型定子磁链估算模型为
式中，和分别为电压型定子磁链在α、β轴的分量；uα和uβ分别为α、β轴指令电压；Rs为定子电阻；iα和iβ分别为α、β轴采样电流；ucom_α和ucom_β分别为ucom在α、β轴的分量；ucom为所述α-β坐标系下的电流型定子磁链与上一次估算出的α-β坐标系下的电压型定子磁链之间的偏差经过调节器调节后的输出量，作为所述模型偏差补偿控制量。
其中，所述根据所述α-β坐标系下的电压型定子磁链，得到d-q坐标系下的转子磁链，包括：
根据所述α-β坐标系下的电压型定子磁链，估算出α-β坐标系下的转子磁链；
对所述α-β坐标系下的转子磁链作Park变换，得到d-q坐标系下的转子磁链。
其中，所述根据所述α-β坐标系下的电压型定子磁链，估算出α-β坐标系下的转子磁链，包括：
将所述α-β坐标系下的电压型定子磁链输入转子磁链估算模型，估算出α-β坐标系下的转子磁链；
所述转子磁链估算模型为
式中，ψrα和ψrβ分别为转子磁链在α、β轴的分量；和分别为电压型定子磁链在α、β轴的分量；ψrα_diff和ψrβ_diff为对Var_L·i在d、q轴的分量Var_Ldid和Var_Lqiq作反Park变换后得到的α、β轴分量；Var_L·i为定子电流与电感的乘积通过低通滤波器后的值；为所述上一次估算出的永磁同步电机转子位置。
一种永磁同步电机无位置传感器控制装置，包括：
电流型定子磁链估算单元，用于确定d-q坐标系下的电流型定子磁链；对所述d-q坐标系下的电流型定子磁链进行反Park变换，得到α-β坐标系下的电流型定子磁链；其中，所述进行反Park变换时所用位置信号为上一次估算出的永磁同步电机转子位置；
电压型定子磁链估算单元，用于利用引入有模型偏差补偿控制量的电压型定子磁链估算模型，估算出α-β坐标系下的电压型定子磁链；其中，所述模型偏差补偿控制量是所述α-β坐标系下的电流型定子磁链与上一次估算出的α-β坐标系下的电压型定子磁链之间的偏差经过调节器调节后的输出量；
转子磁链估算单元，用于根据所述α-β坐标系下的电压型定子磁链，得到d-q坐标系下的转子磁链；
锁相单元，用于利用锁相环将所述转子磁链的q轴分量锁定为零，估算出永磁同步电机的转子位置和速度信息。
其中，所述电流型定子磁链估算单元具体用于利用电流型定子磁链估算模型，确定d-q坐标系下的电流型定子磁链；
所述电流型定子磁链估算模型为
式中，和分别为电流型定子磁链在d、q轴的分量；id和iq分别为d、q轴采样电流；Ld和Lq分别为d、q轴电感；ψr为永磁体磁链。
其中，所述引入有模型偏差补偿控制量的电压型定子磁链估算模型为
式中，和分别为电压型定子磁链在α、β轴的分量；uα和uβ分别为α、β轴指令电压；Rs为定子电阻；iα和iβ分别为α、β轴采样电流；ucom_α和ucom_β分别为ucom在α、β轴的分量；ucom为所述α-β坐标系下的电流型定子磁链与上一次估算出的α-β坐标系下的电压型定子磁链之间的偏差经过调节器调节后的输出量，作为所述模型偏差补偿控制量。
其中，所述转子磁链估算单元，具体用于根据所述α-β坐标系下的电压型定子磁链，估算出α-β坐标系下的转子磁链；以及对所述α-β坐标系下的转子磁链作Park变换，得到d-q坐标系下的转子磁链。
其中，所述转子磁链估算单元具体用于将所述α-β坐标系下的电压型定子磁链输入转子磁链估算模型，估算出α-β坐标系下的转子磁链；
所述转子磁链估算模型为
式中，ψrα和ψrβ分别为转子磁链在α、β轴的分量；和分别为电压型定子磁链在α、β轴的分量；ψrα_diff和ψrβ_diff为对Var_L·i在d、q轴的分量Var_Ldid和Var_Lqiq作反Park变换后得到的α、β轴分量；Var_L·i为定子电流与电感的乘积通过低通滤波器后的值；为所述上一次估算出的永磁同步电机转子位置。
从上述的技术方案可以看出，本发明将电压、电流型定子磁链观测相结合计算得到转子磁链，并利用锁相环将所述转子磁链的q轴分量锁定为零，由于q轴分量为零时对应的转子位置和速度信息是准确的，因而本发明能够在全速度范围内都获得高精度的转子位置和速度信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要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为本发明实施例公开的一种永磁同步电机无位置传感器控制方法流程图；
图2为与图1对应的永磁同步电机无位置传感器控制方框图；
图3为本发明实施例公开的一种永磁同步电机无位置传感器控制装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本发明实施例公开了一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，以实现在全速度范围内都获得高精度的转子位置和速度信息，包括：
步骤S01：确定d-q坐标系(即两相同步旋转坐标系)下的电流型定子磁链。
具体的，所述确定d-q坐标系下的电流型定子磁链，包括：利用电流型定子磁链估算模型，估算出d-q坐标系下的电流型定子磁链。
其中，所述电流型定子磁链估算模型为
式中，和分别为电流型定子磁链在d、q轴的分量；id和iq分别为d、q轴采样电流，即定子电流在d、q轴的分量；Ld和Lq分别为d、q轴电感；ψr为永磁体磁链；Ld、Lq和ψr均为常数。
步骤S02：对所述d-q坐标系下的电流型定子磁链进行反Park变换，得到α-β坐标系(即两相静止坐标轴系)下的电流型定子磁链；其中，所述进行反Park变换时所用位置信号为上一次估算出的永磁同步电机转子位置。
具体的，将d-q坐标系的坐标变换为α-β坐标系的坐标的过程，称为反Park变换。对电流型定子磁链作反Park变换，对应的变换公式为
式中，和分别为电流型定子磁链在α、β轴的分量；为上一次估算出的永磁同步电机转子位置，作为对电流型定子磁链进行反Park变换时所用位置信号；和分别为电流型定子磁链在d、q轴的分量。
步骤S03：利用引入有模型偏差补偿控制量的电压型定子磁链估算模型，估算出α-β坐标系下的电压型定子磁链；其中，所述模型偏差补偿控制量是所述α-β坐标系下的电流型定子磁链与上一次估算出的α-β坐标系下的电压型定子磁链之间的偏差经过调节器调节后的输出量。
具体的，电压型定子磁链估算模型理论公式为
式中，和分别为电压型定子磁链在α、β轴的分量；uα和uβ分别为α、β轴指令电压；Rs为定子电阻，为常数；iα和iβ分别为α、β轴采样电流。
显然，电压型定子磁链估算模型理论公式实际上是一个纯积分器，而纯积分器的累积误差和漂移问题都会导致系统失稳。为解决该问题，本实施例利用一阶惯性滤波环节来代替纯积分环节，具体为：在α轴上，令uα-Rs·iα减去ucom_α后再进行积分计算；在β轴上，令uβ-Rs·iβ减去ucom_β后再进行积分计算。其中，ucom_α和ucom_β分别为ucom在α、β轴的分量；ucom为本次估算出的α-β坐标系下的电流型定子磁链与上一次估算出的α-β坐标系下的电压型定子磁链之间的偏差经过调节器(如PI调节器)调节后的输出量。
改进后的电压型定子磁链估算模型为
式中，各参数定义参见前文描述，此处不再赘述。
步骤S04：根据所述α-β坐标系下的电压型定子磁链，得到d-q坐标系下的转子磁链。
具体的，所述根据所述α-β坐标系下的电压型定子磁链，得到d-q坐标系下的转子磁链，包括：根据所述α-β坐标系下的电压型定子磁链，估算出α-β坐标系下的转子磁链；然后对所述α-β坐标系下的转子磁链作Park变换，得到d-q坐标系下的转子磁链。
其中，所述根据所述α-β坐标系下的电压型定子磁链，估算出α-β坐标系下的转子磁链，具体为：将所述α-β坐标系下的电压型定子磁链输入转子磁链估算模型，估算出α-β坐标系下的转子磁链。
其中，所述转子磁链估算模型为
式中，ψrα和ψrβ分别为转子磁链在α、β轴的分量；和分别为电压型定子磁链在α、β轴的分量；ψrα_diff和ψrβ_diff为对Var_L·i在d、q轴的分量Var_Ldid和Var_Lqiq作反Park变换后得到的α、β轴分量；Var_L·i为定子电流与电感的乘积通过低通滤波器后的值(Var_Ldid相当于是Ldid通过低通滤波器后的值，Var_Lqiq相当于是Lqiq通过低通滤波器后的值，本实施例之所以要引入低通滤波器，是为了增加阻尼，避免估算转子磁链时的震荡)；为上一次估算出的永磁同步电机转子位置。
步骤S05：利用锁相环将所述转子磁链的q轴分量锁定为零，估算出永磁同步电机的转子位置和速度信息。
由于转子磁链的q轴分量为零时，估算出的永磁同步电机的转子位置为和速度才是准确的，所以本实施例利用锁相环将所述转子磁链的q轴分量锁定为零，在锁相过程中，锁相环始终按照q轴分量偏离零的相反方向改变永磁同步电机的转子位置和速度信息，每次估算出的转子位置都会被赋值到步骤S02中作为下一轮计算的输入，直至q轴分量为零时锁相结束，从而实现了对转子位置和速度信息的精确追踪。
由上可知，本实施例将电压、电流型定子磁链观测相结合计算得到转子磁链，并利用锁相环将所述转子磁链的q轴分量锁定为零，由于q轴分量为零时对应的转子位置和速度信息是准确的，因而本发明能够在全速度范围内都获得高精度的转子位置和速度信息。本实施例对应的永磁同步电机无位置传感器控制方框图如图2所示。
基于同样的发明构思，参见图3，本发明实施例公开了一种永磁同步电机无位置传感器控制装置，以实现在全速度范围内都获得高精度的转子位置和速度信息，包括：
电流型定子磁链估算单元100，用于确定d-q坐标系下的电流型定子磁链；对所述d-q坐标系下的电流型定子磁链进行反Park变换，得到α-β坐标系下的电流型定子磁链；其中，所述进行反Park变换时所用位置信号为上一次估算出的永磁同步电机转子位置；
电压型定子磁链估算单元200，用于利用引入有模型偏差补偿控制量的电压型定子磁链估算模型，估算出α-β坐标系下的电压型定子磁链；其中，所述模型偏差补偿控制量是所述α-β坐标系下的电流型定子磁链与上一次估算出的α-β坐标系下的电压型定子磁链之间的偏差经过调节器调节后的输出量；
转子磁链估算单元300，用于根据所述α-β坐标系下的电压型定子磁链，得到d-q坐标系下的转子磁链；
锁相单元400，用于利用锁相环将所述转子磁链的q轴分量锁定为零，估算出永磁同步电机的转子位置和速度信息。
其中，电流型定子磁链估算单元100具体用于利用电流型定子磁链估算模型，确定d-q坐标系下的电流型定子磁链；
所述电流型定子磁链估算模型为
式中，和分别为电流型定子磁链在d、q轴的分量；id和iq分别为d、q轴采样电流；Ld和Lq分别为d、q轴电感；ψr为永磁体磁链。
其中，所述引入有模型偏差补偿控制量的电压型定子磁链估算模型为
式中，和分别为电压型定子磁链在α、β轴的分量；uα和uβ分别为α、β轴指令电压；Rs为定子电阻；iα和iβ分别为α、β轴采样电流；ucom_α和ucom_β分别为ucom在α、β轴的分量；ucom为所述α-β坐标系下的电流型定子磁链与上一次估算出的α-β坐标系下的电压型定子磁链之间的偏差经过调节器调节后的输出量，作为所述模型偏差补偿控制量。
其中，转子磁链估算单元300具体用于根据所述α-β坐标系下的电压型定子磁链，估算出α-β坐标系下的转子磁链；以及对所述α-β坐标系下的转子磁链作Park变换，得到d-q坐标系下的转子磁链。
其中，转子磁链估算单元300具体用于将所述α-β坐标系下的电压型定子磁链输入转子磁链估算模型，估算出α-β坐标系下的转子磁链；
所述转子磁链估算模型为
式中，ψrα和ψrβ分别为转子磁链在α、β轴的分量；和分别为电压型定子磁链在α、β轴的分量；ψrα_diff和ψrβ_diff为对Var_L·i在d、q轴的分量Var_Ldid和Var_Lqiq作反Park变换后得到的α、β轴分量；Var_L·i为定子电流与电感的乘积通过低通滤波器后的值；为所述上一次估算出的永磁同步电机转子位置。
综上所述，本发明将电压、电流型定子磁链观测相结合计算得到转子磁链，并利用锁相环将所述转子磁链的q轴分量锁定为零，由于q轴分量为零时对应的转子位置和速度信息是准确的，因而本发明能够在全速度范围内都获得高精度的转子位置和速度信息。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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