一種永磁同步電機的控制方法及系統與流程
本發明涉及電機控制領域，特別是涉及一種永磁同步電機的控制方法及系統。
背景技術：
不管是由無刷直流電機還是由永磁同步電機構成的高性能電氣傳動系統中，要想實現精確的閉環自控式調速，必須要獲得電機精確的轉子位置和速度信息。在傳統的電機控制方案中，要想獲得這些信息必須安裝位置傳感器，但是，機械式傳感器會給整個系統帶來許多不利的地方，比如增加了系統成本，體積，并且在速度傳感器出現問題的時候電機無法正常運轉；車載電機工作環境惡劣，由于振動，溫度的影響，轉子位置檢測很不可靠。
專利201110038193.6通過磁鏈估計來計算電機轉子位置，此種方法受電機參數影響較大，所計算的轉子位置精度不高。專利201410231925.7采用多種不同的辨識方法，算法較為復雜，較難實現，特別是低速段位置檢測，并沒有進行轉子N、S極性判斷，因此電機轉子實際位置可能與所辨識的轉子位置相差電角度。
技術實現要素：
本發明的提供了一種永磁同步電機的控制方法及系統，其目的去除現有技術中的速度傳感器，采用電機中轉子位置辨識算法，不僅可以獲取轉子初始位置，同時可以分別求得電機低速段和高速段的轉子速度，不需要增加額外硬件，算法簡單，魯棒性好。
本發明提供的技術方案如下：
一種永磁同步電機的控制方法，包括：步驟S100獲取永磁同步電機當前的運行狀態；當處于超低速運行，和/或，低速運行時執行步驟S200；步驟S200在當前工作狀態下向永磁同步電機輸入的高頻電壓信號；步驟S300根據輸入的所述高頻電壓信號獲取永磁同步電機的轉子位置信息；步驟S400根據所述轉子位置信息獲取永磁同步電機在當前狀態下的轉速；當所述轉速達到高速范圍時，切換至步驟S500；步驟S500根據預設高轉速分析方法控制永磁同步電機運行，執行步驟S600；步驟S600根據所述預設高轉速分析方法判斷當轉速進入低速運行范圍時，切換永磁同步電機執行步驟S200。
在本發明中，采用不同的預設控制算法實現了對永磁同步電機的速度辨識以及控制其運行狀態，同時根據不同速度自動切換相應控制算法；解決了現有技術中用機械式傳感器獲取永磁同步電機的轉速時出現的速度傳感器故障與損壞的問題。
進一步優選的，所述步驟S300包括：當永磁同步電機處于超低速運行時，執行步驟S310；步驟S310在永磁同步電機的定子空間內的第一預設點和第二預設點獲取電流幅值；步驟S311根據在所述第一預設點和所述第二預設點獲取的所述電流幅值的永磁同步電機轉子的位置信息。
在本發明中，為了對電動汽車永磁同步電機的轉子位置進行準確辨識，通過電機控制器在電機定子直軸和交軸注入高頻電壓信號，在超低速時，通過判斷相位差180°的方法精確定位轉子的極性，進一步檢測定子電流來提取電機轉子位置信息，節省硬件開銷，算法簡單可靠。
進一步優選的，所述步驟S300包括：當永磁同步電機處于低速運行時，執行步驟S320；步驟S320獲取永磁同步電機定子的響應電流；步驟S321根據第一預設算法將所述響應電流進行變換濾波；步驟S322根據濾波后的所述響應電流獲取永磁同步電機轉子的位置信息。
在本發明中，針對不同的轉子轉速，切換至不同的控制方法，使本發明的控制方法更加靈活多變，轉速信息精確，通過對電流的濾波去除高頻干擾波，使電機對干擾信號不會發生突變，從而控制電機在本速度段內穩定運行。
進一步優選的，所述步驟S500包括：步驟S510采集所述當前狀態下永磁同步電機的瞬時線電壓和相電流；步驟S520根據步驟S510獲取相電壓和相電流通過第二預設算法獲取永磁同步電機的位置信息；步驟S530根據所述第二預設算法獲取的永磁同步電機的位置信息獲取當前狀態下的轉速。
進一步優選的，永磁同步電機定子的響應電流模型包括：
iαβi--定子電流，θr--轉子位置角，ωh--轉子角速度。
進一步優選的，永磁同步電機轉子的位置模型包括：
id′i--直軸電流，iq′i--交軸電流。
進一步優選的，永磁同步電機轉子的轉速模型包括：
其中θR(k+1)--k+1時刻的位置角，θR(k)--k時刻的位置角，根據步驟S311判斷的N值，N＝0時，θR＝θr；N＝1時，θR＝180°+θr，P--電機極對數，T--采樣周期。
在本發明中，通過位置信息求取轉子的轉速的運行控制方法，在電機臺架和運營車輛中使用本方案的方法辨識電機速度，工作正常，辨識準確，能夠準確實現無速度傳感器控制。
進一步優選的，采集所述當前狀態下永磁同步電機的瞬時線電壓和相電流建立的模型包括：
式中，
xk＝[ia(k) ib(k) ic(k) ωe(k) θ(k)]T，
zk+1＝[ia(k+1) ib(k+1) ic(k+1)]T，
uk＝[uab(k)-uac(k) ubc(k)-uab(k) uca(k)-ubc(k) TL]T，
Ts--采樣時間，R--相電阻，Ke--反電動勢系數，B--粘滯摩擦系數，L--電磁自感，M--電磁互感，J--轉子轉動慣量，TL--負載轉矩。。
在本發明中，在電機進入高速運行階段對于電機控制引用了最小偏度單形采樣無跡卡爾曼濾波方法估算出電機的轉速與位置，本發明中使用的控制算法計算量小并且估算精度高，從而精確地控制電機穩定、安全、可靠的運行。
一種永磁同步電機的控制系統，包括：電機狀態獲取模塊，獲取永磁同步電機當前的運行狀態；電壓信號輸入模塊，與所述電機狀態獲取模塊電連接，根據所述電機狀態獲取模塊獲取到永磁同步電機當處于超低速運行，和/或，低速運行時，在當前工作狀態下向永磁同步電機輸入的高頻電壓信號；位置信息獲取模塊，與所述電壓信號輸入模塊電連接，根據所述電壓信號輸入模塊輸入的所述高頻電壓信號獲取永磁同步電機的轉子位置信息；第一轉速獲取模塊，與所述位置信息獲取模塊電連接，根據所述位置信息獲取模塊獲取的轉子位置信息獲取永磁同步電機在當前狀態下的轉速；運行控制模塊，分別與所述第一轉速獲取模塊、電壓信號輸入模塊電連接，根據所述轉速獲取模塊獲取到永磁同步電機的轉速達到高速范圍時，根據預設高轉速分析方法控制永磁同步電機運行，當根據所述預設高轉速分析方法判斷當轉速進入低速運行范圍時，控制所述電壓信號輸入模塊向永磁同步電機輸入的高頻電壓信號。
在本發明中，采用不同的預設控制算法實現了對永磁同步電機的速度辨識以及控制其運行狀態，同時根據不同速度自動切換相應控制算法；解決了現有技術中用機械式傳感器獲取永磁同步電機的轉速時出現的速度傳感器故障與損壞的問題。
進一步優選的，所述位置信息獲取模塊包括：電流幅值獲取子模塊，當根據所述電機狀態獲取模塊獲取永磁同步電機處于超低速運行時，在永磁同步電機的定子空間內的第一預設點和第二預設點獲取電流幅值；第一位置信息獲取子模塊，與所述電流幅值獲取子模塊電連接，根據所述電流幅值獲取子模塊獲取的所述第一預設點和所述第二預設點的所述電流幅值獲取永磁同步電機轉子的位置信息。
在本發明中，為了對電動汽車永磁同步電機的轉子位置進行準確辨識，通過電機控制器在電機定子直軸和交軸注入高頻電壓信號，在超低速時，通過判斷相位差180°的方法精確定位轉子的極性，進一步檢測定子電流來提取電機轉子位置信息，節省硬件開銷，算法簡單可靠。
進一步優選的，所述位置信息獲取模塊包括：響應電流獲取子模塊，當根據所述電機狀態獲取模塊獲取永磁同步電機處于低速運行時，獲取永磁同步電機定子的響應電流；電流濾波子模塊，根據預設規則算法將所述響應電流獲取子模塊獲取的永磁同步電機定子的響應電流進行變換濾波；第二位置信息獲取子模塊，根據所述電流濾波子模塊濾波后的響應電流獲取永磁同步電機轉子的位置信息。
在本發明中，針對不同的轉子轉速，切換至不同的控制方法，使本發明的控制方法更加靈活多變，轉速信息精確，通過對電流的濾波去除高頻干擾波，使電機對干擾信號不會發生突變，從而控制電機在本速度段內穩定運行。
進一步優選的，所述運行控制模塊包括：電源信息獲取子模塊，根據所述轉速獲取模塊獲取到永磁同步電機的轉速達到高速范圍時，利用電流傳感器以及電壓傳感器采集當前狀態下永磁同步電機的瞬時線電壓和相電流；第三位置信息獲取子模塊，根據所述電源信息獲取子模塊獲取的相電壓和相電流通過第二預設算法獲取永磁同步電機的位置信息；第二轉速獲取子模塊，根據所述第三位置信息獲取子模塊獲取的永磁同步電機的位置信息獲取當前狀態下的轉速。
在本發明中，在電機進入高速運行階段對于電機控制引用了最小偏度單形采樣無跡卡爾曼濾波方法估算出電機的轉速與位置，本發明中使用的控制算法計算量小并且估算精度高，從而精確地控制電機穩定、安全、可靠的運行。
進一步優選的，永磁同步電機定子的響應電流模型包括：
進一步優選的，永磁同步電機轉子的位置模型包括：
進一步優選的，永磁同步電機轉子的位置模型包括：
其中θR(k+1)--k+1時刻的位置角，θR(k)--k時刻的位置角，根據步驟S311判斷的N值，N＝0時，θR＝θr；N＝1時，θR＝180°+θr，P--電機極對數，T--采樣周期。
在本發明中，通過位置信息求取轉子的轉速的運行控制方法，在電機臺架和運營車輛中使用本方案的方法辨識電機速度，工作正常，辨識準確，能夠準確實現無速度傳感器控制。
進一步優選的，采集所述當前狀態下永磁同步電機的瞬時線電壓和相電流建立的模型包括：
式中，
xk＝[ia(k) ib(k) ic(k) ωe(k) θ(k)]T，
zk+1＝[ia(k+1) ib(k+1) ic(k+1)]T，
uk＝[uab(k)-uac(k) ubc(k)-uab(k) uca(k)-ubc(k) TL]T，
Ts--采樣時間，R--相電阻，Ke--反電動勢系數，B--粘滯摩擦系數，L--電磁自感，M--電磁互感，J--轉子等效慣性，TL--負載轉矩。
在本發明中，在電機進入高速運行階段對于電機控制引用了最小偏度單形采樣無跡卡爾曼濾波方法估算出電機的轉速與位置，本發明中使用的控制算法計算量小并且估算精度高，從而精確地控制電機穩定、安全、可靠的運行。
與現有技術相比，本發明提供一種永磁同步電機的控制方法及系統，至少帶來以下一種技術效果：
1、現有技術中電機控制算法的擴展卡爾曼濾波方法是基于近似原系統的非線性方程的濾波器方法，大大降低了濾波器的估算精度，并且雅克比矩陣的復雜推導給系統的實現帶來了極大的困難。本發明采用的無跡卡爾曼是一種以近似狀態變量的概率分布的濾波器新方法，計算量小并且估算精度高。
2、現有技術中，電機的精確運轉離不開速度傳感器，但是機械式速度傳感器容易出現故障甚至損壞，況且速度傳感器的安轉不僅增加了系統成本，也增加了系統的體；本發明電機中轉子位置辨識算法，不僅可以獲取轉子初始位置，同時可以分別求得電機低速段和高速段的轉子速度，此方案不用增加額外硬件，算法簡單，對電機參數的變化不敏感，魯棒性好。
附圖說明
下面將以明確易懂的方式，結合附圖說明優選實施方式，對一種永磁同步電機的控制方法及系統特性、技術特征、優點及其實現方式予以進一步說明。
圖1是本發明一種永磁同步電機的控制方法的一個實施例的流程圖；
圖2是本發明一種永磁同步電機的控制方法的另一個實施例的流程圖；
圖3是本發明一種永磁同步電機的控制方法的另一個實施例的流程圖；
圖4是本發明一種永磁同步電機的控制系統的一個實施例的結構圖；
圖5是本發明一種永磁同步電機的控制系統的另一個實施例的結構圖；
圖6是本發明一種永磁同步電機的一個相位圖；
圖7是本發明一種永磁同步電機的另一個相位圖；
圖8是本發明一種永磁同步電機的一個轉速變換圖；
圖9是本發明一種永磁同步電機的一個轉子位置圖；
圖10是本發明一種永磁同步電機的另一轉速變換圖；
圖11是本發明一種永磁同步電機的另一個轉子位置圖。
具體實施方式
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對照附圖說明本發明的具體實施方式。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖，并獲得其他的實施方式。
為使圖面簡潔，各圖中只示意性地表示出了與本發明相關的部分，它們并不代表其作為產品的實際結構。另外，以使圖面簡潔便于理解，在有些圖中具有相同結構或功能的部件，僅示意性地繪示了其中的一個，或僅標出了其中的一個。在本文中，“一個”不僅表示“僅此一個”，也可以表示“多于一個”的情形。
本發明提供一種永磁同步電機的控制方法的一個實施例，包括：步驟S100獲取永磁同步電機當前的運行狀態；當處于超低速運行，和/或，低速運行時執行步驟S200；步驟S200在當前工作狀態下向永磁同步電機輸入的高頻電壓信號；步驟S300根據輸入的所述高頻電壓信號獲取永磁同步電機的轉子位置信息；步驟S400根據所述轉子位置信息獲取永磁同步電機在當前狀態下的轉速；當所述轉速達到高速范圍時，切換至步驟S500；步驟S500根據預設高轉速分析方法控制永磁同步電機運行，執行步驟S600；步驟S600根據所述預設高轉速分析方法判斷當轉速進入低速運行范圍時，切換永磁同步電機執行步驟S200。
具體的，參考圖1所示；在本實施例中永磁同步電機在剛剛啟動的過程中處于超低速狀態，可以設置第一個閾值范圍0＜Vdang＜VD，表示處于超低速運行狀態；設置第二個閾值范圍VD≤Vdang＜VG，當轉速介于第一個閾值和第二閾值之間時，表示永磁同步電機處于低速運行；當永磁同步電機的轉速大于第二個閾值時Vdang≥VG，表示磁同步電機處于高速運行狀態；根據不同的預設控制方法使永磁同步電機在不同的速度范圍采用不同的速度辨識方法，實現自動切換；在三種狀態下首先根據每種狀態下的轉子相對于定子的位置關系進一步獲取到其轉速，使永磁同步電機平穩可靠的運行。
在本發明中，采用不同的預設控制算法實現了對永磁同步電機的速度辨識以及控制其運行狀態，同時根據不同速度自動切換相應控制算法；解決了現有技術中用機械式傳感器獲取永磁同步電機的轉速時出現的速度傳感器故障與損壞的問題。
優選的，所述步驟S300包括：當永磁同步電機處于超低速運行時，執行步驟S310；步驟S310在永磁同步電機的定子空間內的第一預設點和第二預設點獲取電流幅值；步驟S311根據在所述第一預設點和所述第二預設點獲取的所述電流幅值的永磁同步電機轉子的位置信息。
具體的，本實施例以上述實施例為基礎提供又一實施例，參考圖2所示；當永磁同步電機在剛剛啟動的過程中處于超低速狀態，可以設置第一個閾值范圍0＜Vdang＜VD，表示處于超低速運行狀態即接近與停止運行的狀態；計算永磁同步電機轉速通過轉子的位置關系求取；(永磁同步電機控制中，為了能夠得到類似直流電機的控制特性，在電機轉子上建立了一個坐標系，此坐標系與轉子同步轉動，取轉子磁場方向為d軸，垂直于轉子磁場方向為q軸，將電機的數學模型轉換到此坐標系下，可實現d軸和q軸的解耦，從而得到良好控制特性；)首先判斷電機在超低速運行時轉子N、S極性判斷：假設在本實施例將電機定子矢量空間平均分為8個區間，每個空間45度，其中0～3區間為與電機定子d軸正方向一致的區間，4～7區間為與電機定子d軸正方向相差180°的區間。當電機靜止時，在電機定子直軸注入高頻電壓信號u'd＝Umcosωht，若電機定子產生的磁勢與d軸正方向一致時，由于永磁同步電機的磁場飽和效應，當ωht＝π/2時為第一預設點，磁路飽和，定子d軸電感變小，電流幅值較大，如圖6中的I1，當ωht＝2π/3時為第二預設點，磁路退飽和，定子d軸電感變大，電流幅值較小，如圖6中的-I2，故有|I1|＞|I2|；反之，若電機定子產生的磁勢與d軸正方向相差180°電角度時，有|I1|＜|I2|，如圖7所示，通過判斷|I1|與|I2|的幅值的大小，便可知道轉子N、S極性，從而確定了θr轉子位置角。當記錄的|I1|＜|I2|，則設置標志位N＝1；當記錄的|I1|＞|I2|，則設置標志位N＝0。
在本發明中，為了對電動汽車永磁同步電機的轉子位置進行準確辨識，通過電機控制器在電機定子直軸和交軸注入高頻電壓信號，在超低速時，通過判斷相位差180°的方法精確定位轉子的極性，進一步檢測定子電流來提取電機轉子位置信息，節省硬件開銷，算法簡單可靠。
優選的，所述步驟S300包括：當永磁同步電機處于低速運行時，執行步驟S320；步驟S320獲取永磁同步電機定子的響應電流；步驟S321根據第一預設算法將所述響應電流進行變換濾波；步驟S322根據濾波后的所述響應電流獲取永磁同步電機轉子的位置信息。
具體的，本實施例以上述實施例為基礎提供又一實施例，參考圖2所示；當轉速介于第一個閾值和第二閾值之間時即VD≤Vdang＜VG，也可以將電機設置為電機轉速小于2000rpm時；表示永磁同步電機處于低速運行，在電機定子d直軸與q交軸同時注入高頻電壓信號：
u'd＝Umcosωht，u'q＝Umsinωht，θr為轉子位置角，則定子電流響應為：
進一步變換為：
iαβi--定子電流，θr--轉子位置角，ωh--轉子角速度。
將定子電流iαβi變換到以ωh為角速度的同步旋轉坐標軸中即為：
采用高通濾波器濾掉直流項，得到：
再將其變換到以-2ωh為角速度的同步旋轉坐標軸中，得到：
其中id'q'i”由分量iq'i，id'i組成；進一步將得到的電流濾除噪聲后求反正切，即可求得轉子位置角：根據步驟S311判斷的N值，N＝0時，θR＝θr；N＝1時，θR＝180°+θr。在本實施例中求取的θR為永磁同步電機轉子的轉速處于VD≤Vdang＜VG時的位置信息。在本發明中，針對不同的轉子轉速，切換至不同的控制方法，使本發明的控制方法更加靈活多變，轉速信息精確，通過對電流的濾波去除高頻干擾波，使電機對干擾信號不會發生突變，從而控制電機在本速度段內穩定運行。
優選的，所述步驟S500包括：步驟S510采集所述當前狀態下永磁同步電機的瞬時線電壓和相電流；步驟S520根據步驟S510獲取相電壓和相電流通過第二預設算法獲取永磁同步電機的位置信息；步驟S530根據所述第二預設算法獲取的永磁同步電機的位置信息獲取當前狀態下的轉速。
具體的，本實施例以上述實施例為基礎提供又一實施例，參考圖3所示；本實施例中通過上一實施例獲取的永磁同步電機的轉速Vdang≥VG，超過設置的2000rpm時，表示永磁同步電機處于高速運行，電機的控制系統自動檢測后利用電流傳感器和電壓傳感器獲取當前狀態的線電壓和相電流，根據電機系統的離散化方程建模為：
進一步地，上式可以被寫成符合無跡卡爾曼濾波器的形式，采集所述當前狀態下永磁同步電機的瞬時線電壓和相電流建立的模型包括；
進一步式中，
xk＝[ia(k) ib(k) ic(k) ωe(k) θ(k)]T，
zk+1＝[ia(k+1) ib(k+1) ic(k+1)]T，
uk＝[uab(k)-uac(k) ubc(k)-uab(k) uca(k)-ubc(k) TL]T，
所述高速算法的流程包括：假設初始狀態變量值x0和噪聲ωk、vk是相互獨立的，并且初始狀態符合下列統計特性
在時間更新時對每個Sigma點進行非線性變換
計算預測狀態值
計算誤差協方差陣
在測量參數更新時：自協方差陣和互協方差陣仍舊是必須的，因為此處和經典的卡爾曼濾波是很相似的；
按下面方法重新計算Sigma點
由上面的Sigma點，通過量測方程計算出量測向量的預測值
計算預測值的均值
預測值的自協方差陣
互協方差陣
最后，進行濾波量測更新：
在本發明中，在電機進入高速運行階段對于電機控制引用了最小偏度單形采樣無跡卡爾曼濾波方法估算出電機的轉速與位置，本發明中使用的控制算法計算量小并且估算精度高，從而精確地控制電機穩定、安全、可靠的運行。
優選的，永磁同步電機轉子的位置模型包括：
其中θR(k+1)--k+1時刻的位置角，θR(k)--k時刻的位置角，根據步驟S311判斷的N值，N＝0時，θR＝θr；N＝1時，θR＝180°+θr，P--電機極對數，T--采樣周期。
具體的，本實施例以上一實施例的基礎提供又一實施例，參考圖6和7所示；在上述實施例中求得在不同速度狀態下的轉子的位置信息θr，當記錄的|I1|＜|I2|，則設置標志位N＝1；當記錄的|I1|＞|I2|，則設置標志位N＝0。根據轉子的位置信息求取轉速，從而實現對電機的控制。
在本發明中，通過位置信息求取轉子的轉速的運行控制方法，在電機臺架和運營車輛中使用本方案的方法辨識電機速度，工作正常，辨識準確，能夠準確實現無速度傳感器控制。
本發明還提供了一種永磁同步電機的控制方法的另一實施例，參考圖3所示；包括：步驟S100獲取永磁同步電機當前的運行狀態；當處于超低速運行，和/或，低速運行時執行步驟S200；步驟S200在當前工作狀態下向永磁同步電機輸入的高頻電壓信號；步驟S300根據輸入的所述高頻電壓信號獲取永磁同步電機的轉子位置信息；當永磁同步電機處于超低速運行時，執行步驟S310步驟S310在永磁同步電機的定子空間內的第一預設點和第二預設點獲取電流幅值；步驟S311根據在所述第一預設點和所述第二預設點獲取的所述電流幅值的永磁同步電機轉子的位置信息；當永磁同步電機處于低速運行時，執行步驟S320；步驟S320獲取永磁同步電機定子的響應電流；永磁同步電機定子的響應電流模型包括：
步驟S321根據第一預設算法將所述響應電流進行變換濾波；步驟S322根據濾波后的所述響應電流獲取永磁同步電機轉子的位置信息；永磁同步電機轉子的位置模型包括：
id′i--直軸電流，iq′i--交軸電流；
步驟S400根據所述轉子位置信息獲取永磁同步電機在當前狀態下的轉速；永磁同步電機轉子的轉速模型包括：
其中，θR(k+1)--k+1時刻的位置角，θR(k)--k時刻的位置角，根據步驟S311判斷的N值，N＝0時，θR＝θr；N＝1時，θR＝180°+θr，P--電機極對數，T--采樣周期。當所述轉速達到高速范圍時，切換至步驟S500；步驟S500根據預設高轉速分析方法控制永磁同步電機運行，執行步驟S600；步驟S510采集所述當前狀態下永磁同步電機的瞬時線電壓和相電流；步驟S520根據步驟S510獲取相電壓和相電流通過第二預設算法獲取永磁同步電機的位置信息；步驟S530根據所述第二預設算法獲取的永磁同步電機的位置信息獲取當前狀態下的轉速；采集所述當前狀態下永磁同步電機的瞬時線電壓和相電流建立的模型包括：
式中，
xk＝[ia(k) ib(k) ic(k) ωe(k) θ(k)]T，
zk+1＝[ia(k+1) ib(k+1) ic(k+1)]T，
uk＝[uab(k)-uac(k) ubc(k)-uab(k) uca(k)-ubc(k) TL]T，
Ts--采樣時間，R--相電阻，Ke--反電動勢系數，B--粘滯摩擦系數，L--電磁自感，M--電磁互感，J--轉子轉動慣量，TL--負載轉矩。。
在本發明中，通過進行電機轉子位置辨識，不僅可以獲取轉子初始位置，同時可以分別求得電機低速段和高速段的轉子速度，此方案不用增加額外硬件，算法簡單，對電機參數的變化不敏感，魯棒性好。
本發明提供一種永磁同步電機的控制系統，包括：電機狀態獲取模塊100，獲取永磁同步電機當前的運行狀態；電壓信號輸入模塊200，與所述電機狀態獲取模塊100電連接，根據所述電機狀態獲取模塊100獲取到永磁同步電機當處于超低速運行，和/或，低速運行時，在當前工作狀態下向永磁同步電機輸入高頻電壓信號；位置信息獲取模塊300，與所述電壓信號輸入模塊200電連接，根據所述電壓信號輸入模塊200輸入的所述高頻電壓信號獲取永磁同步電機的轉子位置信息；第一轉速獲取模塊400，與所述位置信息獲取模塊300電連接，根據所述位置信息獲取模塊300獲取的轉子位置信息獲取永磁同步電機在當前狀態下的轉速；運行控制模塊500，分別與所述第一轉速獲取模塊400、電壓信號輸入模塊200電連接，根據所述第一轉速獲取模塊400獲取到永磁同步電機的轉速達到高速范圍時，根據預設高轉速分析方法控制永磁同步電機運行，當根據所述預設高轉速分析方法判斷當轉速進入低速運行范圍時，控制所述電壓信號輸入模塊200向永磁同步電機輸入的高頻電壓信號。
具體的，參考圖4所示；本實施例以上述實施例為基礎提供又一實施例，在本實施例中永磁同步電機在剛剛啟動的過程中處于超低速狀態，可以設置第一個閾值范圍0＜Vdang＜VD，表示處于超低速運行狀態；設置第二個閾值范圍VD≤Vdang＜VG，當永轉速介于第一個閾值和第二閾值之間時，表示永磁同步電機處于低速運行；當永磁同步電機的轉速大于第二個閾值時Vdang≥VG，表示磁同步電機處于高速運行狀態；根據不同的預算控制方法使永磁同步電機在不同的速度范圍采用不同的速度辨識方法，實現自動切換；在三種狀態下首先根據每種狀態下的轉子相對于定子的位置關系進一步獲取到其轉速，使永磁同步電機平穩可靠的運行。
在本發明中，采用不同的預設控制算法實現了對永磁同步電機的速度辨識以及控制其運行狀態，同時根據不同速度自動切換相應控制算法；解決了現有技術中用機械式傳感器獲取永磁同步電機的轉速時出現的速度傳感器故障與損壞的問題。
優選的，所述位置信息獲取模塊300包括：電流幅值獲取子模塊310，當根據所述電機狀態獲取模塊100獲取永磁同步電機處于超低速運行時，在永磁同步電機的定子空間內的第一預設點和第二預設點獲取電流幅值；第一位置信息獲取子模塊311，與所述電流幅值獲取子模塊310電連接，根據所述電流幅值獲取子模塊310獲取的所述第一預設點和所述第二預設點的所述電流幅值獲取永磁同步電機轉子的位置信息。
具體的，本實施例以上述實施例為基礎提供又一實施例，參考圖5所示；當永磁同步電機在剛剛啟動的過程中處于超低速狀態，可以設置第一個閾值范圍0＜Vdang＜VD，表示處于超低速運行狀態即接近與停止運行的狀態；計算永磁同步電機轉速通過轉子的位置關系求取；(永磁同步電機控制中，為了能夠得到類似直流電機的控制特性，在電機轉子上建立了一個坐標系，此坐標系與轉子同步轉動，取轉子磁場方向為d軸，垂直于轉子磁場方向為q軸，將電機的數學模型轉換到此坐標系下，可實現d軸和q軸的解耦，從而得到良好控制特性；)首先判斷電機在超低速運行時轉子N、S極性判斷：假設在本實施例將電機定子矢量空間平均分為8個區間，每個空間45度，其中0～3區間為與電機定子d軸正方向一致的區間，4～7區間為與電機定子d軸正方向相差180°的區間。當電機靜止時，在電機定子直軸注入高頻電壓信號u'd＝Umcosωht，若電機定子產生的磁勢與d軸正方向一致時，由于永磁同步電機的磁場飽和效應，當ωht＝π/2時為第一預設點，磁路飽和，定子d軸電感變小，電流幅值較大，如圖6中的I1，當ωht＝2π/3時為第二預設點，磁路退飽和，定子d軸電感變大，電流幅值較小，如圖6中的-I2，故有|I1|＞|I2|；反之，若電機定子產生的磁勢與d軸正方向相差180°電角度時，有|I1|＜|I2|，如圖7所示，通過判斷|I1|與|I2|的幅值的大小，便可知道轉子N、S極性，從而確定了θr轉子位置角。當記錄的|I1|＜|I2|，則設置標志位N＝1；當記錄的|I1|＞|I2|，則設置標志位N＝0。
在本發明中，為了對電動汽車永磁同步電機的轉子位置進行準確辨識，通過電機控制器在電機定子直軸和交軸注入高頻電壓信號，在超低速時，通過判斷相位差180°的方法精確定位轉子的極性，進一步檢測定子電流來提取電機轉子位置信息，節省硬件開銷，算法簡單可靠。
優選的，所述位置信息獲取模塊300包括：響應電流獲取子模塊320，當根據所述電機狀態獲取模塊100獲取永磁同步電機處于低速運行時，獲取永磁同步電機定子的響應電流；電流濾波子模塊321，根據預設規則算法將所述響應電流獲取子模塊320獲取的永磁同步電機定子的響應電流進行變換濾波；第二位置信息獲取子模塊3322，根據所述電流濾波子模塊321濾波后的響應電流獲取永磁同步電機轉子的位置信息。
具體的，本實施例以上述實施例為基礎提供又一實施例，參考圖5所示；當永轉速介于第一個閾值和第二閾值之間時即VD≤Vdang＜VG，也可以將電機設置為電機轉速小于2000rpm時；表示永磁同步電機處于低速運行，在電機定子d直軸與q交軸同時注入高頻電壓信號：
u'd＝Umcosωht，u'q＝Umsinωht，θr為轉子位置角，則定子電流響應為：
進一步變換為：
將定子電流iαβi變換到以ωh為角速度的同步旋轉坐標軸中即為：
采用高通濾波器濾掉直流項，得到：
再將其變換到以-2ωh為角速度的同步旋轉坐標軸中，得到：其中id'q'i”由分量iq'i，id'i組成；進一步將得到的電流濾除噪聲后求反正切，即可求得轉子位置角：根據步驟S311判斷的N值，N＝0時，θR＝θr；N＝1時，θR＝180°+θr。在本實施例中求取的θR為永磁同步電機轉子的轉速處于VD≤Vdang＜VG時的位置信息。
在本發明中，針對不同的轉子轉速，切換至不同的控制方法，使本發明的控制方法更加靈活多變，轉速信息精確，通過對電流的濾波去除高頻干擾波，使電機對干擾信號不會發生突變，從而控制電機在本速度段內穩定運行。
優選的，所述運行控制模塊500包括：電源信息獲取子模塊510，根據所述轉速獲取模塊400獲取到永磁同步電機的轉速達到高速范圍時，利用電流傳感器以及電壓傳感器采集當前狀態下永磁同步電機的瞬時線電壓和相電流；第三位置信息獲取子模塊520，根據所述電源信息獲取子模塊510獲取的相電壓和相電流通過第二預設算法獲取永磁同步電機的位置信息；第二轉速獲取子模塊S530，根據所述第三位置信息獲取子模塊520獲取的永磁同步電機的位置信息獲取當前狀態下的轉速。
具體的，本實施例以上述實施例為基礎提供又一實施例，參考圖5所示；本實施例中通過上一實施例獲取的永磁同步電機的轉速Vdang≥VG，超過設置的2000rpm時，表示永磁同步電機處于高速運行，電機的控制系統自動檢測后利用電流傳感器和電壓傳感器獲取當前狀態的線電壓和相電流，根據電機系統的離散化方程建模為：
進一步地，上式可以被寫成符合無跡卡爾曼濾波器的形式，采集所述當前狀態下永磁同步電機的瞬時線電壓和相電流建立的模型包括；
進一步式中，
xk＝[ia(k) ib(k) ic(k) ωe(k) θ(k)]T，
zk+1＝[ia(k+1) ib(k+1) ic(k+1)]T，
uk＝[uab(k)-uac(k) ubc(k)-uab(k) uca(k)-ubc(k) TL]T，
Ts--采樣時間，R--相電阻，Ke--反電動勢系數，B--粘滯摩擦系數，L--電磁自感，M--電磁互感，J--轉子轉動慣量，TL--負載轉矩。
所述高速算法的流程包括：假設初始狀態變量值x0和噪聲ωk、vk是相互獨立的，并且初始狀態符合下列統計特性
在時間更新時對每個Sigma點進行非線性變換
計算預測狀態值
計算誤差協方差陣
在測量參數更新時：自協方差陣和互協方差陣仍舊是必須的，因為此處和經典的卡爾曼濾波是很相似的；
按下面方法重新計算Sigma點
由上面的Sigma點，通過量測方程計算出量測向量的預測值
計算預測值的均值
預測值的自協方差陣
互協方差陣
最后，進行濾波量測更新：
在本發明中，在電機進入高速運行階段對于電機控制引用了最小偏度單形采樣無跡卡爾曼濾波方法估算出電機的轉速與位置，本發明中使用的控制算法計算量小并且估算精度高，從而精確地控制電機穩定、安全、可靠的運行。
優選的，永磁同步電機轉子的位置模型包括：
其中θR(k+1)--k+1時刻的位置角，θR(k)--k時刻的位置角，根據步驟S311判斷的N值，N＝0時，θR＝θr；N＝1時，θR＝180°+θr，P--電機極對數，T--采樣周期。
具體的，本實施例以上一實施例的基礎提供又一實施例，參考圖6和圖7所示；在上述實施例中求得在不同速度狀態下的轉子的位置信息θr，當記錄的|I1|＜|I2|，則設置標志位N＝1；當記錄的|I1|＞|I2|，則設置標志位N＝0。根據轉子的位置信息求取轉速，從而實現對電機的控制。
根據本發明的提供的技術特征的算法，參考圖8永磁同步電機速度突變時算法估計速度的性能；參考圖9永磁同步電機速度突變時實際轉子位置和估計轉子位置的誤差；參考圖10永磁同步電機負載突變時算法估計速度的性能；參考圖11永磁同步電機負載突變時實際轉子位置和估計轉子位置的誤差。不管是參考速度突變還是負載轉矩突變，永磁同步電機的電流和轉矩都有一個很好的動態性能，使電機穩定的運行。
在本發明中，通過位置信息求取轉子的轉速的運行控制方法，在電機臺架和運營車輛中使用本方案的方法辨識電機速度，工作正常，辨識準確，能夠準確實現無速度傳感器控制。
應當說明的是，上述實施例均可根據需要自由組合。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
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