轉子位置估計方法、轉子位置估計裝置及電機與流程
本發明涉及電機技術領域，具體而言，涉及一種轉子位置估計方法、轉子位置估計裝置及電機。
背景技術：
近年來，許多學者提出各種無速度傳感器控制方法，通常將其分為兩類，一類基于電機的基頻數學模型，由于其依賴電機參數，更適用于中高速的場合；另一類基于電機的凸極效應，采用諧波注入等方法進行提取，能運行于低速(零速)。采用基頻數學模型的開環磁鏈法、模型參考自適應、觀測器、卡爾曼濾波器等由于不需要利用電機的凸極效應，使其應用更為廣泛。在這當中，開環磁鏈法控制可靠，收斂快速，實現也最為簡單。
但常規的開環磁鏈法主要存在如下幾個問題，一是積分初值問題，二是抗參數擾動和信號干擾能力弱，三是弱磁區域工作不佳。相關技術中，常采用積分加高通濾波的方式，或者采用一階慣性環節替代積分器，同時利用高通環節分別對磁鏈在坐標系的兩個分量進行幅頻特性的補償。第一種方法加劇了系統對電機參數和系統噪聲的敏感性，而對于第二種方法，單一的補償參數無法適應整個頻帶，尤其是弱磁區域。
技術實現要素：
為了解決上述技術問題至少之一，本發明的第一方面的實施例提出了一種轉子位置估計方法。
本發明的第二方面的實施例提出了一種轉子位置估計裝置。
本發明的第三方面的實施例提出了一種電機。
有鑒于此，根據本發明的第一方面的實施例，本發明提出了一種轉子位置估計方法，用于電機，包括：獲取電機的第一相電流和第二相電流；獲取電機的第一相電壓和第二相電壓；獲取電機的速度參考值；通過第一相電流、第二相電流、第一相電壓、第二相電壓、速度參考值及電機參數分別計算出第一反電勢和第二反電勢；通過第一低通濾波器分別對第一反電勢和第二反電勢積分處理并獲得第一磁鏈和第二磁鏈；通過高通濾波器處理第一磁鏈和第二磁鏈，獲得第三磁鏈和第四磁鏈，其中，高通濾波器的超前角等于低通濾波器的超前角；通過第三磁鏈和第四磁鏈分別計算出轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量；根據轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量計算轉子位置角；根據轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量計算轉子速度。
本發明提供的轉子位置估計方法，首先采用低通濾波加相位補償環節替代積分器(純物理積分)用于根據反電勢計算磁鏈，解決積分初值問題；其次，實時調整用于幅頻補償的高通濾波器的輸入磁鏈限幅值，調整的依據是反電勢和磁鏈的正交性，據此改善其對參數的敏感性和弱磁區域工作不佳的問題；最后，根據估計的轉子磁鏈的兩個分量計算轉子位置角度和轉速。通過上述的過程，改善了以往開環磁鏈積分方法帶來的相位角偏移、對參數敏感、弱磁區域工作不佳等問題，提高了估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度，同時能夠實現較大速度范圍內的高精度轉子位置估計，并對電機參數變化和擾動表現出一定的魯棒性。
其中，電機的第一相電流記作iα，第二相電流記作iβ，第一相電壓記作uα，第二相電壓記作uβ，速度參考值記作ωref。其中可先采集得到電機相電流，并進行park變換(派克變換)到兩相靜止坐標系下的量得到第一相電流iα和第二相電流iβ；可通過矢量控制器svpwm(空間矢量脈寬調制)的開關信號重構出第一相電壓uα和第二相電壓uβ，速度參考值ωref可由用戶設定或預設的算法得到。第一反電勢和第二反電勢分別記作eα和eβ。第一磁鏈、第二磁鏈、第三磁鏈和第四磁鏈均為電機的定子的磁鏈，并分別記作ψ’sα、ψ’sβ、ψsα，ψsβ，其中的第三磁鏈和第四磁鏈分別為第一磁鏈和第二磁鏈補償后的結果。轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量分別記作ψrα，ψrβ。轉子位置角記作
另外，本發明提供的上述實施例中的轉子位置估計方法還可以具有如下附加技術特征：
在上述技術方案中，優選地，高通濾波器的輸入為電機的定子的磁鏈限幅后的上一計算周期的定子的磁鏈值(分別記作
在該技術方案中，通過選取合適的高通濾波器的輸入，獲得更準確的第三磁鏈和第四磁鏈，進而提升估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度。
在上述任一技術方案中，優選地，定子的磁鏈的限幅值的計算過程包括：計算第一反電勢、第二反電勢、第三磁鏈和第四磁鏈的歸一化和積；將歸一化和積輸入第二低通濾波器，獲得輸出值；將第二低通濾波器的輸出值乘以定子的磁鏈的額定值(記作|ψs|rated)以進行反歸一處理并將計算結果記為動態調整分量(記作δψ)；將動態調整分量與定子的磁鏈的額定值相加，獲得定子的磁鏈的限幅值。
在該技術方案中，通過上述步驟確定定子的磁鏈的限幅值，可用于更新當前所需的磁鏈限幅值，提升估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度。同時，定子的磁鏈的限幅值可根據反電勢和磁鏈的夾角動態調整。同時，可以通過合理設計第二低通濾波器的時間常數，使第二低通濾波器的輸出反映上述的歸一化和積的直流分量。定子的磁鏈的限幅值是一個實時計算的變量，以實現更精準的幅頻補償效果。其中的反歸一處理用于調整增益，使第二低通濾波器的輸出和磁鏈幅值在同一維度。
其中，計算第一反電勢、第二反電勢和定子磁鏈的歸一化和積的公式為(eαψsα+eβψsβ)/|e||ψs|，其中的|e|為第一反電勢eα和第二反電勢eβ相加所得的向量的模，|ψs|為第三磁鏈ψsα和第四磁鏈ψsβ相加所得的向量的模。
在上述任一技術方案中，優選地，電機參數包括電機的定子電阻、直軸電感、交軸電感。
在該技術方案中，電機參數包括電機的定子電阻、直軸電感、交軸電感，可通過上述的電機參數與第一相電流、第二相電流、第一相電壓、第二相電壓及速度參考值等參數計算反電勢，以便后續獲取磁鏈和估計轉子位置角度和轉速。
其中，定子電阻、直軸電感、交軸電感分別記作rs,ld,lq，在本發明中，計算反電勢的公式為：
eα＝uα-rsiα-ωref(ld-lq)iβ
eβ＝uβ-rsiβ+ωref(ld-lq)iα
通過上述的公式可以分別計算出第一反電勢eα和第二反電勢eβ。
在上述任一技術方案中，優選地，通過第三磁鏈和第四磁鏈分別計算出轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量計算過程包括：第三磁鏈減去直軸電感與交軸電感的平均值與第一相電流的乘積，得到轉子磁鏈第一分量；第四磁鏈減去直軸電感與交軸電感的平均值與第二相電流的乘積，得到轉子磁鏈第二分量。
在該技術方案中，通過上述步驟獲取轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量，這樣提升了磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量準確性，進而提高了估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度。
其中，計算轉子磁鏈第一分量ψrα和轉子磁鏈第二分量ψrβ的公式分別為ψrα＝ψsα-lsiα、ψrβ＝ψsβ-lsiβ，其中，ls為直軸電感和交軸電感的平均值。
在上述任一技術方案中，采用了對磁鏈空間矢量幅值綜合限制，而不是對其分量(α和β方向上的分量)單獨限幅。磁鏈限幅閾值的選擇初始為磁鏈空間矢量的幅值。同時計算過程中還利用反電勢和磁鏈的正交性。如果系統收斂，則反電勢和磁鏈呈90度角，其余弦為零。據此調整磁鏈的限幅值，則可消除涵蓋電機參數在內的影響，大大提高了其抗參數擾動的能力。
綜上，本發明中計算磁鏈與真實磁鏈無相位差，通過低通濾波器替代積分器，并用高通濾波器進行幅頻補償，且補償的幅頻特性動態調整，不引入磁鏈相位的偏差；抗電機參數擾動，動態地對磁鏈的空間矢量幅值進行整體的限幅，并利用反電勢輸入和磁鏈輸出設計閉環，可消除電機參數對定子磁鏈計算模塊的影響，減輕該類方法對電機參數的依賴性；并能工作在弱磁區域，本發明中磁鏈限幅值為額定值疊加一調整量，以逼近磁鏈的真實值，由于該動態限幅調整單元的加入，在弱磁的狀態下也能夠正常快速地收斂。
本發明還提出了一種轉子位置估計裝置，用于電機，轉子位置估計裝置包括：獲取單元，用于獲取電機的第一相電流和第二相電流；獲取單元還用于獲取電機的第一相電壓和第二相電壓；獲取單元還用于獲取電機的速度參考值；計算單元，用于通過第一相電流、第二相電流、第一相電壓、第二相電壓、速度參考值及電機參數分別計算出第一反電勢和第二反電勢；計算單元還用于通過第一低通濾波器分別對第一反電勢和第二反電勢積分處理并獲得第一磁鏈和第二磁鏈；處理單元，用于通過高通濾波器處理第一磁鏈和第二磁鏈，獲得第三磁鏈和第四磁鏈，其中，高通濾波器的超前角等于低通濾波器的超前角；計算單元還用于通過第三磁鏈和第四磁鏈分別計算出轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量；計算單元還用于根據轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量計算轉子位置角；計算單元還用于根據轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量計算轉子速度。
本發明提供的轉子位置估計裝置，首先采用低通濾波加相位補償環節替代積分器(純物理積分)用于根據反電勢計算磁鏈，解決積分初值問題；其次，實時調整用于幅頻補償的高通濾波器的輸入磁鏈限幅值，調整的依據是反電勢和磁鏈的正交性，據此改善其對參數的敏感性和弱磁區域工作不佳的問題；最后，根據估計的轉子磁鏈的兩個分量計算轉子位置角度和轉速。通過上述的過程，改善了以往開環磁鏈積分方法帶來的相位角偏移、對參數敏感、弱磁區域工作不佳等問題，提高了估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度，同時能夠實現較大速度范圍內的高精度轉子位置估計，并對電機參數變化和擾動表現出一定的魯棒性。
其中，電機的第一相電流記作iα，第二相電流記作iβ，第一相電壓記作uα，第二相電壓記作uβ，速度參考值記作ωref。其中可先采集得到電機相電流，并進行park變換(派克變換)到兩相靜止坐標系下的量得到第一相電流iα和第二相電流iβ；可通過矢量控制器svpwm(空間矢量脈寬調制)的開關信號重構出第一相電壓uα和第二相電壓uβ，速度參考值ωref可由用戶設定或根據預設的算法得到。第一反電勢和第二反電勢分別記作eα和eβ。第一磁鏈、第二磁鏈、第三磁鏈和第四磁鏈均為電機的定子的磁鏈，并分別記作ψ’sα、ψ’sβ、ψsα，ψsβ，其中的第三磁鏈和第四磁鏈分別為第一磁鏈和第二磁鏈補償后的結果。轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量分別記作ψrα，ψrβ。轉子位置角記作
另外，本發明提供的上述實施例中的轉子位置估計裝置還可以具有如下附加技術特征：
在上述技術方案中，優選地，高通濾波器的輸入為電機的定子的磁鏈限幅后的上一計算周期的定子的磁鏈值(分別記作
在該技術方案中，通過選取合適的高通濾波器的輸入，獲得更準確的第三磁鏈和第四磁鏈，進而提升估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度。
在上述任一技術方案中，優選地，計算單元還用于計算第一反電勢、第二反電勢、第三磁鏈和第四磁鏈的歸一化和積；處理單元還用于將歸一化和積輸入第二低通濾波器，獲得輸出值；計算單元還用于將第二低通濾波器的輸出值乘以定子的磁鏈的額定值(記作|ψs|rated)以進行反歸一處理并將計算結果記為動態調整分量(記作δψ)；計算單元還用于將動態調整分量與定子的磁鏈的額定值相加，獲得定子的磁鏈的限幅值。
在該技術方案中，通過上述步驟確定定子的磁鏈的限幅值，可用于更新當前所需的磁鏈限幅值，提升估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度。同時，定子的磁鏈的限幅值可根據反電勢和磁鏈的夾角動態調整。同時，可以通過合理設計第二低通濾波器的時間常數，使第二低通濾波器的輸出反映上述的歸一化和積的直流分量。定子的磁鏈的限幅值是一個實時計算的變量，以實現更精準的幅頻補償效果。其中的反歸一處理用于調整增益，使第二低通濾波器的輸出和磁鏈幅值在同一維度。
其中，計算第一反電勢、第二反電勢和定子磁鏈的歸一化和積的公式為(eαψsα+eβψsβ)/|e||ψs|，其中的|e|為第一反電勢eα和第二反電勢eβ相加所得的向量的模，|ψs|為第三磁鏈ψsα和第四磁鏈ψsβ相加所得的向量的模。
在上述任一技術方案中，優選地，電機參數包括電機的定子電阻、直軸電感、交軸電感。
在該技術方案中，電機參數包括電機的定子電阻、直軸電感、交軸電感，可通過上述的電機參數與第一相電流、第二相電流、第一相電壓、第二相電壓及速度參考值等參數計算反電勢，以便后續獲取磁鏈和估計轉子位置角度和轉速。
其中，定子電阻、直軸電感、交軸電感分別記作rs,ld,lq，在本發明中，計算反電勢的公式為：
eα＝uα-rsiα-ωref(ld-lq)iβ
eβ＝uβ-rsiβ+ωref(ld-lq)iα
通過上述的公式可以分別計算出第一反電勢eα和第二反電勢eβ。
在上述任一技術方案中，優選地，計算單元還用于將第三磁鏈減去直軸電感與交軸電感的平均值與第一相電流的乘積，得到轉子磁鏈第一分量；計算單元還用于將第四磁鏈減去直軸電感與交軸電感的平均值與第二相電流的乘積，得到轉子磁鏈第二分量。
在該技術方案中，通過上述步驟獲取轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量，這樣提升了磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量準確性，進而提高了估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度。
其中，計算轉子磁鏈第一分量ψrα和轉子磁鏈第二分量ψrβ的公式分別為ψrα＝ψsα-lsiα、ψrβ＝ψsβ-lsiβ，其中，ls為直軸電感和交軸電感的平均值。
在上述任一技術方案中，采用了對磁鏈空間矢量幅值綜合限制，而不是對其分量(α和β方向上的分量)單獨限幅。磁鏈限幅閾值的選擇初始為磁鏈空間矢量的幅值。同時計算過程中還利用反電勢和磁鏈的正交性。如果系統收斂，則反電勢和磁鏈呈90度角，其余弦為零。據此調整磁鏈的限幅值，則可消除涵蓋電機參數在內的影響，大大提高了其抗參數擾動的能力。
綜上，本發明中計算磁鏈與真實磁鏈無相位差，通過低通濾波器替代積分器，并用高通濾波器進行幅頻補償，且補償的幅頻特性動態調整，不引入磁鏈相位的偏差；抗電機參數擾動，動態地對磁鏈的空間矢量幅值進行整體的限幅，并利用反電勢輸入和磁鏈輸出設計閉環，可消除電機參數對定子磁鏈計算模塊的影響，減輕該類方法對電機參數的依賴性；并能工作在弱磁區域，本發明中磁鏈限幅值為額定值疊加一調整量，以逼近磁鏈的真實值，由于該動態限幅調整單元的加入，在弱磁的狀態下也能夠正常快速地收斂。
本發明還提出了一種電機，包括上述的轉子位置估計裝置。
本發明提供的電機(優選為永磁同步電機)，通過采用上述的轉子位置估計裝置，改善了以往開環磁鏈積分方法帶來的相位角偏移、對參數敏感、弱磁區域工作不佳等問題，提高了估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度，同時能夠實現較大速度范圍內的高精度轉子位置估計，并對電機參數變化和擾動表現出一定的魯棒性。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述部分中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1示出了本發明的一個實施例的轉子位置估計方法的流程示意圖；
圖2示出了本發明的一個實施例的轉子位置估計方法的流程示意圖；
圖3示出了圖2中步驟s204中的具體步驟；
圖4示出了本發明的一個實施例的轉子位置估計裝置的示意框圖；
圖5示出了本發明的一個實施例的轉子位置估計裝置的原理框圖；
圖6示出了本發明的一個實施例中的定子磁鏈計算環節的實施框圖；
圖7示出了本發明的一個實施例中的磁鏈限幅值調整環節的實施框圖；
圖8示出了本發明的一個實施例的進行計算的結果波形(給定、實際、估計的速度波形)；
圖9示出了本發明的一個實施例的進行計算的結果波形(實際、估計的角度波形)。
具體實施方式
為了能夠更清楚地理解本發明的上述目的、特征和優點，下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行進一步的詳細描述。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明，但是，本發明還可以采用其他不同于在此描述的其他方式來實施，因此，本發明的保護范圍并不受下面公開的具體實施例的限制。
下面參照圖1和圖2描述根據本發明一些實施例所述的轉子位置估計方法和轉子位置估計裝置。
如圖1所示，本發明提供了一種轉子位置估計方法，用于電機，該轉子位置估計方法包括以下步驟：
步驟s102，獲取電機的第一相電流和第二相電流；
步驟s104，獲取電機的第一相電壓和第二相電壓；
步驟s106，獲取電機的速度參考值；
步驟s108，通過第一相電流、第二相電流、第一相電壓、第二相電壓、速度參考值及電機參數分別計算出第一反電勢和第二反電勢；
步驟s110，通過第一低通濾波器分別對第一反電勢和第二反電勢積分處理并獲得第一磁鏈和第二磁鏈；
步驟s112，通過高通濾波器處理第一磁鏈和第二磁鏈，獲得第三磁鏈和第四磁鏈，其中，高通濾波器的超前角等于低通濾波器的超前角；
步驟s114，通過第三磁鏈和第四磁鏈分別計算出轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量；
步驟s116，根據轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量計算轉子位置角；
步驟s118，根據轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量計算轉子速度。
本發明提供的轉子位置估計方法，首先采用低通濾波加相位補償環節替代積分器(純物理積分)用于根據反電勢計算磁鏈，解決積分初值問題；其次，實時調整用于幅頻補償的高通濾波器的輸入磁鏈限幅值，調整的依據是反電勢和磁鏈的正交性，據此改善其對參數的敏感性和弱磁區域工作不佳的問題；最后，根據估計的轉子磁鏈的兩個分量計算轉子位置角度和轉速。通過上述的過程，改善了以往開環磁鏈積分方法帶來的相位角偏移、對參數敏感、弱磁區域工作不佳等問題，提高了估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度，同時能夠實現較大速度范圍內的高精度轉子位置估計，并對電機參數變化和擾動表現出一定的魯棒性。
其中，電機的第一相電流記作iα，第二相電流記作iβ，第一相電壓記作uα，第二相電壓記作uβ，速度參考值記作ωref。其中可先采集得到電機相電流，并進行park變換(派克變換)到兩相靜止坐標系下的量得到第一相電流iα和第二相電流iβ；可通過矢量控制器svpwm(空間矢量脈寬調制)的開關信號重構出第一相電壓uα和第二相電壓uβ，速度參考值ωref可由用戶設定或預設的算法得到。第一反電勢和第二反電勢分別記作eα和eβ。第一磁鏈、第二磁鏈、第三磁鏈和第四磁鏈均為電機的定子的磁鏈，并分別記作ψ’sα、ψ’sβ、ψsα，ψsβ，其中的第三磁鏈和第四磁鏈分別為第一磁鏈和第二磁鏈補償后的結果。轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量分別記作ψrα，ψrβ。轉子位置角記作
在本發明的一個實施例中，優選地，高通濾波器的輸入為電機的定子的磁鏈限幅后的上一計算周期的定子的磁鏈值(分別記作
在該實施例中，通過選取合適的高通濾波器的輸入，獲得更準確的第三磁鏈和第四磁鏈，進而提升估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度。
在本發明的一個實施例中，優選地，定子的磁鏈的限幅值的計算過程包括：計算第一反電勢、第二反電勢、第三磁鏈和第四磁鏈的歸一化和積；將歸一化和積輸入第二低通濾波器，獲得輸出值；將第二低通濾波器的輸出值乘以定子的磁鏈的額定值(記作|ψs|rated)以進行反歸一處理并將計算結果記為動態調整分量(記作δψ)；將動態調整分量與定子的磁鏈的額定值相加，獲得定子的磁鏈的限幅值。
在該實施例中，通過上述步驟確定定子的磁鏈的限幅值，可用于更新當前所需的磁鏈限幅值，提升估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度。同時，定子的磁鏈的限幅值可根據反電勢和磁鏈的夾角動態調整。同時，可以通過合理設計第二低通濾波器的時間常數，使第二低通濾波器的輸出反映上述的歸一化和積的直流分量。定子的磁鏈的限幅值是一個實時計算的變量，以實現更精準的幅頻補償效果。其中的反歸一處理用于調整增益，使第二低通濾波器的輸出和磁鏈幅值在同一維度。
其中，計算第一反電勢、第二反電勢和定子磁鏈的歸一化和積的公式為(eαψsα+eβψsβ)/|e||ψs|，其中的|e|為第一反電勢eα和第二反電勢eβ相加所得的向量的模，|ψs|為第三磁鏈ψsα和第四磁鏈ψsβ相加所得的向量的模。
在本發明的一個實施例中，優選地，電機參數包括電機的定子電阻、直軸電感、交軸電感。
在該實施例中，電機參數包括電機的定子電阻、直軸電感、交軸電感，可通過上述的電機參數與第一相電流、第二相電流、第一相電壓、第二相電壓及速度參考值等參數計算反電勢，以便后續獲取磁鏈和估計轉子位置角度和轉速。
其中，定子電阻、直軸電感、交軸電感分別記作rs,ld,lq，在本發明中，計算反電勢的公式為：
eα＝uα-rsiα-ωref(ld-lq)iβ
eβ＝uβ-rsiβ+ωref(ld-lq)iα
通過上述的公式可以分別計算出第一反電勢eα和第二反電勢eβ。
在本發明的一個實施例中，優選地，通過第三磁鏈和第四磁鏈分別計算出轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量計算過程包括：第三磁鏈減去直軸電感與交軸電感的平均值與第一相電流的乘積，得到轉子磁鏈第一分量；第四磁鏈減去直軸電感與交軸電感的平均值與第二相電流的乘積，得到轉子磁鏈第二分量。
在該實施例中，通過上述步驟獲取轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量，這樣提升了磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量準確性，進而提高了估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度。
其中，計算轉子磁鏈第一分量ψrα和轉子磁鏈第二分量ψrβ的公式分別為ψrα＝ψsα-lsiα、ψrβ＝ψsβ-lsiβ，其中，ls為直軸電感和交軸電感的平均值。
在本發明的一個實施例中，采用了對磁鏈空間矢量幅值綜合限制，而不是對其分量(α和β方向上的分量)單獨限幅。磁鏈限幅閾值的選擇初始為磁鏈空間矢量的幅值。同時計算過程中還利用反電勢和磁鏈的正交性。如果系統收斂，則反電勢和磁鏈呈90度角，其余弦為零。據此調整磁鏈的限幅值，則可消除涵蓋電機參數在內的影響，大大提高了其抗參數擾動的能力。
在本發明的一個實施例中，如圖2和圖3所示，轉子位置估計方法包括以下步驟：
步驟s202，根據輸入電壓、電流、轉速、電機參數計算反電勢；具體包括：采集得到電機相電流(ia，ib)，并進行park變換到兩相靜止坐標系下的量(iα,iβ)，獲得矢量控制器svpwm的開關信號重構出相電壓(uα，uβ)，獲得矢量控制速度的參考值ωref。結合電機參數rs,ld,lq(分別為永磁同步電機的定子電阻、直軸電感、交軸電感)計算反電勢(eα,eβ)。
根據本發明的一個實施例，在該步驟中，反電勢根據以下公式進行計算：
eα＝uα-rsiα-ω(ld-lq)iβ
eβ＝uβ-rsiβ+ω(ld-lq)iα
步驟s204，采用低通濾波器加自調整高通濾波器計算定子磁鏈；具體包括：以低通濾波單元替代物理純積分，分別對兩個反電動勢進行積分以獲得未經補償的磁鏈(ψ’sα,ψ’sβ)。同時，設計一帶自適應限幅值的高通濾波器環節作用于該磁鏈，使其與低通濾波器的超前角相對應，得到補償后的定子估計磁鏈(ψsα，ψsβ)。自適應的依據穩態是反電勢和磁鏈正交。
具體而言，如圖3所示，該步驟又分為如下幾個分步驟：
步驟s2042，對反電勢(eα,eβ)進行低通濾波得到未補償的定子磁鏈(ψ’sα,ψ’sβ)；
步驟s2044，對上一計算周期的磁鏈進行限幅，限幅值
步驟s2046，對限幅后的磁鏈值進行高通濾波，得到定子磁鏈的幅頻補償值
步驟s2048，求未補償的定子磁鏈(ψ’sα,ψ’sβ)和磁鏈的補償量
進一步地，步驟s2044中磁鏈限幅值又是動態調整的，調整的具體步驟為：首先，計算反電勢和定子磁鏈的歸一化和積(eαψsα+eβψsβ)/|e||ψs|；其次，將此歸一化和積輸入另一個低通濾波器，濾波器的輸出反映上述和積的直流分量。再次，將該輸出再乘以磁鏈的額定值|ψs|rated，調整歸一化增益，得到一動態調整的分量δψ。最后，此結果和磁鏈額定值|ψs|rated的和，即
步驟s206，將定子磁鏈(ψsα，ψsβ)再分別減去lsiα和lsiβ，得到轉子磁鏈的α和β分量(ψrα，ψrβ)。即，ψrα＝ψsα-lsiα，ψrβ＝ψsβ-lsiβ。需要說明的是，ls為直軸電感和交軸電感的平均值。
步驟s208，根據s206的輸出，再根據表達式
步驟s210，根據s206的輸出，再根據以下表達式計算轉子速度
綜上，本發明中計算磁鏈與真實磁鏈無相位差，通過低通濾波器替代積分器，并用高通濾波器進行幅頻補償，且補償的幅頻特性動態調整，不引入磁鏈相位的偏差；抗電機參數擾動，動態地對磁鏈的空間矢量幅值進行整體的限幅，并利用反電勢輸入和磁鏈輸出設計閉環，可消除電機參數對定子磁鏈計算模塊的影響，減輕該類方法對電機參數的依賴性；并能工作在弱磁區域，本發明中磁鏈限幅值為額定值疊加一調整量，以逼近磁鏈的真實值，由于該動態限幅調整單元的加入，在弱磁的狀態下也能夠正常快速地收斂。
本發明還提供了一種轉子位置估計裝置4，如圖4所示，包括：獲取單元402，用于獲取電機的第一相電流和第二相電流；獲取單元402還用于獲取電機的第一相電壓和第二相電壓；獲取單元402還用于獲取電機的速度參考值；計算單元404，用于通過第一相電流、第二相電流、第一相電壓、第二相電壓、速度參考值及電機參數分別計算出第一反電勢和第二反電勢；計算單元404還用于通過第一低通濾波器分別對第一反電勢和第二反電勢積分處理并獲得第一磁鏈和第二磁鏈；處理單元406，用于通過高通濾波器處理第一磁鏈和第二磁鏈，獲得第三磁鏈和第四磁鏈，其中，高通濾波器的超前角等于低通濾波器的超前角；計算單元404還用于通過第三磁鏈和第四磁鏈分別計算出轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量；計算單元404還用于根據轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量計算轉子位置角；計算單元404還用于根據轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量計算轉子速度。
本發明提供的轉子位置估計裝置4，首先采用低通濾波加相位補償環節替代積分器(純物理積分)用于根據反電勢計算磁鏈，解決積分初值問題；其次，實時調整用于幅頻補償的高通濾波器的輸入磁鏈限幅值，調整的依據是反電勢和磁鏈的正交性，據此改善其對參數的敏感性和弱磁區域工作不佳的問題；最后，根據估計的轉子磁鏈的兩個分量計算轉子位置角度和轉速。通過上述的過程，改善了以往開環磁鏈積分方法帶來的相位角偏移、對參數敏感、弱磁區域工作不佳等問題，提高了估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度，同時能夠實現較大速度范圍內的高精度轉子位置估計，并對電機參數變化和擾動表現出一定的魯棒性。
其中，電機的第一相電流記作iα，第二相電流記作iβ，第一相電壓記作uα，第二相電壓記作uβ，速度參考值記作ωref。其中可先采集得到電機相電流，并進行park變換(派克變換)到兩相靜止坐標系下的量得到第一相電流iα和第二相電流iβ；可通過矢量控制器svpwm(空間矢量脈寬調制)的開關信號重構出第一相電壓uα和第二相電壓uβ，速度參考值ωref可由用戶設定或根據預設的算法得到。第一反電勢和第二反電勢分別記作eα和eβ。第一磁鏈、第二磁鏈、第三磁鏈和第四磁鏈均為電機的定子的磁鏈，并分別記作ψ’sα、ψ’sβ、ψsα，ψsβ，其中的第三磁鏈和第四磁鏈分別為第一磁鏈和第二磁鏈補償后的結果。轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量分別記作ψrα，ψrβ。轉子位置角記作
在本發明的一個實施例中，優選地，高通濾波器的輸入為電機的定子的磁鏈限幅后的上一計算周期的定子的磁鏈值(分別記作
在該實施例中，通過選取合適的高通濾波器的輸入，獲得更準確的第三磁鏈和第四磁鏈，進而提升估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度。
在本發明的一個實施例中，優選地，計算單元404還用于計算第一反電勢、第二反電勢、第三磁鏈和第四磁鏈的歸一化和積；處理單元406還用于將歸一化和積輸入第二低通濾波器，獲得輸出值；計算單元404還用于將第二低通濾波器的輸出值乘以定子的磁鏈的額定值(記作|ψs|rated)以進行反歸一處理并將計算結果記為動態調整分量(記作δψ)；計算單元404還用于將動態調整分量與定子的磁鏈的額定值相加，獲得定子的磁鏈的限幅值。
在該實施例中，通過上述步驟確定定子的磁鏈的限幅值，可用于更新當前所需的磁鏈限幅值，提升估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度。同時，定子的磁鏈的限幅值可根據反電勢和磁鏈的夾角動態調整。同時，可以通過合理設計第二低通濾波器的時間常數，使第二低通濾波器的輸出反映上述的歸一化和積的直流分量。定子的磁鏈的限幅值是一個實時計算的變量，以實現更精準的幅頻補償效果。其中的反歸一處理用于調整增益，使第二低通濾波器的輸出和磁鏈幅值在同一維度。
其中，計算第一反電勢、第二反電勢和定子磁鏈的歸一化和積的公式為(eαψsα+eβψsβ)/|e||ψs|，其中的|e|為第一反電勢eα和第二反電勢eβ相加所得的向量的模，|ψs|為第三磁鏈ψsα和第四磁鏈ψsβ相加所得的向量的模。
在本發明的一個實施例中，優選地，電機參數包括電機的定子電阻、直軸電感、交軸電感。
在該實施例中，電機參數包括電機的定子電阻、直軸電感、交軸電感，可通過上述的電機參數與第一相電流、第二相電流、第一相電壓、第二相電壓及速度參考值等參數計算反電勢，以便后續獲取磁鏈和估計轉子位置角度和轉速。
其中，定子電阻、直軸電感、交軸電感分別記作rs,ld,lq，在本發明中，計算反電勢的公式為：
eα＝uα-rsiα-ωref(ld-lq)iβ
eβ＝uβ-rsiβ+ωref(ld-lq)iα
通過上述的公式可以分別計算出第一反電勢eα和第二反電勢eβ。
在本發明的一個實施例中，優選地，計算單元404還用于將第三磁鏈減去直軸電感與交軸電感的平均值與第一相電流的乘積，得到轉子磁鏈第一分量；計算單元404還用于將第四磁鏈減去直軸電感與交軸電感的平均值與第二相電流的乘積，得到轉子磁鏈第二分量。
在該實施例中，通過上述步驟獲取轉子磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量，這樣提升了磁鏈第一分量和轉子磁鏈第二分量準確性，進而提高了估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度。
其中，計算轉子磁鏈第一分量ψrα和轉子磁鏈第二分量ψrβ的公式分別為ψrα＝ψsα-lsiα、ψrβ＝ψsβ-lsiβ，其中，ls為直軸電感和交軸電感的平均值。
在本發明的一個實施例中，采用了對磁鏈空間矢量幅值綜合限制，而不是對其分量(α和β方向上的分量)單獨限幅。磁鏈限幅閾值的選擇初始為磁鏈空間矢量的幅值。同時計算過程中還利用反電勢和磁鏈的正交性。如果系統收斂，則反電勢和磁鏈呈90度角，其余弦為零。據此調整磁鏈的限幅值，則可消除涵蓋電機參數在內的影響，大大提高了其抗參數擾動的能力。
在本發明的一個實施例中，如圖5至圖7所示，圖5為本發明一實施例轉子位置估計裝置的模塊構成圖(原理框圖)，具體包括轉子磁鏈計算模塊1，磁鏈限幅值調整模塊2，轉子位置估計模塊3，速度估計模塊4。其中，所述轉子磁鏈計算模塊1用于計算轉子磁鏈，轉子磁鏈計算模塊的一組輸入為電壓、電流、參考轉速和電機參數，轉子磁鏈計算模塊的另一組輸入為當前計算周期的磁鏈限幅值；所述磁鏈限幅值調整模塊2用于根據當前計算的定子磁鏈和反電勢，動態地調整轉子磁鏈計算模塊中所需的磁鏈限幅值；所述轉子位置計算模塊3用于根據轉子磁鏈的兩個分量計算位置角的反正切值；所述速度計算模塊4用于根據磁鏈的兩個分量值計算當前的轉速。
根據本發明的實施例，模塊之間的具體變量傳遞關系參見圖5至圖7。
根據本發明的實施例，轉子磁鏈估計模塊1工作在兩相靜止坐標系α，β下，其輸入信號有兩相靜止坐標系下的電流(iα,iβ)、通過svpwm的開關信號重構的相電壓(uα，uβ)、矢量控制速度的參考值ωref、電機參數(rs，ld，lq)。該單元首先估計定子磁鏈(ψsα,ψsβ)，再將定子磁鏈再分別減去lsiα和lsiβ，得到轉子磁鏈的α和β分量(ψrα，ψrβ)。即，ψrα＝ψsα-lsiα，ψrβ＝ψsβ-lsiβ。
根據本發明的實施例，如圖5所示，所述轉子磁鏈計算模塊1又包括以下幾個單元：反電勢計算單元11，用于根據當前輸入量計算電機當前反電動勢；定子磁鏈計算單元12，用于根據輸入的反電勢和當前的磁鏈限幅值計算定子磁鏈值；轉子磁鏈計算單元13，用于根據定子磁鏈計算轉子磁鏈值。
具體地說，如圖6所示，定子磁鏈的計算模塊12主要還包括以下幾個單元：低通濾波器1201，高通濾波器1202，磁鏈限幅單元1203。低通濾波器用于替代常規方法中的積分，高通濾波器用于補償1201引起的幅頻特性變化，磁鏈限幅單元1203用于限制輸入到高通濾波器的磁鏈幅值。其中，ts為采樣頻率(或采樣時間)，ωc1，ωc2分別為低通濾波器和高通濾波器的轉折頻率，
進一步地，定子磁鏈的計算模塊12所需磁鏈限幅值來自磁鏈限幅值調整模塊2。
具體地說，如圖7所示，根據本發明的一個實施例，所述磁鏈限幅值調整模塊2具體還包括：反電勢和定子磁鏈的歸一化和積計算單元21，低通濾波器22，磁鏈限幅調整值反歸一23和磁鏈限幅值計算24。反電勢和定子磁鏈的和歸一化和積計算21用于計算和歸一化和積，物理上其等同于當前反電勢和定子磁鏈的夾角信息，該式等同于電壓e和磁鏈ψ空間矢量的夾角的余弦值cos(γ)。單位增益低通濾波器22用于獲取上述歸一化和積中的直流分量，濾出高頻擾動信息。磁鏈限幅調整值反歸一23用于調整增益，使濾波器的輸出和磁鏈幅值在同一維度。磁鏈限幅值計算24用于更新當前所需的磁鏈限幅值。
如圖8和圖9所示的本發明的一個實施例在實際計算的過程的實際驗證結果。電機的參數為rs＝0.264ω，ld＝2.5×10-3h，lq＝3.6×10-3h，np＝3，|ψ|rated＝0.07wb，轉動慣量j＝0.00012kg﹒m2，反電勢ke＝15.7v/1000rpm。圖8為輸出的速度波形，三種線(直線、虛線、實線)分別為給定、實際、估計的速度波形。圖9為輸出的角度波形，虛線、實線分別為實際和估計的角度波形，放大的小圖展示了極小的估計和實際角度相位差，驗證了本發明的有效性。
綜上，本發明中計算磁鏈與真實磁鏈無相位差，通過低通濾波器替代積分器，并用高通濾波器進行幅頻補償，且補償的幅頻特性動態調整，不引入磁鏈相位的偏差；抗電機參數擾動，動態地對磁鏈的空間矢量幅值進行整體的限幅，并利用反電勢輸入和磁鏈輸出設計閉環，可消除電機參數對定子磁鏈計算模塊的影響，減輕該類方法對電機參數的依賴性；并能工作在弱磁區域，本發明中磁鏈限幅值為額定值疊加一調整量，以逼近磁鏈的真實值，由于該動態限幅調整單元的加入，在弱磁的狀態下也能夠正常快速地收斂。
本發明還提出了一種電機，包括上述的轉子位置估計裝置。
本發明提供的電機(優選為永磁同步電機)，通過采用上述的轉子位置估計裝置，改善了以往開環磁鏈積分方法帶來的相位角偏移、對參數敏感、弱磁區域工作不佳等問題，提高了估計轉子位置角度和轉速的效率和準確度，同時能夠實現較大速度范圍內的高精度轉子位置估計，并對電機參數變化和擾動表現出一定的魯棒性。
在本發明中，術語“多個”則指兩個或兩個以上，除非另有明確的限定。術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語均應做廣義理解，例如，“連接”可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；“相連”可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本說明書的描述中，術語“一個實施例”、“一些實施例”、“具體實施例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或實例。而且，描述的具體特征、結構、材料或特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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