高速永磁同步电机无位置传感器电感辨识方法和系统

所属的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

背景技术：

1、高速永磁同步电机(high-speed permanent magnet synchronous motor，hpmsm)具有高功率密度、高效率和高转矩重量比等优势，在新能源汽车驱动、飞轮储能、航空发电系统等领域有着广阔的应用前景。为了实现永磁电机的高性能控制，需要实时获取转速及转子位置信息。在传统的永磁电机驱动控制系统中，对转子位置和速度的检测通常采用转子轴上安装机械传感器的方法，如光电编码器、霍尔传感器、旋转变压器和感应同步器等。上述传感器与电机转子同轴安装并随转子的旋转而旋转，随着电机转速的不断升高，安装机械传感器变的越来越困难，尤其是当电机的最高运行转速超过50000r/m时，已无法找到满足高转速运行条件的传感器。

2、为了解决上述问题，采用软件，即无位置传感器的方法进行转速和位置信号观测是当前唯一可行的方法。观测方法很多，基于滑模观测器的转速和位置信号观测方法获得了较为广泛的应用。永磁同步电机根据转子结构不同，分为表贴式永磁同步电机和凸极式永磁电机两类，由于dq轴电感ld和lq的大小关系不同，两类电机的电压方程无法统一表达，基于电压方程建立的滑模观测器也具有不同的结构形式，比如，专利cn202310615384.7表贴式永磁同步电机全速域无位置传感器复合控制方法”公开了一种表贴式永磁同步电机全速域无位置传感器控制方法，其提出的滑模观测器只针对表贴式电机有效，无法推广到凸极式永磁电机中；另外，永磁电机的电压方程包含了电感、定子电阻等参数，电机运行过程中随工况不同上述参数会发生变化，尤其是电感参数的变化范围较大，电感变化对观测精度的影响无法忽略，专利cn202310264231.2一种永磁同步电机的无位置传感器控制方法及装置公开了一种基于滑模观测器的永磁同步电机的无位置传感器控制方法，并未考虑电机运行过程中电感等参数随工况不同发生变化条件下对控制效果的影响。综上所述，滑模观测器法本质上是一种基于模型的状态观测法，其基本原理是基于永磁电机的电压方程构建观测器实现对转子位置角度的辨识，并通过转子位置角度实现转速的计算。现有滑模观测器技术主要针对表贴式永磁同步电机，由于表贴式和凸极式永磁电机数学模型表达形式的不同，基于表贴电机数学模型所建立的滑模观测器并不适用于凸极式电机。为满足凸极式永磁电机的无位置传感器控制的需要，需要构建专门针对凸极电机的滑模观测器，表贴式永磁电机和凸极式永磁电机的滑模观测器的数学形式及滑模参数均不同，无法实现统一；机电感参数时变对观测精度的影响很大，电机的d、q轴电感的数值与电机的驱动电流和绕组温度均存在非线性关联，通过实际测量的方式进行获取难度很大，作为常用的解决方案，现有技术主要通过在线辨识法对电感参数进行实时计算，存在计算量大，且某些工况下电感辨识结果受转子位置误差的影响而无法准确收敛的问题，不适用于无位置传感器运行条件。

3、因此，如何提供一种永磁同步电机的滑模观测器的通用型建模方法，实现对表贴式和凸极式两种类型永磁电机的转子位置和速度观测器模型的普适统一表达；实现观测器模型中电机电感等参数的便捷、高精度的获取辨识，都是进行高速永磁同步电机无位置传感器运行控制实用化过程中亟待解决的技术难题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，即现有的无位置传感器的永磁同步电机转子电感估测方法不同电机类型无法通用、参数的变化范围较大和未考虑电感参数随工况发生变化对控制效果的影响的问题，所述方法包括：

2、步骤s1，采集电机的dq轴电流组合(idi,iqj)和确定电感的标称值lq0；其中，idi表示在0～额定电流范围内任取n个不同的d轴电流值，iqj表示在0～额定电流范围内任取n个不同的q轴电流值；lq0为电感的标称值，在电机不通电条件下由电感表测得；

3、步骤s2，基于电机的dq轴电流组合(idi,iqj)，通过滑模观测器获得修正反电势滤波输出值计算电机转子位置角的观测值和转子旋转的电角速度ωe的观测值

4、所述滑模观测器，为基于修正磁链和修正反电势优化获得的改进的永磁电机电压模型构建，并根据所述改进的永磁电机电压模型转化为改进的永磁电机电流模型进而构建的电机转子位置与速度的普适型滑模观测器模型；

5、步骤s3，通过预先埋设的温度传感器进行电机定子电阻的辨识，进而获得多个离散辨识电感值

6、步骤s4，基于多个所述离散辨识电感值进行二次多项式拟合，获得电感辨识值

7、进一步的，所述基于修正磁链和修正反电势优化获得的改进的永磁电机电压模型具体为：

8、对永磁同步电机在dq坐标系下的电压方程引入修正磁链ψa＝(ld-lq)id+ψf；

9、所述永磁同步电机在dq坐标系下的电压方程为：

10、

11、其中ld表示电机d轴电感，lq表示电机q轴电感，id表示电机定子d轴电流矢量，iq表示电机定子q轴电流矢量，ψf表示永磁磁链，ud表示电机定子d轴电压，uq表示电机定子q轴电压，rs表示电机定子的电阻，t表示时间，ωe表示转子旋转的电角速度；

12、引入修正磁链ψa＝(ld-lq)id+ψf后获得dq坐标系下的改进的永磁电机电压方程为：

13、

14、将改进的永磁电机电压方程写为矩阵形式的方程为：

15、

16、转换到αβ坐标系下的矩阵形式的改进的永磁电机电压方程为：

17、

18、其中，ψaα表示修正磁链在α坐标轴上的分量，ψaβ表示修正磁链在β坐标系中的分量；

19、

20、θe表示电机转子位置角真实值；

21、微分后获得修正磁链在αβ坐标系下的展开式为：

22、

23、d＝ddt表示微分符号；

24、由于机械系统的时间常数远大于电气系统的时间常数，将修正磁链在αβ坐标系下的展开式的等号右边第二项忽略，获得简化后的修正磁链在αβ坐标系下的方程矩阵：

25、

26、得到αβ坐标系下基于修正磁链的改进的电压方程：

27、

28、展开获得电机定子电压矢量在αβ坐标轴上的分量uα和uβ：

29、

30、其中，eα表示基于修正磁链ψa计算的修正反电势在α坐标轴上的分量，eβ基于修正磁链ψa计算的修正反电势在β坐标轴上的分量；

31、

32、其中，ρ＝lq/ld表示永磁电机的凸极率，对于表贴式电机ρ＝1，凸极式电机ρ>1。

33、进一步的，所述改进的永磁电机电流模型，具体为：

34、

35、uα和uβ分别表示电机定子电压矢量在αβ坐标轴上的分量，iα和iβ分别表示电机定子电流矢量在αβ坐标轴上的分量，eα表示基于修正磁链ψa计算的修正反电势在α坐标轴上的分量，eβ基于修正磁链ψa计算的修正反电势在β坐标轴上的分量，lq表示电机q轴电感，ld表示电机d轴电感，rs表示电机定子的电阻。

36、进一步的，所述普适型滑模观测器模型，具体为：

37、基于所述改进的永磁电机电流模型，将其中的电流矢量和修正反电势更换为观测值，得到滑模观测器：

38、

39、其中表示定子电流在α坐标轴上的分量iα的观测值，表示定子电流在β坐标轴上的分量iβ的观测值，vα表示基于修正磁链ψa计算的修正反电势在α坐标轴上的分量eα的观测值，vβ表示基于修正磁链ψa计算的修正反电势在β坐标轴上的分量eβ的观测值；

40、通过前向欧拉法对所述滑模观测器进行离散化，获得离散化的滑模观测器：

41、

42、k表示离散状态下的当前时刻；k+1表示离散状态下的下一时刻，ts表示离散化周期，表示k时刻定子电流在α坐标轴上的分量iα的观测值，表示k时刻定子电流在β坐标轴上的分量iβ的观测值，vα(k)表示k时刻基于修正磁链ψa计算的修正反电势在α坐标轴上的分量eα的观测值，vβ(k)基于k时刻修正磁链ψa计算的修正反电势在β坐标轴上的分量eβ的观测值；

43、通过离散化的滑模观测器表示k+1时刻的α和β轴的定子电流观测值和为：

44、

45、基于所述改进的永磁电机电流模型和滑模观测器获得定子电流误差方程：

46、

47、表示α坐标轴上的定子电流观测误差，表示β轴上的定子电流观测误差，表示α坐标轴上的定子电流观测量，表示β坐标轴上的定子电流观测量，iα表示电机定子电流矢量在α坐标轴上的分量，iβ表示电机定子电流矢量在β坐标轴上的分量；

48、定义滑模控制律为：

49、

50、η为滑模增益；sign为符号函数；

51、构造滑模面s为：

52、

53、s表示滑模面，sα表示滑模面s在α坐标轴上的分量，sβ表示滑模面s在β坐标轴上的分量；

54、当电流观测器中的定子电流观测量运动到滑模面之后，定子电流观测量会一直在滑模面上运动，可得s＝ds/dt＝0，则由滑模控制的等效控制原理可得修正磁链ψa计算的修正反电势的观测量为：

55、

56、基于所述修正磁链ψa计算的修正反电势的观测量，通过低通滤波器输出，获得修正反电势滤波输出值：

57、

58、表示vα滤波后的输出值，表示vβ滤波后的输出值，ωc表示低通滤波器的截止频率；

59、基于修正反电势滤波输出值计算电机转子位置θe的观测值和转子旋转的电角速度ωe的观测值

60、

61、arctan为反正切函数。

62、进一步的，所述通过预先埋设的温度传感器进行电机定子电阻的辨识，具体为：

63、

64、为定子电阻rs的辨识结果，常温25℃时μ为铜的电阻温度系数，μ＝0.00393；t为温度传感器输出的电机定子实时温度值，为常温25℃时电机定子电阻，可以使用电阻电桥测得。

65、进一步的，所述离散辨识电感值其获得方法包括：

66、构建离散辨识电感值的二次多项表达式：

67、

68、离散辨识电感值含义为q轴电感lq的辨识结果，f(id,iq)表示随电流id、iq变化的函数表达式，b20,b02,b11,b10,b01,b00表示待求解的电感解析表达式系数；

69、时，电机转子位置角真实值θe和电机转子位置估计值之间的误差θerr趋于零：

70、

71、其中电机转子位置角真实值θe通过电机转子上安装的旋转变压器测得。

72、进一步的，所述步骤s3，具体为：

73、步骤s31，对于电机的dq轴电流组合(idi,iqj)，以遍历的方式，辨识电感值由初始值0.05lq0开始，判断电机转子位置角估计值与电机转子位置角真实值θe是否满足设定阈值

74、其中idi∈(0,id_nom)，i＝1,2,...,n；

75、iqj∈(0,iq_nom)，j＝1,2,...,n；

76、id_nom和iq_nom分别为电机d,q轴电流的额定值，n为根据需要预设的正实数；

77、lq0为电感的标称值，在电机不通电条件下由电感表测得；

78、步骤s32a，若满足所述设定阈值，记录当前的电机的dq轴电流组合(idi，iqj)对应的q轴电感辨识值为：

79、步骤s32b，若不满足所述设定阈值，将当前时刻的对应的q轴电感辨识值以设定步长δ＝0.05lq0，增加待辨识电感的取值；

80、步骤s33，重复步骤s31至步骤s32，直至遍历所有的工况获得离散辨识电感值

81、

82、

83、lqij＝f(idi,iqj)表示电机的dq轴电流组合为(idi,iqj)时的q轴电感辨识值，序号i,j取值为，i＝j＝1,2,...,n；

84、采用id＝0的控制方式时，idi＝0对于任意i＝1,2,...,n均成立，获得简化的离散辨识电感值为：

85、

86、其中，lqij＝f(idi,iqj)表示电机的dq轴电流组合为(idi,iqj)时的q轴电感辨识值，i＝j＝1,2,...,n；f(0,iqj)表示电机的dq轴电流组合为(idi＝0,iqj)时的q轴电感辨识值，j＝1,2,...,n。

87、进一步的，所述步骤s4，具体包括：

88、所述离散辨识电感值的二次多项表达式中的待求解的电感解析表达式系数满足系数条件：

89、

90、获得电感解析表达式系数满足系数的解为：

91、

92、求解获得的离散辨识电感值作为电感辨识值。

93、进一步的，所述方法还包括根据所述电感辨识值控制永磁电机转子位置和转速观测的步骤s5；

94、所述步骤s5，基于所述电感辨识值和定子电阻rs的辨识结果修正所述定子电流误差方程，获得修正的定子电流误差方程：

95、

96、表示α坐标轴上的定子电流观测误差，表示β轴上的定子电流观测误差，表示α坐标轴上的定子电流观测量，表示β坐标轴上的定子电流观测量，iα表示电机定子电流矢量在α坐标轴上的分量真实值，iβ表示电机定子电流矢量在β坐标轴上的分量真实值；

97、基于所述修正的定子电流误差方程计算修正反电势矢量的αβ坐标轴上的分量的观测量：

98、

99、将修正反电势矢量的αβ坐标轴上的分量的观测量进行滤波后输出：

100、

101、表示vα滤波后的输出值，表示vβ滤波后的输出值，ωc表示低通滤波器的截止频率；

102、根据vα滤波后的输出值和vβ滤波后的输出值计算电机转子位置θe的观测值和转子旋转的电角速度ωe的观测值

103、

104、通过电机转子位置θe的观测值和转子旋转的电角速度ωe的观测值对电机进行控制。

105、本发明的另一方面，提供一种高速永磁同步电机无位置传感器电感辨识系统，所述系统包括：

106、工况采集模块，配置为采集电机的dq轴电流组合(idi,iqj)和确定电感的标称值lq0；其中idi表示在0～额定电流范围内任取n个不同的d轴电流值，iqj表示在0～额定电流范围内任取n个不同的q轴电流值；lq0为电感的标称值，在电机不通电条件下由电感表测得。

107、转子位置和电角速度预测模块，配置为于电机的dq轴电流组合(idi,iqj)，通过滑模观测器获得修正反电势滤波输出值计算电机转子位置θe的观测值和转子旋转的电角速度ωe的观测值

108、所述滑模观测器，为基于修正磁链和修正反电势优化获得的改进的永磁电机电压模型构建，并根据所述改进的永磁电机电压模型转化为改进的永磁电机电流模型进而构建的电机转子位置与速度的普适型滑模观测器模型；

109、离散辨识电感值计算模块，配置为通过预先埋设的温度传感器进行电机定子电阻的辨识，进而获得多个离散辨识电感值

110、拟合模块，配置为基于多个所述离散辨识电感值进行二次多项式拟合，获得电感辨识值

111、本发明的有益效果：

112、(1)本发明提供了一种基于所提滑模观测器实现电机q轴电感辨识方法，所设计的滑模观测器除具备电机转子位置、转速观测功能外，还可以实现q轴电感lq的精确辨识，并规避了传统方法进行电感辨识时的繁琐过程，提高了电感辨识的精度、降低了辨识的工作量。

113、(2)本发明提供的永磁同步电机无位置传感器电感辨识方法，给出了一种同时适用于表贴式永磁电机和凸极式永磁电机滑模观测器的普适统一形式，所提观测器模型精度不受电机d轴电感ld变化的影响，有效的降低了所提方法的参数依赖性，实现了高速永磁同步电机的无位置传感器的准确位置估测。

114、(3)本发明所提方法在永磁同步电机实用化无位置控制策略设计以及电机相关电感参数辨识精度等方面较已有技术具有明显的优势，所提出的思路还可以为分析相关控制问题、设计控制策略提供有益的借鉴。

115、(4)本发明构建的永磁电机改进电流模型，不包含d轴电感ld，能够适用于表贴式电机(ld＝lq)和凸极式电机(ld<lq)。

116、(5)本发明利用所建立的普适型统一滑模观测器进行电机电感辨识的方法，可以高效的实现电机q轴电感lq在不同电流下的自动辨识，将辨识出的电感应用到所提的滑模观测器中，可实现永磁电机转子位置及转速的高精度估测，进而提高高速永磁同步电机无位置传感器运行的控制精度。