CN102237841A - 应用于永磁同步电机的无位置传感器位置估计的装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种应用于永磁同步电机的无位置传感器位置估计的装置，包括电磁转矩计算模块、控制模块、电磁转矩计算模块、速度增量计算模块、速度估计模块及位置估计模块；本发明提供的一种应用于永磁同步电机的无位置传感器位置估计的硬件电路实现方法，在保证控制精度的基础上，通过控制状态机的跳转时分复用状态机实现的。由于单周期即可完成一种运算，在保证电机正常运转所需时间精度的基础上，大大降低了基于定子磁链矢量方程的位置估计算法实现的硬件资源占用情况。

Description

应用于永磁同步电机的无位置传感器位置估计的装置

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制领域，特别涉及一种应用于永磁同步电机的无位置传感器位置估计的装置。 

背景技术

目前，永磁同步电机常用控制方法为基于电压矢量的SVPWM(空间矢量脉冲宽度调制)算法。算法的核心是定子电流、转子电流的解耦，解耦计算需要知道转子的位置。传统的方法是使用位置传感器得到位置信息，但是由于机械位置传感器不仅精度差，而且增加了***的体积和成本。于是，无传感器的控制算法得到了越来越多的关注。 

位置估计算法主要有以下两类：第一类是基于电机理想电压方程的方法，如基于定子磁链矢量方程的位置估计算法、反电势法、扩展卡尔曼滤波器法等；第二类是基于电机非理想特性的方法，如高频信号注入法等。这些位置估计算法实现起来都非常复杂，硬件电路实现的难度非常大。相对于其他位置估计算法，基于定子磁链矢量方程的位置估计算法，精度适中，可以满足永磁同步电机控制的要求。同时，基于定子磁链矢量方程的位置估计算法具有串行化的特点，只需要顺序执行相应的运算，即可完成操作。串行化的特点使得基于定子磁链矢量方程的位置估计算法比较易于在硬件电路上实现。 

发明内容

本发明的目的之一是提供一种应用于永磁同步电机的无位置传感器位置估计的装置。 

根据本发明的一个方面，提供一种应用于永磁同步电机的无位置传感器位置估计的装置包括：状态机、电磁转矩计算模块、速度增量计算模块、速度估计模块及位置估计模块；其中，所述状态机，向所述电磁转矩计算模块、电磁转矩计算模块、速度增量计算模块、速度估计模块及位置估计模块输出用于控制计算的状态控制码；所述电磁转矩计算模块在所述状态机的控制下， 计算电磁转矩T_e；所述速度增量计算模块在所述状态机的控制下，根据所述电磁转矩T_e计算速度增量Δω；所述速度估计模块在所述状态机的控制下，根据所述速度增量Δω对速度ω进行估计；所述位置估计模块在所述状态机的控制下，根据速度增量Δω对所述电机转子位置进行估计。 

通过本发明提供的应用于永磁同步电机的无位置传感器位置估计的装置，实现了复杂算法在FPGA上的资源复用和降低实现成本。 

附图说明

图1是本发明实施例提供的应用于永磁同步电机的无位置传感器位置估计的装置的结构图； 

图2是图1所示状态机状态跳转图。 

本发明目的、功能及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。 

具体实施方式

本发明提供的一种应用于永磁同步电机的无位置传感器位置估计装置基于定子磁链矢量方程的位置估计算法的特点，可以通过顺序完成计算电磁转矩T_e、计算速度增量Δω、速度估计和位置估计运算，从而完成整个算法。其中，基于定子磁链矢量方程的位置估计算法主要利用以下两个公式：电磁转矩 

(1)，速度增量 

(2)进行计算，i_d为直轴电流，i_q为交轴电流，永磁同步电动机电感参数L_d、L_q，J是电机的转子转动惯量，p是电机的极对数，B是电机的粘滞摩擦系数，T_l是负载力矩，T_l是负载转矩。通过计算出T_e，Δω，再针对Δω进行累加即得估计速度，然后对速度进行累加即为估计位置。 

参见图1，本发明实施例提供一种应用于永磁同步电机的无位置传感器位置估计的装置包括电磁转矩计算模块、状态机、速度增量计算模块、速度估计模块及位置估计模块。其中，状态机，向所述电磁转矩计算模块、电磁转矩计算模块、速度增量计算模块、速度估计模块及位置估计模块输出状态控制码及操作数。状态控制码如表1所示： 

表1 

控制码

操作

[0014] 

00	装载操作数
		01	加法
10	乘法
		11	乘累加

通过控制状态机的每个状态，生成不同的算术逻辑运算单元的控制码，同时指定操作数的来源，通过控制状态跳转顺序从而完成一系列运算。 

电磁转矩计算模块在状态机的控制下，计算电磁转矩T_e。电磁力矩计算模包括：第一运算单元、第二运算单元、第一载入单元、第二载入单元及第三运算单元。其中，第一运算单元接收状态机输出的控制码11及操作数A、B及C，根据该控制码进行的操作是将i_d载入操作数A，L_d-L_q载入操作数B，将 

载入操作数C，进行A和B相乘然后与C相加操作，即完成 

运算，此过程在一个时钟周期内完成。第二运算单元接收状态机输出的控制码10，根据该控制码将p和i_q分别载入操作数A和B，进行乘法操作，即完成p*i_q运算，此过程也在一个时钟周期内完成。由于上述计算的结果还需要一次相乘，而操作数A和B在每一个时钟单元只能进行一次运算，故对于第一运算单元与第二运算单元各自运算的结果，还需要一个时钟周期将结果载入操作数A和B。第一载入单元接收状态机输出的控制码00，将 

的运算结果载入操作数A。第二载入单元接收状态机输出的控制码00，将p*i_q的运算结果载入操作数B。第三运算单元将操作数A、B相乘即得电磁转矩T_e。 

速度增量计算模块在状态机的控制下，根据电磁转矩T_e计算速度增量Δω。速度增量计算模块是利用公式 

计算速度增量Δω。速度增量计算模块包括：第四运算单元、第三载入单元、第五运算单元、第四载入单元、第六运算单元、第五载入单元、第六载入单元及第七运算单元。分析公式 

依次执行以下八个状态的操作就可以实现。其中，四个状态进行运算，四个状态载入运算结果。第一状态和第七状态进行乘法运算，第三状态和第七状态进行乘加运算，其余四个状态载入运算结果。其中，第四运算单元接收状态机输出的控制码10及 操作数A、B，根据该控制码进行的操作是将p载入操作数A，t_l载入操作数B，进行A和B相乘，即完成p*t_l运算，此过程在一个时钟周期内完成。第三载入单元接收状态机输出的控制码00，将电磁力矩t_e的运算结果载入电磁力矩的专用寄存器中。第五运算单元接收状态机输出的控制码11及操作数A、B和C，根据该控制码进行的操作是将B载入操作数A，将ω载入操作数B，将p*t_l载入到操作数C，进行A和B相乘然后与C相加操作，即完成B*ω+p*t_l运算，此过程在一个时钟周期内完成。第四载入单元接收状态机输出的控制码00，将B*ω+p*t_l的运算结果取反载入操作数C。第六运算单元接收状态机输出的控制码11及操作数A和B，根据该控制码进行的操作是将p载入操作数A，将t_e载入操作数B，进行A和B相乘然后与C相加操作，即完成p*t_e+[-(B*ω+p*t_l)]运算，此过程在一个时钟周期内完成。第五载入单元接收状态机输出的控制码00，将p*t_e+[-(B*ω+p*t_l)]的运算结果载入操作数A。第六载入单元接收状态机输出的控制码00，将 

的运算结果载入操作数B。第七运算单元接收状态机输出的控制码10，根据该控制码进行的操作进行A和B相乘，即完成 

运算，此过程在一个时钟周期内完成。 

速度估计模块在状态机的控制下，根据速度增量Δω对速度ω进行估计。速度估计模块根据公式ω＝ω₀+∑_Δω进行速度估计，公式等效为ω＝ω_pre+_Δω，ω_pre为上一时刻速度估计结果，每次运算结束后需要保存。速度估计模块包括：第七载入单元、第八载入单元及第八运算单元。第七载入单元接收状态机输出的控制码00，将_Δω的运算结果载入累加器。第八载入单元接收状态机输出的控制码00，将上一时刻的转速估计值ω_pre的运算结果载入操作数C。每次采样电流进来需要经过这一系列步骤完成一个周期的运算，然后将转速估计值保存在存储器中，等待下次再采样一次电流并进行相应运算时把这一值载入操作数C。故上一时刻即指上次利用采样电流进行上述运算后到此刻时的值。第八运算单元接收状态机输出的控制码01，根据该控制码进行的操作是将操作数Cω_pre和累加器中的_Δω进行相加，完成ω_pre+_Δω运算，此过程在一个时钟周期内完成。每次采样电流进来需要经过这一系列步骤完成一个周期的运算，然后将位置估计值保存在存储器中，等待下次再采样一次电流并进行相应运算时把这一值载入操作数C。故上一时刻即指上次利用采样电流进行上述运算后到此刻时的值。 

位置估计模块，根据速度增量Δω对所述电机转子位置θ进行估计。位置估计模块是根据公式θ＝θ₀+∑ω进行位置估计，公式等效为θ＝θ_pre+ω，θ_pre为上一时刻的位置估计结果，每次运算结束后需要保存。位置估计模块包括：第九载入单元、第十载入单元及第九运算单元。第九载入单元接收状态机输出的控制码00，将_Δθ的运算结果载入累加器。第十载入单元接收状态机输出的控制码00，将上一时刻的转速估计值θ_pre的运算结果载入操作数C。第八运算单元接收状态机输出的控制码01，根据该控制码进行的操作是将操作数Cθ_pre和累加器中的_Δθ进行相加，完成θ_pre+_Δθ运算，此过程在一个时钟周期内完成。 

本发明具备以下有益效果： 

1、本发明提供的一种应用于永磁同步电机的无位置传感器位置估计的硬件电路实现方法，在保证控制精度的基础上，通过控制状态机的跳转来实现转子位置的计算。由于单周期即可完成一种运算，在保证电机正常运转所需时间精度的基础上，大大降低了基于定子磁链矢量方程的位置估计算法实现的硬件资源占用情况。 

2、本发明提供的一种应用于永磁同步电机的无位置传感器位置估计的硬件电路实现方法，操作数的来源可以根据状态机的状态进行实时更新。 

3、本发明提供的一种应用于永磁同步电机的无位置传感器位置估计的硬件电路实现方法，整个控制方案通过算法优化在硬件电路上实现。这种硬件电路实现方法易于在FPGA(可编程逻辑门阵列)上实现，综合后仅仅用了800多个逻辑单元(LE)，实现了复杂算法在FPGA上的资源复用和降低实现成本。 

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种应用于永磁同步电机的无位置传感器位置估计的装置，其特征在于，包括：

状态机、电磁转矩计算模块、速度增量计算模块、速度估计模块及位置估计模块；

其中，所述状态机，向所述电磁转矩计算模块、速度增量计算模块、速度估计模块及位置估计模块输出用于控制计算的状态控制码；

所述电磁转矩计算模块在所述状态机的控制下，计算电磁转矩T_e；

所述速度增量计算模块在所述状态机的控制下，根据所述电磁转矩T_e计算速度增量Δω；

所述速度估计模块在所述状态机的控制下，根据所述速度增量Δω对速度ω进行估计；

所述位置估计模块在所述状态机的控制下，根据速度增量Δω对所述电机转子位置进行估计。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述状态机输出的状态控制码是：

  控制码   操作   00   装载操作数   01   加法   10   乘法   11   乘累加

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电磁转矩计算模块包括：

第一运算单元、第二运算单元、第一载入单元、第二载入单元及第三运算单元；

所述第一运算单元接收状态机输出的控制码11，完成

运算；

所述第二运算单元接收状态机输出的控制码10，完成p*i_q运算；

第一载入单元接收状态机输出的控制码00，将

的运算结果载入操作数A；

第二载入单元接收状态机输出的控制码00，将p*i_q的运算结果载入操作数B；

第三运算单元将操作数A、B相乘即得电磁转矩T_e。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述速度增量计算模块包括：

第四运算单元、第三载入单元、第五运算单元、第四载入单元、第六运算单元、第五载入单元、第六载入单元及第七运算单元；

所述第四运算单元接收状态机输出的控制码10，完成p*T_l运算；

第三载入单元接收状态机输出的控制码00，将电磁力矩的运算结果t_e载入存放电磁转矩的专用寄存器中；

所述第五运算单元接收状态机输出的控制码11，完成B*ω+p*t_l运算；

第四载入单元接收状态机输出的控制码00，将B*ω+p*t_l的运算结果载入操作数C；

所述第六运算单元接收状态机输出的控制码11，完成p*t_e+[-(B*ω+p*t_l)]运算；

第五载入单元接收状态机输出的控制码00，将p*t_e+[-(B*ω+p*t_l)]的运算结果载入操作数A；

第六载入单元接收状态机输出的控制码00，将载入操作数B；

所述第七运算单元接收状态机输出的控制码10，完成操作数A、B相乘，从而完成

运算，得到_Δω。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述速度估计模块包括：

第七载入单元、第八载入单元及第八运算单元；

第七载入单元接收状态机输出的控制码00，将_Δω载入累加器；

第八载入单元接收状态机输出的控制码00，将上一时刻转速估计值ω_pre载入操作数C；

所述第八运算单元接收状态机输出的控制码01，完成ω_pre+_Δω运算，得到当前转速估计值ω。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述位置估计模块包括：

第九载入单元、第十载入单元及第九运算单元；

第九载入单元接收状态机输出的控制码00，将_Δθ载入累加器；

第十载入单元接收状态机输出的控制码00，将上一时刻位置估计值θ_pre载入操作数C；

所述第九运算单元接收状态机输出的控制码01，完成θ_pre+_Δθ运算，得到当前转速估计值θ。

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