CN112713824A - 一种永磁同步电机无传感器控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无传感器控制方法及***，以电机相的U相所在方向为Alpha轴，以超前其90度为Beta轴，建立两相定子坐标系，在两相定子坐标系下，基于基尔霍夫电压定律得到定子电压方程，基于定子电压方程和电机参数模型获取电机的反电动势，基于电机的反电动势采用正交锁相环观测器得到电机转子的角速度估算值，基于角速度估算值，对整个角度估算算法进行有效性验证，并在验证通过后确定实现对永磁同步电机无传感器控制。本发明通过使用电机参数模型和正交锁相环观测器进行电机转子的角速度估算，来实现永磁同步电机无传感器控制，并通过对整个角度估算算法进行有效性验证，保证了对永磁同步电机无传感器控制的可靠性。

Description

一种永磁同步电机无传感器控制方法及***

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术领域，更具体的说，涉及一种永磁同步电机无传感器控制方法及***。

背景技术

永磁同步电机因功率密度高、效率高、可靠性高和控制简单等优点被广泛应用于生产和生活中。在永磁同步电机磁场定向控制中，转速及转子位置信息时必不可缺的。然而，机械式传感器的安装会增加永磁同步电机***硬件的复杂性和成本，并且编码器的安装会增大电机轴向的长度。因此，实现永磁同步电机无传感器控制具有较高的实际应用价值。

传统的永磁同步电机无传感器控制方法为：对电压进行积分得到电机转子的扩展磁通量，扩展磁通量中包含转子的位置角度信息，通过使用反正切函数求取电机转子位置角度，并对估算的转子位置角度进行滤波延迟补偿，实现对转速的闭环控制。

然而，传统的控制方法需要引入带通滤波器，从而不仅增加了硬件成本，而且带通滤波器的引入还会限制转速控制的带宽。

发明内容

有鉴于此，本发明公开一种永磁同步电机无传感器控制方法及***，以通过使用电机参数模型和正交锁相环观测器进行电机转子的角速度估算，实现永磁同步电机无传感器控制，并通过对整个角度估算算法进行有效性验证，保证了对永磁同步电机无传感器控制的可靠性，整个过程无需引入带通滤波器，因此避免了因引入带通滤波器而带来的硬件成本以及对转速控制带宽的限制。

一种永磁同步电机无传感器控制方法，包括：

以电机相的U相所在方向为Alpha轴，以Alpha轴超前90度为Beta轴，建立两相定子坐标系；

在所述两相定子坐标系下，基于基尔霍夫电压定律得到定子电压方程，所述定子电压方程中的反电动势参数包含了电机转子的位置信息；

基于所述定子电压方程和电机参数模型，获取电机的反电动势，所述反电动势中包含了电机角度正余弦信息；

基于所述反电动势，采用正交锁相环观测器得到电机转子的角速度估算值；

基于所述角速度估算值，使用LCR测试电机本体参数，将通过测试的电机本体参数应用于电机参数模型，使所述电机参数模型输出的电流在物理上与定子绕组中的响应电流保持一致；

利用采用Simulink搭建的仿真验证模型，对角度估算算法的有效性进行验证，并在验证通过后，确定实现对永磁同步电机无传感器控制。

可选的，所述定子电压方程的表达式如下：

式中，u_α为Alpha轴控制电压，u_β为Beta轴控制电压，R为电机定子相电阻，i_sα为Alpha轴电流，i_sβ为Beta轴电流，e_α为Alpha轴反电动势，e_β为Beta轴反电动势，L_d为d轴电感。

可选的，所述反电动势参数的表达式如下：

式中，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ω_e为电角速度，i_d为d轴电流，iq’为q轴电流的一阶导数，

为转子永磁体磁通量，sinθ_e为电机角度正弦值，cosθ_e为电机角度余弦值。

可选的，所述电机参数模型在构建时使用的电机本体参数包括：电机定子相电阻和电机定子电感。

可选的，所述基于所述定子电压方程和电机参数模型，获取电机的反电动势具体包括：

在Alpha轴控制电压和Beta轴控制电压的作用下，电机定子绕组产生定子绕组响应电流，所述定子绕组响应电流包括：Alpha轴响应电流和Beta轴响应电流；

将所述Alpha轴控制电压与PI调节器输出的反电动势、Beta轴交叉耦合电压的差值电压作用于所述电机参数模型，得到所述电机参数模型的Alpha轴模型观测电流；将所述Beta轴控制电压与PI调节器输出的反电动势、Alpha轴交叉耦合电压的差值电压作用于所述电机参数模型，得到所述电机参数模型的Beta轴模型观测电流；

将所述Alpha轴响应电流与所述Alpha轴模型观测电流的电流差作为扩展反电动势观测器的反馈，在PI调节器的作用下，得到Alpha轴观测器输出反电动势；将所述Beta轴响应电流与所述Beta轴模型观测电流的电流差作为所述扩展反电动势观测器的反馈，在PI调节器的作用下，得到Beta轴观测器输出反电动势；

当所述Alpha轴模型观测电流与所述Alpha轴响应电流达到动态一致，且所述Beta轴模型观测电流与所述Beta轴响应电流达到动态一致时，电机控制达到稳定，将PI调节器输出电压确定为电机最终的反电动势。

一种永磁同步电机无传感器控制***，包括：

坐标系建立单元，用于以电机相的U相所在方向为Alpha轴，以Alpha轴超前90度为Beta轴，建立两相定子坐标系；

方程获取单元，用于在所述两相定子坐标系下，基于基尔霍夫电压定律得到定子电压方程，所述定子电压方程中的反电动势参数包含了电机转子的位置信息；

反电动势获取单元，用于基于所述定子电压方程和电机参数模型，获取电机的反电动势，所述反电动势中包含了电机角度正余弦信息；

角速度估算值获取单元，用于基于所述反电动势，采用正交锁相环观测器得到电机转子的角速度估算值；

参数测试单元，用于基于所述角速度估算值，使用LCR测试电机本体参数，将通过测试的电机本体参数应用于电机参数模型，使所述电机参数模型输出的电流在物理上与定子绕组中的响应电流保持一致；

验证单元，用于利用采用Simulink搭建的仿真验证模型，对角度估算算法的有效性进行验证，并在验证通过后，确定实现对永磁同步电机无传感器控制。

可选的，所述定子电压方程的表达式如下：

式中，u_α为Alpha轴控制电压，u_β为Beta轴控制电压，R为电机定子相电阻，i_sα为Alpha轴电流，i_sβ为Beta轴电流，e_α为Alpha轴反电动势，e_β为Beta轴反电动势，L_d为d轴电感。

可选的，所述反电动势参数的表达式如下：

式中，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ω_e为电角速度，i_d为d轴电流，iq’为q轴电流的一阶导数，

为转子永磁体磁通量，sinθ_e为电机角度正弦值，cosθ_e为电机角度余弦值。

可选的，所述电机参数模型在构建时使用的电机本体参数包括：电机定子相电阻和电机定子电感。

可选的，所述反电动势获取单元具体包括：

响应电流生成单元，用于在Alpha轴控制电压和Beta轴控制电压的作用下，控制电机定子绕组产生定子绕组响应电流，所述定子绕组响应电流包括：Alpha轴响应电流和Beta轴响应电流；

观测电流生成单元，用于将所述Alpha轴控制电压与PI调节器输出的反电动势、Beta轴交叉耦合电压的差值电压作用于所述电机参数模型，得到所述电机参数模型的Alpha轴模型观测电流；将所述Beta轴控制电压与PI调节器输出的反电动势、Alpha轴交叉耦合电压的差值电压作用于所述电机参数模型，得到所述电机参数模型的Beta轴模型观测电流；

第一反电动势生成单元，用于将所述Alpha轴响应电流与所述Alpha轴模型观测电流的电流差作为扩展反电动势观测器的反馈，在PI调节器的作用下，得到Alpha轴观测器输出反电动势；将所述Beta轴响应电流与所述Beta轴模型观测电流的电流差作为所述扩展反电动势观测器的反馈，在PI调节器的作用下，得到Beta轴观测器输出反电动势；

第二反电动势生成单元，用于当所述Alpha轴模型观测电流与所述Alpha轴响应电流达到动态一致，且所述Beta轴模型观测电流与所述Beta轴响应电流达到动态一致时，电机控制达到稳定，将PI调节器输出电压确定为电机最终的反电动势。

从上述的技术方案可知，本发明公开了一种永磁同步电机无传感器控制方法及***，以电机相的U相所在方向为Alpha轴，以Alpha轴超前90度为Beta轴，建立两相定子坐标系，在两相定子坐标系下，基于基尔霍夫电压定律得到定子电压方程，该定子电压方程中的反电动势参数包含了电机转子的位置信息，基于定子电压方程和电机参数模型，获取电机的反电动势，反电动势中包含了电机角度正余弦信息，基于电机的反电动势，采用正交锁相环观测器得到电机转子的角速度估算值，基于角速度估算值，使用LCR测试电机本体参数，将通过测试的电机本体参数应用于电机参数模型，使电机参数模型输出的电流在物理上与定子绕组中的响应电流保持一致，利用采用Simulink搭建的仿真验证模型，对角度估算算法的有效性进行验证，并在验证通过后，确定实现对永磁同步电机无传感器控制。由此可以看出，本发明通过使用电机参数模型和正交锁相环观测器进行电机转子的角速度估算，来实现永磁同步电机无传感器控制，并通过对整个角度估算算法进行有效性验证，保证了对永磁同步电机无传感器控制的可靠性，整个过程无需引入带通滤波器，因此避免了因引入带通滤波器而带来的硬件成本以及对转速控制带宽的限制。

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，还可以根据公开的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传感器控制方法流程图；

图2为本发明实施例公开的一种两相定子坐标系的示意图；

图3为本发明实施例公开的一种扩展反电动势观测器的电路图；

图4为本发明实施例公开的一种正交锁相环观测器的电路图；

图5为本发明实施例公开的一种Simulink***仿真概念图；

图6为本发明实施例公开的一种永磁同步电机无传感器控制***的结构示意图。

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。

本发明实施例公开了一种永磁同步电机无传感器控制方法及***，以通过使用电机参数模型和正交锁相环观测器进行电机转子的角速度估算，实现永磁同步电机无传感器控制，并通过对整个角度估算算法进行有效性验证，保证了对永磁同步电机无传感器控制的可靠性，整个过程无需引入带通滤波器，因此避免了因引入带通滤波器而带来的硬件成本以及对转速控制带宽的限制。

参见图1，本发明实施例公开的一种永磁同步电机无传感器控制方法流程图，该方法包括：

步骤S101、以电机相的U相所在方向为Alpha轴，以Alpha轴超前90度为Beta轴，建立两相定子坐标系；

本实施例中建立的两相定子坐标系如图2所示，α表示Alpha轴，β表示Beta轴，Beta轴超前Alpha轴90度，N表示永磁体N极，S表示永磁体S极，θ_e表示电机转子N极与U相夹角，d表示电机转子N极所在的方向为d轴，q表示q轴，q轴超前d轴90度，电机相的V相和W相在两相定子坐标系中的位置详见图2。

步骤S102、在所述两相定子坐标系下，基于基尔霍夫电压定律得到定子电压方程；

其中，所述定子电压方程中的反电动势参数包含了电机转子的位置信息。

具体的，定子电压方程的表达式如公式(1)所示，公式(1)如下：

式中，u_α为Alpha轴控制电压，u_β为Beta轴控制电压，R为电机定子相电阻，i_sα为Alpha轴电流，i_sβ为Beta轴电流，e_α为Alpha轴反电动势，e_β为Beta轴反电动势，L_d为d轴电感。

公式(1)所示的定子电压方程中的反电动势参数e_α和e_β的表达式如公式(2)所示，公式(2)如下：

式中，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ω_e为电角速度，i_d为d轴电流，iq’为q轴电流的一阶导数，

为转子永磁体磁通量，sinθ_e为电机角度正弦值，cosθ_e为电机角度余弦值。

步骤S103、基于所述定子电压方程和电机参数模型，获取电机的反电动势；

其中，所述电机的反电动势包含了电机角度正余弦信息：反电动势的角度正弦值和反电动势的角度余弦值。

本实施例中，电机参数模型为使用电机参数表达的电机输入-电流输出响应模型，电机参数模型为

其中，s为复域变量，Ld为d轴电感，Rs为电机相电阻。

需要说明的是，步骤S103中电机参数模型在构建时需要电机本体参数，电机本体参数包括：电机定子相电阻和电机定子电感。

在实际应用中，在基于定子电压方程和电机参数模型获取电机的反电动势时，可以构建图3所示的扩展反电动势观测器的电路图，扩展反电动势观测器的工作原理，或者说步骤S103的具体实现过程如下：

(1)在Alpha轴控制电压u_α和Beta轴控制电压u_β的作用下，控制电机定子绕组产生定子绕组响应电流，所述定子绕组响应电流包括：Alpha轴响应电流i_α和Beta轴响应电流i_β。

(2)将Alpha轴控制电压u_α与PI调节器输出的反电动势、Beta轴交叉耦合电压的差值电压作用于所述电机参数模型，得到所述电机参数模型的Alpha轴模型观测电流

将Beta轴控制电压u_β与PI调节器输出的反电动势、Alpha轴交叉耦合电压的差值电压作用于所述电机参数模型，得到所述电机参数模型的Beta轴模型观测电流

(3)将Alpha轴响应电流i_α与Alpha轴模型观测电流

的电流差作为扩展反电动势观测器的反馈，在PI调节器的作用下，得到Alpha轴观测器输出反电动势

将Beta轴响应电流i_β与Beta轴模型观测电流

的电流差作为扩展反电动势观测器的反馈，在PI调节器的作用下，得到Beta轴观测器输出反电动势

(4)当所述Alpha轴模型观测电流与Alpha轴响应电流i_α达到动态一致，且所述Beta轴模型观测电流与所述Beta轴响应电流i_β达到动态一致时，电机控制达到稳定，将PI调节器输出电压确定为电机最终的反电动势，该反电动势中包含了电机角度正余弦信息。

Ld-Lq为d轴和q轴电感差，用以实现Alpha-Beta轴电压解耦，消除电压对电流的交叉影响。

步骤S104、基于所述反电动势，采用正交锁相环观测器得到电机转子的角速度估算值；

具体的，参见图4所示的正交锁相环观测器的电路图，正交锁相环观测器的工作原理如下：

(1)将反电动势的角度正弦值sinθ_e与正交锁相环观测器输出估算角速度的余弦值

的差值，以及反电动势的角度余弦值cosθ_e与正交锁相环观测器输出的估算角速度的正弦值

的差值，在正交锁相环观测器的作用下，调节至逼近于0。

在图4中，K_p为正交锁相环观测器的比例相，K_i为正交锁相环观测器的积分相，s为复数域变量。

(2)PI调节器输出电机转子的角速度估算值ω_e，对角速度估算值ω_e进行积分后得到转子位置观测角度

图4中的PI调节器包括：K_p和

(3)在角速度估算值ω_e逼近电机转子真实角速度时，存在公式(3)所示的近似相等的关系，公式(3)如下：

式中，sinθ_e为反电动势的角度正弦值；

为cosθ_e为反电动势的角度余弦值；

为正交锁相环观测器输出的估算角速度的正弦值；

为正交锁相环观测器输出的估算角速度的余弦值。

需要特别说明的是，本发明采用正交锁相环观测器得到电机转子的角速度估算值，可以消除使用反正切方法引入的除法运算对误差敏感的影响。

其中，锁相环的英文全称为：Phase Locked Loop，英文简称为：PLL。

步骤S105、基于所述角速度估算值，使用LCR测试电机本体参数，将通过测试的电机本体参数应用于电机参数模型，使电机参数模型输出的电流在物理上与定子绕组中的响应电流保持一致；

LCR：Inductance:电感，C：Capacitance电容，R：Resistance电阻。

电感，电容，电阻测试仪，用于获得图3中电机的本体参数，实现对电机参数表达。

步骤S106、利用采用Simulink搭建的仿真验证模型，对角度估算算法的有效性进行验证，并在验证通过后，确定实现对永磁同步电机无传感器控制。

其中，Simulink***仿真概念图如图5所示，工作原理如下：

仿真使用d轴电流为0的控制方式实现，通过给定输入参考转速N_ref，借助于PI调节器的控制作用，输出q轴参考电流i_{q_ref}。d轴参考电流i_{d_ref}(i_{d_ref}＝0)和q轴参考电流i_{q_ref}在PI调节器的作用下输出控制电压u_d和u_q，控制电压u_d和u_q在InvPark变换作用下，将d-q坐标系下的控制量转换到Alpha-Beta轴，并输出Alpha轴控制电压u_α和Beta轴控制电压u_β，角度估算器模块借助于Alpha轴控制电压u_α、Beta轴控制电压u_β及响应电流进行角度估算，得到估算角度θ_e。

Alpha轴控制电压u_α、Beta轴控制电压u_β及估算角度θ_e在SVPWM模块中转换成调制输出信号，并作用于Inverter实现电机动作。当估算角度接近于真实转子角度后，电机***实现有效转动。FluxEstimator输出的转速与输入参考转速N_ref实现转速闭环。

图5中，N_ref为输入参考转速，PI为调节器，i_{q_ref}为q轴参考电流，i_{d_ref}为d轴参考电流，i_q为q轴反馈电流，i_d为d轴反馈电流，InvPark为反Park变换，FluxEstimator为角度估算器，Park为电流Park变换，用于将电流从Alpha-Beta坐标系变换到d-q轴坐标系，Clark为电流Clark变换，用将电流从UVW坐标系变换到Alpha-Beta坐标系，i_α为Alpha轴响应电流，i_β为Beta轴响应电流，u_α为Alpha轴控制电压和u_β为Beta轴控制电压，SVPWM为调制方式，Inverter为逆变器，PMSM为永磁同步电机，N为估算反馈转速，θ_e为估算角度，iA为电机U相电流，iB为电机V相电流，iC为电机W相电流。

需要特别说明的是，本发明使用Simulink自动代码生成的方式，通过读模型编译得到可以在控制芯片中运行的，实现步骤S106描述功能的软件程序，并进一步可以实现方法调试验证。

综上可知，本发明公开了一种永磁同步电机无传感器控制方法，以电机相的U相所在方向为Alpha轴，以Alpha轴超前90度为Beta轴，建立两相定子坐标系，在两相定子坐标系下，基于基尔霍夫电压定律得到定子电压方程，该定子电压方程中的反电动势参数包含了电机转子的位置信息，基于定子电压方程和电机参数模型，获取电机的反电动势，反电动势中包含了电机角度正余弦信息，基于电机的反电动势，采用正交锁相环观测器得到电机转子的角速度估算值，基于角速度估算值，使用LCR测试电机本体参数，将通过测试的电机本体参数应用于电机参数模型，使电机参数模型输出的电流在物理上与定子绕组中的响应电流保持一致，利用采用Simulink搭建的仿真验证模型，对角度估算算法的有效性进行验证，并在验证通过后，确定实现对永磁同步电机无传感器控制。由此可以看出，本发明通过使用电机参数模型和正交锁相环观测器进行电机转子的角速度估算，来实现永磁同步电机无传感器控制，并通过对整个角度估算算法进行有效性验证，保证了对永磁同步电机无传感器控制的可靠性，整个过程无需引入带通滤波器，因此避免了因引入带通滤波器而带来的硬件成本以及对转速控制带宽的限制。

与上述方法实施例相对应，本发明还公开了一种永磁同步电机无传感器控制***。

参见图6，本发明实施例公开的一种永磁同步电机无传感器控制***的结构示意图，该***包括：

坐标系建立单元201，用于以电机相的U相所在方向为Alpha轴，以Alpha轴超前90度为Beta轴，建立两相定子坐标系；

其中，两相定子坐标系详见图2，此处不再赘述。

方程获取单元202，用于在所述两相定子坐标系下，基于基尔霍夫电压定律得到定子电压方程，所述定子电压方程中的反电动势参数包含了电机转子的位置信息；

其中，所述定子电压方程中的反电动势参数包含了电机转子的位置信息。

具体的，定子电压方程的表达式如公式(1)所示，公式(1)如下：

式中，u_α为Alpha轴控制电压，u_β为Beta轴控制电压，R为电机定子相电阻，i_sα为Alpha轴电流，i_sβ为Beta轴电流，e_α为Alpha轴反电动势，e_β为Beta轴反电动势，L_d为d轴电感。

公式(1)所示的定子电压方程中的反电动势参数e_α和e_β的表达式如公式(2)所示，公式(2)如下：

式中，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ω_e为电角速度，i_d为d轴电流，iq’为q轴电流的一阶导数，

为转子永磁体磁通量，sinθ_e为电机角度正弦值，cosθ_e为电机角度余弦值。

反电动势获取单元203，用于基于所述定子电压方程和电机参数模型，获取电机的反电动势，所述反电动势中包含了电机角度正余弦信息；

其中，所述电机的反电动势包含了电机角度正余弦信息：反电动势的角度正弦值和反电动势的角度余弦值。

本实施例中，电机参数模型为使用电机参数表达的电机输入-电流输出响应模型，电机参数模型为

其中，s为复域变量，Ld为d轴电感，Rs为电机相电阻。

本实施例中，反电动势获取单元203具体可以包括：

响应电流生成单元，用于在Alpha轴控制电压和Beta轴控制电压的作用下，控制电机定子绕组产生定子绕组响应电流，所述定子绕组响应电流包括：Alpha轴响应电流和Beta轴响应电流；

观测电流生成单元，用于将所述Alpha轴控制电压与PI调节器输出的反电动势、Beta轴交叉耦合电压的差值电压作用于所述电机参数模型，得到所述电机参数模型的Alpha轴模型观测电流；将所述Beta轴控制电压与PI调节器输出的反电动势、Alpha轴交叉耦合电压的差值电压作用于所述电机参数模型，得到所述电机参数模型的Beta轴模型观测电流；

第一反电动势生成单元，用于将所述Alpha轴响应电流与所述Alpha轴模型观测电流的电流差作为扩展反电动势观测器的反馈，在PI调节器的作用下，得到Alpha轴观测器输出反电动势；将所述Beta轴响应电流与所述Beta轴模型观测电流的电流差作为所述扩展反电动势观测器的反馈，在PI调节器的作用下，得到Beta轴观测器输出反电动势；

第二反电动势生成单元，用于当所述Alpha轴模型观测电流与所述Alpha轴响应电流达到动态一致，且所述Beta轴模型观测电流与所述Beta轴响应电流达到动态一致时，电机控制达到稳定，将PI调节器输出电压确定为电机最终的反电动势。

角速度估算值获取单元204，用于基于所述反电动势，采用正交锁相环观测器得到电机转子的角速度估算值；

参数测试单元205，用于基于所述角速度估算值，使用LCR测试电机本体参数，将通过测试的电机本体参数应用于电机参数模型，使所述电机参数模型输出的电流在物理上与定子绕组中的响应电流保持一致；

LCR：Inductance:电感，C：Capacitance电容，R：Resistance电阻。

电感，电容，电阻测试仪，用于获得图3中电机的本体参数，实现对电机参数表达。

验证单元206，用于利用采用Simulink搭建的仿真验证模型，对角度估算算法的有效性进行验证，并在验证通过后，确定实现对永磁同步电机无传感器控制。

其中，Simulink***仿真概念图如图5所示，具体工作原理，请参见方法实施例对应部分，此处不再赘述。

综上可知，本发明公开了一种永磁同步电机无传感器控制***，以电机相的U相所在方向为Alpha轴，以Alpha轴超前90度为Beta轴，建立两相定子坐标系，在两相定子坐标系下，基于基尔霍夫电压定律得到定子电压方程，该定子电压方程中的反电动势参数包含了电机转子的位置信息，基于定子电压方程和电机参数模型，获取电机的反电动势，反电动势中包含了电机角度正余弦信息，基于电机的反电动势，采用正交锁相环观测器得到电机转子的角速度估算值，基于角速度估算值，使用LCR测试电机本体参数，将通过测试的电机本体参数应用于电机参数模型，使电机参数模型输出的电流在物理上与定子绕组中的响应电流保持一致，利用采用Simulink搭建的仿真验证模型，对角度估算算法的有效性进行验证，并在验证通过后，确定实现对永磁同步电机无传感器控制。由此可以看出，本发明通过使用电机参数模型和正交锁相环观测器进行电机转子的角速度估算，来实现永磁同步电机无传感器控制，并通过对整个角度估算算法进行有效性验证，保证了对永磁同步电机无传感器控制的可靠性，整个过程无需引入带通滤波器，因此避免了因引入带通滤波器而带来的硬件成本以及对转速控制带宽的限制。

需要特别说明的是，***实施例中各组成部分的具体工作原理，请参见方法实施例对应部分，此处不再赘述。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意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、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明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。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，包括：

以电机相的U相所在方向为Alpha轴，以Alpha轴超前90度为Beta轴，建立两相定子坐标系；

在所述两相定子坐标系下，基于基尔霍夫电压定律得到定子电压方程，所述定子电压方程中的反电动势参数包含了电机转子的位置信息；

基于所述定子电压方程和电机参数模型，获取电机的反电动势，所述反电动势中包含了电机角度正余弦信息；

基于所述反电动势，采用正交锁相环观测器得到电机转子的角速度估算值；

基于所述角速度估算值，使用LCR测试电机本体参数，将通过测试的电机本体参数应用于电机参数模型，使所述电机参数模型输出的电流在物理上与定子绕组中的响应电流保持一致；

利用采用Simulink搭建的仿真验证模型，对角度估算算法的有效性进行验证，并在验证通过后，确定实现对永磁同步电机无传感器控制。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，所述定子电压方程的表达式如下：

式中，u_α为Alpha轴控制电压，u_β为Beta轴控制电压，R为电机定子相电阻，i_sα为Alpha轴电流，i_sβ为Beta轴电流，e_α为Alpha轴反电动势，e_β为Beta轴反电动势，L_d为d轴电感。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，所述反电动势参数的表达式如下：

式中，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ω_e为电角速度，i_d为d轴电流，iq’为q轴电流的一阶导数，

为转子永磁体磁通量，sinθ_e为电机角度正弦值，cosθ_e为电机角度余弦值。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，所述电机参数模型在构建时使用的电机本体参数包括：电机定子相电阻和电机定子电感。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，所述基于所述定子电压方程和电机参数模型，获取电机的反电动势具体包括：

在Alpha轴控制电压和Beta轴控制电压的作用下，电机定子绕组产生定子绕组响应电流，所述定子绕组响应电流包括：Alpha轴响应电流和Beta轴响应电流；

将所述Alpha轴控制电压与PI调节器输出的反电动势、Beta轴交叉耦合电压的差值电压作用于所述电机参数模型，得到所述电机参数模型的Alpha轴模型观测电流；将所述Beta轴控制电压与PI调节器输出的反电动势、Alpha轴交叉耦合电压的差值电压作用于所述电机参数模型，得到所述电机参数模型的Beta轴模型观测电流；

将所述Alpha轴响应电流与所述Alpha轴模型观测电流的电流差作为扩展反电动势观测器的反馈，在PI调节器的作用下，得到Alpha轴观测器输出反电动势；将所述Beta轴响应电流与所述Beta轴模型观测电流的电流差作为所述扩展反电动势观测器的反馈，在PI调节器的作用下，得到Beta轴观测器输出反电动势；

当所述Alpha轴模型观测电流与所述Alpha轴响应电流达到动态一致，且所述Beta轴模型观测电流与所述Beta轴响应电流达到动态一致时，电机控制达到稳定，将PI调节器输出电压确定为电机最终的反电动势。

6.一种永磁同步电机无传感器控制***，其特征在于，包括：

坐标系建立单元，用于以电机相的U相所在方向为Alpha轴，以Alpha轴超前90度为Beta轴，建立两相定子坐标系；

方程获取单元，用于在所述两相定子坐标系下，基于基尔霍夫电压定律得到定子电压方程，所述定子电压方程中的反电动势参数包含了电机转子的位置信息；

反电动势获取单元，用于基于所述定子电压方程和电机参数模型，获取电机的反电动势，所述反电动势中包含了电机角度正余弦信息；

角速度估算值获取单元，用于基于所述反电动势，采用正交锁相环观测器得到电机转子的角速度估算值；

参数测试单元，用于基于所述角速度估算值，使用LCR测试电机本体参数，将通过测试的电机本体参数应用于电机参数模型，使所述电机参数模型输出的电流在物理上与定子绕组中的响应电流保持一致；

验证单元，用于利用采用Simulink搭建的仿真验证模型，对角度估算算法的有效性进行验证，并在验证通过后，确定实现对永磁同步电机无传感器控制。

7.根据权利要求6所述的永磁同步电机无传感器控制***，其特征在于，所述定子电压方程的表达式如下：

式中，u_α为Alpha轴控制电压，u_β为Beta轴控制电压，R为电机定子相电阻，i_sα为Alpha轴电流，i_sβ为Beta轴电流，e_α为Alpha轴反电动势，e_β为Beta轴反电动势，L_d为d轴电感。

8.根据权利要求6所述的永磁同步电机无传感器控制***，其特征在于，所述反电动势参数的表达式如下：

式中，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，ω_e为电角速度，i_d为d轴电流，iq’为q轴电流的一阶导数，

为转子永磁体磁通量，sinθ_e为电机角度正弦值，cosθ_e为电机角度余弦值。

9.根据权利要求6所述的永磁同步电机无传感器控制***，其特征在于，所述电机参数模型在构建时使用的电机本体参数包括：电机定子相电阻和电机定子电感。

10.根据权利要求6所述的永磁同步电机无传感器控制***，其特征在于，所述反电动势获取单元具体包括：

响应电流生成单元，用于在Alpha轴控制电压和Beta轴控制电压的作用下，控制电机定子绕组产生定子绕组响应电流，所述定子绕组响应电流包括：Alpha轴响应电流和Beta轴响应电流；

观测电流生成单元，用于将所述Alpha轴控制电压与PI调节器输出的反电动势、Beta轴交叉耦合电压的差值电压作用于所述电机参数模型，得到所述电机参数模型的Alpha轴模型观测电流；将所述Beta轴控制电压与PI调节器输出的反电动势、Alpha轴交叉耦合电压的差值电压作用于所述电机参数模型，得到所述电机参数模型的Beta轴模型观测电流；

第一反电动势生成单元，用于将所述Alpha轴响应电流与所述Alpha轴模型观测电流的电流差作为扩展反电动势观测器的反馈，在PI调节器的作用下，得到Alpha轴观测器输出反电动势；将所述Beta轴响应电流与所述Beta轴模型观测电流的电流差作为所述扩展反电动势观测器的反馈，在PI调节器的作用下，得到Beta轴观测器输出反电动势；

第二反电动势生成单元，用于当所述Alpha轴模型观测电流与所述Alpha轴响应电流达到动态一致，且所述Beta轴模型观测电流与所述Beta轴响应电流达到动态一致时，电机控制达到稳定，将PI调节器输出电压确定为电机最终的反电动势。

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