本發(fā)明屬于永磁同步電機無位置傳感器控制，尤其涉及一種表貼式永磁同步電機全速域無位置傳感器控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、為了充分發(fā)揮pmsm的性能優(yōu)勢，我們需要實現(xiàn)其高性能控制。然而，傳統(tǒng)的控制策略通常依賴于位置傳感器，如旋轉(zhuǎn)編碼器、霍爾傳感器等，以獲取精確的轉(zhuǎn)子位置和角度信息。在航空領(lǐng)域，這些傳感器的安裝不僅會增加系統(tǒng)的體積和重量，還可能因汽油中的雜質(zhì)而導(dǎo)致腐蝕和故障，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，無位置傳感器控制策略成為了一個更加可靠和高效的選擇。

2、無位置傳感器控制策略通過利用電壓和電流信號來計算轉(zhuǎn)子的位置信息，從而避免了物理傳感器的使用。為實現(xiàn)全速域的無位置傳感器控制，當(dāng)前主流方法是將低速域與高速域的控制算法相結(jié)合，并通過切換算法平滑過渡。根據(jù)電機運行速度的不同，pmsm的無位置傳感器控制策略主要分為兩大類：

3、一類是基于轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)控制的低速域無位置傳感器控制方法。目前常用的算法主要有旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號注入法、脈振高頻電壓信號注入法和高頻方波信號注入法等。此類方法本質(zhì)上都是利用電機的凸極效應(yīng)估測轉(zhuǎn)子位置信息,只是注入的形式不同。并且高頻信號注入法在信號處理時都引入了濾波器，而濾波器的加入勢必會導(dǎo)致估計出來的位置信號產(chǎn)生延遲，最后需要加以補償，這些都增加了系統(tǒng)的控制難度。此外，高頻信號的注入會導(dǎo)致定子電流中混入大量高次諧波，因此并不適合長時間運行。

4、另一類是以基波模型法為代表的中高速域無位置傳感器控制方法。主要包括擴展卡爾曼濾波法(ekf)、模型參考自適應(yīng)法(mras)、反電動勢積分法、滑模觀測器法(smo)等。其中smo具有魯棒性強、動態(tài)性能好等優(yōu)點，應(yīng)用最為廣泛。滑模觀測器實現(xiàn)其良好控制性能的關(guān)鍵在于滑模面的選取以及對于切換函數(shù)的設(shè)計。通常切換函數(shù)采用符號函數(shù)，這也導(dǎo)致在控制過程中會產(chǎn)生高頻抖振現(xiàn)象。同時為了提取電機的反電動勢分量，需要在滑模觀測器設(shè)計中加入低通濾波器，會造成估計反電動勢產(chǎn)生相位延遲和幅值衰減，且隨著轉(zhuǎn)速的升高，低通濾波器對電機控制穩(wěn)定性的影響會越來越大。

5、此外，在過渡區(qū)域常用的切換方法如滯環(huán)切換法和線性平均加權(quán)切換法雖簡便易行，但它們在切換臨界點處存在切換比例導(dǎo)數(shù)突變的問題，即切換比例系數(shù)不連續(xù)且不平滑，從而影響了切換的平順性。

6、通過上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及缺陷為：

7、目前永磁同步電機全速域無位置傳感器控制在低速區(qū)域采用信號注入法處理信號時會引入了濾波器，導(dǎo)致估計出來的位置信號產(chǎn)生延遲，需加以補償，增加了系統(tǒng)的控制難度；在中高速區(qū)域，滑模觀測器由于開關(guān)函數(shù)和低頻濾波器的使用，會產(chǎn)生高頻振動現(xiàn)象和相位滯后的問題，導(dǎo)致其有效的利用成分無法正常使用，使得系統(tǒng)的運行性能大打折扣；在過渡區(qū)域常用的切換方法存在切換比例導(dǎo)數(shù)突變的問題，即切換比例系數(shù)不連續(xù)且不平滑，從而影響了切換的平順性。因此，避免濾波器的使用；有效消除或減輕滑模觀測器中的高頻抖振現(xiàn)象，同時優(yōu)化其設(shè)計以減少幅值衰減和相位延遲的負(fù)面影響；保證零低速和中高速無傳感器控制算法之間的平滑切換；對于改善轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速估計精度，提升切換平順性，提高系統(tǒng)動態(tài)性能，實現(xiàn)永磁同步電機全速域無位置傳感器可靠控制具有較大的研究意義和應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種表貼式永磁同步電機全速域無位置傳感器控制方法。

2、本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種表貼式永磁同步電機全速域無位置傳感器控制方法包括：

3、步驟1，在中高速區(qū)域通過改進滑膜觀測器對永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置和速度進行辨識；

4、步驟2，在零低速區(qū)域通過高頻方波電壓注入法對永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置和速度進行辨識；

5、步驟3，在過渡區(qū)域，采用改進加權(quán)切換算法，將高頻方波電壓注入法方案與改進滑模觀測器方案相結(jié)合，得到轉(zhuǎn)子位置和速度信息。

6、進一步，所述步驟1具體方法：

7、根據(jù)改進滑模觀測器得到中高速域轉(zhuǎn)子位置信息和轉(zhuǎn)速信息

8、步驟1中，采用改進滑模觀測器的方案；

9、首先通過采樣得到三相靜止坐標(biāo)系下的電流分量：ia,ib,ic；

10、然后將三相電流信號通過clack變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量：iα,iβ；將兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量iα,iβ和反park變換后得到的兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓分量uα,uβ作為改進滑模觀測器的輸入，通過滑模觀測器得到反電動勢分量；采用同步參考系濾波器對反電動勢進行濾波，并用正交鎖相環(huán)對反電動勢信息進行處理，即可得到差值信號

11、其中和θe1分別代表估算和實際的轉(zhuǎn)子位置；在pi調(diào)節(jié)器的作用下，估計誤差最終收斂到零，得到電角度估計值，即轉(zhuǎn)子位置信息對其進行微分運算，得到估算速度，即轉(zhuǎn)速信息

12、進一步，所述步驟2具體方法：

13、根據(jù)高頻方波電壓注入法得到零低速域轉(zhuǎn)子位置信息和轉(zhuǎn)速信息

14、步驟(2)中，采用高頻方波電壓注入法的方案；

15、首先向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的d軸注入高頻方波電壓信號，經(jīng)過反park變換和svpwm模塊后，生成用于電機轉(zhuǎn)動控制的正弦電流信號；采樣得到三相靜止坐標(biāo)系下的電流分量：ia,ib,ic；然后通過clack變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量：iα,iβ；

16、電流分量iα,iβ中包含高頻電流響應(yīng)和基頻電流響應(yīng)，使用一種無濾波器的基頻信號與高頻信號的分離策略進行信號分離。分離后的基頻信號經(jīng)過park變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流分量id,iq，再將其引入電流環(huán)，進行永磁同步電機的雙閉環(huán)控制；分離后的高頻信號受轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的調(diào)制作用，高頻電流響應(yīng)包含轉(zhuǎn)子位置信息，在獲取高頻信號的包絡(luò)曲線后利用鎖相環(huán)得到得到轉(zhuǎn)子位置信息和轉(zhuǎn)速信息

17、當(dāng)電機轉(zhuǎn)速處于切換速域時，采用改進加權(quán)切換算法方案將高頻方波電壓注入法方案與改進滑膜觀測器方案相結(jié)合，得到轉(zhuǎn)子位置信息和速度信息使用位置和轉(zhuǎn)速信息對永磁同步電機實現(xiàn)無位置傳感器全速域控制；

18、切換比例權(quán)重系數(shù)如下：

19、

20、其中，λ1、λ2分別為高頻方波電壓注入法和改進滑膜觀測器的權(quán)重系數(shù)，ω1、ω2分別為切換速域轉(zhuǎn)速上限和轉(zhuǎn)速下限，ωm為給定轉(zhuǎn)速；將上述兩種無位置算法融和得到的估計電機轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速表達式如下：

21、

22、其中和為算法融合估計得到的轉(zhuǎn)子位置信息和轉(zhuǎn)速信息。

23、本發(fā)明的另一目的在于提供一種表貼式永磁同步電機全速域無位置傳感器控制系統(tǒng)包括：

24、辨識模塊，用于在中高速區(qū)域通過改進滑膜觀測器對永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置和速度進行辨識；在零低速區(qū)域通過高頻方波電壓注入法對永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置和速度進行辨識；

25、結(jié)合模塊，用于在過渡區(qū)域，采用改進加權(quán)切換算法，將高頻方波電壓注入法方案與改進滑模觀測器方案相結(jié)合，得到轉(zhuǎn)子位置和速度信息。

26、本發(fā)明的另一目的在于提供一種計算機設(shè)備，所述計算機設(shè)備包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，所述計算機程序被所述處理器執(zhí)行時，使得所述處理器執(zhí)行所述表貼式永磁同步電機全速域無位置傳感器控制方法的步驟。

27、本發(fā)明的另一目的在于提供一種計算機可讀存儲介質(zhì)，存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時，使得所述處理器執(zhí)行所述表貼式永磁同步電機全速域無位置傳感器控制方法的步驟。

28、本發(fā)明的另一目的在于提供一種信息數(shù)據(jù)處理終端，所述信息數(shù)據(jù)處理終端用于實現(xiàn)所述表貼式永磁同步電機全速域無位置傳感器控制系統(tǒng)。

29、結(jié)合上述的技術(shù)方案和解決的技術(shù)問題，本發(fā)明所要保護的技術(shù)方案所具備的優(yōu)點及積極效果為：

30、第一、本發(fā)明公開了一種全速域永磁同步電機無位置傳感器控制方法。該方法展現(xiàn)出了更好的動態(tài)性能，具備高精度的檢測能力，同時擁有出色的抗干擾性能和更強的抗噪音能力，從而確保了永磁同步電機穩(wěn)定且可靠的運行。具體地，本發(fā)明的目的在于改善以下幾個方面：

31、本發(fā)明在中高速域采用改進滑模觀測器進行轉(zhuǎn)子位置和速度辨識。改進滑模觀測器采用分段平方更切換函數(shù)，顯著降低了系統(tǒng)抖振現(xiàn)象，提升了系統(tǒng)穩(wěn)定性；同時，設(shè)計了一種同步參考系濾波器代替低通濾波器，從而避免反電動勢發(fā)生相位延遲和幅值衰減問題，無需進行額外的相位補償，確保了轉(zhuǎn)子位置和速度辨識的準(zhǔn)確性和可靠性。

32、本發(fā)明在零低速域采用高頻方波電壓注入法進行轉(zhuǎn)子位置和速度辨識。高頻方波電壓注入法在不使用各種濾波器的前提下，僅使用簡單的代數(shù)運算完成高頻信號與低頻信號的解耦合，避免了引入濾波器帶來的不利影響，確保了轉(zhuǎn)子位置和速度辨識的準(zhǔn)確性和可靠性。

33、本發(fā)明過渡區(qū)域利用高次函數(shù)曲線設(shè)計了一種切換比例系數(shù)連續(xù)光滑的改進加權(quán)切換方法，克服了切換比例系數(shù)不連續(xù)不光滑問題，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速穩(wěn)定切換。

34、第二，作為本發(fā)明的權(quán)利要求的創(chuàng)造性輔助證據(jù)，還體現(xiàn)在以下幾個重要方面：

35、(1)本發(fā)明的技術(shù)方案轉(zhuǎn)化后的預(yù)期收益和商業(yè)價值為：

36、本發(fā)明從永磁同步電機無位置傳感器位置和速度辨識以及無位置控制性能提升的角度出發(fā)，實現(xiàn)了表貼式永磁同步電機在全速域的無位置傳感器控制，并采取多種優(yōu)化措施確保了轉(zhuǎn)子位置和速度辨識的準(zhǔn)確性和可靠性，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而永磁同步電機控制技術(shù)是新能源電驅(qū)行業(yè)中的核心技術(shù)，本發(fā)明為降低電機控制系統(tǒng)制造成本、提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了有效方法，對新能源電驅(qū)行業(yè)具有重要的應(yīng)用價值和意義。

37、(2)本發(fā)明的技術(shù)方案填補了國內(nèi)外業(yè)內(nèi)技術(shù)空白：

38、本發(fā)明主要填補了國內(nèi)外研究永磁同步電機無位置控制方法時很少關(guān)注低通濾波器對系統(tǒng)影響的情況。低通濾波器的引入會導(dǎo)致反電動勢發(fā)生相位延遲和幅值衰減，進而影響對電機位置和速度的觀測精度。本發(fā)明針對該問題設(shè)計了解決方法。首先在高頻方波注入的位置辨識中，采用代數(shù)運算完成高頻信號與低頻信號的解耦合，減少了濾波器的使用。其次設(shè)計了一種同步參考系濾波器代替低通濾波器，應(yīng)用該濾波器無需進行額外的相位補償，提高了轉(zhuǎn)子位置和速度辨識的準(zhǔn)確性。

39、第三，本發(fā)明算法和模型解決的技術(shù)問題：

40、轉(zhuǎn)子位置和速度辨識的準(zhǔn)確性：在不同速度區(qū)域，如何準(zhǔn)確辨識永磁同步電機的轉(zhuǎn)子位置和速度是一個關(guān)鍵問題。

41、無位置傳感器控制：如何實現(xiàn)全速域無位置傳感器控制，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

42、過渡區(qū)域的平滑切換：在不同速度區(qū)域切換時，如何平滑過渡并保證控制系統(tǒng)的連續(xù)性。

43、本發(fā)明算法和模型獲取的顯著的技術(shù)進步：

44、高精度位置和速度辨識：采用改進滑模觀測器和高頻方波電壓注入法相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了全速域范圍內(nèi)高精度的轉(zhuǎn)子位置和速度辨識。

45、無位置傳感器控制：通過無位置傳感器的全速域控制方法，解決了傳統(tǒng)位置傳感器帶來的成本和可靠性問題，增強了系統(tǒng)的魯棒性。

46、平滑過渡和穩(wěn)定性：改進加權(quán)切換算法實現(xiàn)了不同速度區(qū)域的平滑過渡，保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，提升了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

47、先進的信號處理技術(shù)：采用同步參考系濾波器、正交鎖相環(huán)、無濾波器的基頻信號與高頻信號分離策略等先進信號處理技術(shù)，提高了信號處理的精度和實時性。

48、這些技術(shù)進步使得該方法在全速域范圍內(nèi)實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定、精確的永磁同步電機控制，具有顯著的應(yīng)用價值和推廣前景。