【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于永磁同步電機領域，特別是涉及一種永磁同步電機轉子位置和轉速估算系統及方法。
技術介紹
1、高速永磁同步電機由于其較高的功率密度、良好的動態性能和維護成本低等優點，被廣泛應用于新能源汽車、工業自動化以及風力發電等領域。然而，高速永磁同步電機的無傳感器控制技術依賴于精確的轉子位置與轉速估算，使用滑模觀測器算法(smo)來進行轉子位置及轉速的估算，并結合低通濾波器(lpf)進行濾波，雖然這種滑模觀測器和低通濾波器組合的算方法能有效估算轉子的速度和位置，雖然提高了系統的魯棒性，但它其估算性能也依賴于準確的電機模型和適當的參數調優估，且在高速階段濾波效果通常不佳，會帶來濾波延遲，依然存在高頻滑模抖振和高頻噪聲干擾，嚴重影響系統的控制精度及整體控制性能。
技術實現思路
1、本專利技術提供一種永磁同步電機轉子位置和轉速估算系統及方法，解決永磁同步電機高速階段因滑模抖振效應和高頻噪聲干擾導致系統控制性能差的問題。
2、本專利技術提供的基礎方案：一種永磁同步電機轉子位置和轉速估算系統，包括滑模觀測器、減法器、開關函數、二階廣義積分器、鎖頻環，所述滑模觀測器輸出端通過減法器連接開關函數的輸入端，所述開關函數的輸出端連接二階廣義積分器的輸入端、滑模觀測器輸入端，所述二階廣義積分器的輸出端連接鎖頻環輸入端，且通過一反正切函數輸出電機轉子位置信號，所述鎖頻環輸出端用于輸出電機轉子轉速信號，并且連接二階廣義積分器的輸入端。
3、優選地，所述二階廣義積分器的數量為兩個，二階
4、進一步優選地，兩個二階廣義積分器結構相同，均包括兩個減法器、兩個乘法器、第一增益環節、兩個積分環節；第一減法器的輸入端輸入開關函數輸出開關量，輸出端通過第一增益環節連接第二減法器的輸入端，第二減法器的輸入端連接第一乘法器的輸入端，第一乘法器的輸出端連接第一積分環節的輸入端，第一積分環節的輸出端輸出反電勢信號，且與第一減法器的輸入端連接，所述第一減法器的輸出端輸出誤差信號，所述第一積分環節的輸出端通過第二積分環節連接第二乘法器的輸入端，第二乘法器的輸出端輸出正交反電勢信號，所述第一乘法器、第二乘法器的輸入端連接一諧振頻率，所述諧振頻率為鎖頻環的輸出信號。
5、進一步優選地，所述鎖頻環包括三個增益環節、四個加法器、一個除法器、第三積分環節、一個乘法器；第一加法器的輸入端輸入α軸的反電勢信號、正交反電勢信號，輸出端通過第二增益環節連接第二加法器的的輸入端；第三加法器的輸入端輸入β軸的反電勢信號、正交反電勢信號，輸出端通過第三增益環節連接第二加法器的輸入端，所述第二加法器的輸出端通過除法器連接第三乘法器的輸入端；第四加法器的輸入端輸入α和β軸的誤差信號，輸出端通過第四增益環節連接第三乘法器的輸入端，第三乘法器的輸出端連接第三積分環節的輸入端，第三積分環節的輸出端輸出電機轉子轉速信號，且連接除法器的輸入端。
6、再一步優選地，各二階廣義積分器的輸出端與鎖頻環的輸入端之間分別通過乘法器組連接，各乘法器組結構相同包括三個乘法器，第四乘法器的輸入端輸入二階廣義積分器輸出的反電勢信號，輸出端連接第一加法器的輸入端；第五乘法器的輸入端輸入二階廣義積分器輸出的正交反電勢信號，輸出端連接第一加法器的輸入端；第五乘法器的輸入端連接二階廣義積分器輸出的反電勢信號、正交反電勢信號，輸出端連接第四加法器的輸入端。
7、優選地，所述滑模觀測器的電流動態誤差方程為：
8、
9、式中，iα、iβ、eα、eβ分別表示電機在兩相靜止時α和β軸的定子電流和反電勢信號；ls為電機定子繞組電感；r為電機定子電阻；為定子觀測電流值與實際電流值之間的誤差；為電機定子觀測電流值；k為滑模觀測器的增益。
10、優選地，所述開關函數方程為：
11、
12、式中，zα、zβ分別表示電機在兩相靜止時α和β坐標系下的電流和反電勢分量；iα、iβ分別表示電機在兩相靜止時α和β軸的定子電流；為電機定子觀測電流值；k為滑模觀測器的增益。
13、本專利技術系統的原理及優點在于：與現有技術采用低通濾波器及鎖相環的估算系統相比，本專利技術二階廣義積分器(sogi)與幅值頻率自適應的鎖頻環(fll)相結合，估算系統能夠根據輸入信號的頻率自適應調整二階廣義積分器的濾波特性，具有更好的濾波效果和估算精度。
14、其中，二階廣義積分器(sogi)在諧振頻率處，具有很好的帶通濾波特性，是一個具有頻率自適應功能的二階帶通濾波器，將引入二階廣義積分器替代現有滑模觀測器算法中的低通濾波器，對滑模觀測器(smo)估算的反電勢信號中的高頻開關噪聲和高次諧波濾波處理，提取反電勢信號的估計值，避免高頻諧波和開關噪聲的干擾，提高滑模觀測器算法的估算精度；二階廣義積分器能夠在永磁同步電機高速階段高效地對高次諧波、高頻開關噪聲濾波，不會帶來相位延遲，避免永磁同步電機高速階段的延遲與精度損失問題，使估算系統具有較高的估算精度，從而有效減小永磁同步電機的滑模抖振效應和高頻噪聲干擾，提高永磁同步電機高速階段的系統控制精度；
15、同時，利用幅值頻率自適應的鎖頻環(fll)，實現跟蹤頻率的自適應，能夠在信號頻率發生變化時，快速調整系統參數，以確保濾波器始終處于最佳工作狀態，有效提高估算系統的精度和動態性能；
16、將二階廣義積分器(sogi)與幅值頻率自適應的鎖頻環(fll)相結合，幅頻自適應鎖頻環(fll)模塊能夠解析出信號頻率值，且在參數選定后，信號處理效果將不再受輸入信號的幅值和頻率變換的影響，該系統結構能夠在不同的工作條件下保持對轉子位置和轉速信號的高精度估算，保障系統的控制性能。
17、與現有的滑模觀測器算法結構相比，該系統在高頻噪聲和動態頻率變化下，表現出優異的濾波特性，且能夠提取出信號的頻率值，為永磁同步電機的無傳感器控制提供了新的解決思路，具備較高的工程應用價值。
18、一種永磁同步電機轉子位置和轉速估算方法，具體包括以下步驟：
19、s1：將三相電流經過坐標變換后得到α和β軸的兩相電流iα和iβ，并根據兩相電流iα和iβ計算得到兩相電壓uα和uβ；
20、s2：將兩相電壓uα和uβ輸入滑模觀測器，得到電機定子觀測電流值
21、s3：將電機定子觀測電流值分別與電機在兩相靜止時的定子電流通過減法器作差，并將差值輸入開關函數中，得到開關量zα和zβ；
22、s4：將開關量zα和zβ輸入二階廣義積分器得到反電勢信號正交反電勢信號以及誤差信號εα、εβ；
23、s5：將反電勢信號通過反正切函數輸出，得到電機轉子位置的估算值；并將誤差信號εα、εβ以及正交反電勢信號輸入幅頻自適應鎖頻環中，得到電機轉子轉速的估算值。
24、優選地，步驟s1中，將兩相電流iα和iβ通過電流環計算得到兩相電壓uα和uβ。
25、優選地，步驟s5中，以本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種永磁同步電機轉子位置和轉速估算系統，其特征在于，包括滑模觀測器、減法器、開關函數、二階廣義積分器、鎖頻環，所述滑模觀測器輸出端通過減法器連接開關函數的輸入端，所述開關函數的輸出端連接二階廣義積分器的輸入端、滑模觀測器輸入端，所述二階廣義積分器的輸出端連接鎖頻環輸入端，且通過一反正切函數輸出電機轉子位置信號，所述鎖頻環輸出端用于輸出電機轉子轉速信號，并且連接二階廣義積分器的輸入端。
2.根據權利要求1所述的永磁同步電機轉子位置和轉速估算系統，其特征在于：所述二階廣義積分器的數量為兩個，二階廣義積分器分別輸出α和β軸的反電勢信號、正交反電勢信號、誤差信號。
3.根據權利要求2所述的永磁同步電機轉子位置和轉速估算系統，其特征在于：兩個二階廣義積分器結構相同，均包括兩個減法器、兩個乘法器、第一增益環節、兩個積分環節；第一減法器的輸入端輸入開關函數輸出開關量，輸出端通過第一增益環節連接第二減法器的輸入端，第二減法器的輸入端連接第一乘法器的輸入端，第一乘法器的輸出端連接第一積分環節的輸入端，第一積分環節的輸出端輸出反電勢信號，且與第一減法器的輸入端連接，所述第
4.根據權利要求2所述的永磁同步電機轉子位置和轉速估算系統，其特征在于：所述鎖頻環包括三個增益環節、四個加法器、一個除法器、第三積分環節、一個乘法器；第一加法器的輸入端輸入α軸的反電勢信號、正交反電勢信號，輸出端通過第二增益環節連接第二加法器的的輸入端；第三加法器的輸入端輸入β軸的反電勢信號、正交反電勢信號，輸出端通過第三增益環節連接第二加法器的輸入端，所述第二加法器的輸出端通過除法器連接第三乘法器的輸入端；第四加法器的輸入端輸入α和β軸的誤差信號，輸出端通過第四增益環節連接第三乘法器的輸入端，第三乘法器的輸出端連接第三積分環節的輸入端，第三積分環節的輸出端輸出電機轉子轉速信號，且連接除法器的輸入端。
5.根據權利要求4所述的永磁同步電機轉子位置和轉速估算系統，其特征在于：各二階廣義積分器的輸出端與鎖頻環的輸入端之間分別通過乘法器組連接，各乘法器組結構相同包括三個乘法器，第四乘法器的輸入端輸入二階廣義積分器輸出的反電勢信號，輸出端連接第一加法器的輸入端；第五乘法器的輸入端輸入二階廣義積分器輸出的正交反電勢信號，輸出端連接第一加法器的輸入端；第五乘法器的輸入端連接二階廣義積分器輸出的反電勢信號、正交反電勢信號，輸出端連接第四加法器的輸入端。
6.根據權利要求1所述的永磁同步電機轉子位置和轉速估算系統，其特征在于：所述滑模觀測器的電流動態誤差方程為：
7.根據權利要求1所述的永磁同步電機轉子位置和轉速估算系統，其特征在于：所述開關函數方程為：
8.一種永磁同步電機轉子位置和轉速估算方法，其特征在于，具體包括以下步驟：
9.根據權利要求8所述的永磁同步電機轉子位置和轉速估算方法，其特征在于：步驟S1中，將兩相電流iα、iβ通過電流環計算得到兩相電壓uα、uβ。
10.根據權利要求8所述的永磁同步電機轉子位置和轉速估算方法，其特征在于：步驟S5中，以幅頻自適應鎖頻環的輸出作為二階廣義積分器的帶通頻率，用于步驟S2中二階廣義積分器對開關量zα和zβ進行濾波。
...【技術特征摘要】
1.一種永磁同步電機轉子位置和轉速估算系統，其特征在于，包括滑模觀測器、減法器、開關函數、二階廣義積分器、鎖頻環，所述滑模觀測器輸出端通過減法器連接開關函數的輸入端，所述開關函數的輸出端連接二階廣義積分器的輸入端、滑模觀測器輸入端，所述二階廣義積分器的輸出端連接鎖頻環輸入端，且通過一反正切函數輸出電機轉子位置信號，所述鎖頻環輸出端用于輸出電機轉子轉速信號，并且連接二階廣義積分器的輸入端。
2.根據權利要求1所述的永磁同步電機轉子位置和轉速估算系統，其特征在于：所述二階廣義積分器的數量為兩個，二階廣義積分器分別輸出α和β軸的反電勢信號、正交反電勢信號、誤差信號。
3.根據權利要求2所述的永磁同步電機轉子位置和轉速估算系統，其特征在于：兩個二階廣義積分器結構相同，均包括兩個減法器、兩個乘法器、第一增益環節、兩個積分環節；第一減法器的輸入端輸入開關函數輸出開關量，輸出端通過第一增益環節連接第二減法器的輸入端，第二減法器的輸入端連接第一乘法器的輸入端，第一乘法器的輸出端連接第一積分環節的輸入端，第一積分環節的輸出端輸出反電勢信號，且與第一減法器的輸入端連接，所述第一減法器的輸出端輸出誤差信號，所述第一積分環節的輸出端通過第二積分環節連接第二乘法器的輸入端，第二乘法器的輸出端輸出正交反電勢信號，所述第一乘法器、第二乘法器的輸入端連接一諧振頻率，所述諧振頻率為鎖頻環的輸出信號。
4.根據權利要求2所述的永磁同步電機轉子位置和轉速估算系統，其特征在于：所述鎖頻環包括三個增益環節、四個加法器、一個除法器、第三積分環節、一個乘法器；第一加法器的輸入端輸入α軸的反電勢信號、正交反電勢信號，輸出端通過第二增益環節連接第二加法器的的輸入端；第三加法器...
【專利技術屬性】
技術研發人員：鄒博文，任玥，呂強，尹富強，
申請(專利權)人：中國汽車工程研究院股份有限公司，
類型：發明
國別省市：
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