一种电机转子位置的检测方法及装置、计算机存储介质
阅读说明：本技术 一种电机转子位置的检测方法及装置、计算机存储介质 (Method and device for detecting position of motor rotor and computer storage medium ) 是由 林环城 刘毅 于 2019-07-29 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种电机转子位置的检测方法及装置、计算机存储介质,该检测方法包括：获取电机当前时刻在两相静止坐标系下的相电流观测值和相电压观测值；根据当前时刻的相电压观测值,估算当前时刻的相电流估算值；根据当前时刻的相电流观测值和当前时刻的相电流估算值,计算当前时刻的相电流误差值；将当前时刻的相电流误差值输入比例谐振控制器,以获得当前时刻的相反电势观测值；根据当前时刻的相反电势观测值,计算电机转子当前时刻的电角频率,以获得电机转子的位置。通过上述方式,采用自适应谐振控制作为滑模观测器的趋近率,避免了传统方法抖振的不良影响,同时也可消除附加的低通滤波器及其相位补偿环节,提高了观测精度和稳态性能。(The application discloses a method and a device for detecting the position of a motor rotor and a computer storage medium, wherein the detection method comprises the following steps: obtaining a phase current observation value and a phase voltage observation value of the motor at the current moment in a two-phase static coordinate system; estimating the phase current estimation value at the current moment according to the phase voltage observation value at the current moment; calculating a phase current error value at the current moment according to the phase current observed value at the current moment and the phase current estimated value at the current moment; inputting the phase current error value at the current moment into a proportional resonant controller to obtain an opposite potential observed value at the current moment; and calculating the electrical angular frequency of the motor rotor at the current moment according to the observed value of the opposite potential at the current moment so as to obtain the position of the motor rotor. By the mode, the adaptive resonance control is used as the approach rate of the sliding mode observer, so that the adverse effect of buffeting in the traditional method is avoided, an additional low-pass filter and a phase compensation link thereof can be eliminated, and the observation precision and the steady-state performance are improved.)
技术领域
本申请涉及电机技术领域，特别是涉及一种电机转子位置的检测方法及装置、计算机存储介质。
背景技术
永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)具有重量轻、体积小和运行效率高等优点，被广泛应用于家用电器和工业自动化领域中。传统电机驱动系统需要通过位置传感器检测电机的转子位置，不仅增加成本，而且会导致系统可靠性下降。
近年来，适用于永磁同步电机的无位置传感器控制技术迅速发展，如何对电机转子位置进行精确的测量，成为了亟待解决的问题。
滑模观测器是一种常用的电机转子位置检测方法，通过滑模趋近率对相电流估算误差进行处理得到相反电势观测值，再对相反电动势观测值进行相位计算从而获取电机的转速和转子位置信息。现有技术采用符号函数或饱和函数作为滑模面趋近率，对相电流估算误差进行处理，得到相反电动势观测值。由于采用符号函数或饱和函数作为滑模面趋近率，必然存在抖振现象，通常需要对相反电势观测值进行低通滤波并进行相位补偿，这使得系统设计复杂化，并造成观测器性能下降，进而影响电机的控制性能。
发明内容
为解决上述问题，本申请提供了一种电机转子位置的检测方法及装置、计算机存储介质，采用自适应谐振控制作为滑模观测器的趋近率，避免了传统方法抖振的不良影响，同时也可消除附加的低通滤波器及其相位补偿环节，提高了观测精度和稳态性能。
本申请采用的一个技术方案是：提供一种电机转子位置的检测方法，该检测方法包括：获取电机当前时刻在两相静止坐标系下的相电流观测值和相电压观测值；根据当前时刻的相电压观测值，估算当前时刻的相电流估算值；根据当前时刻的相电流观测值和当前时刻的相电流估算值，计算当前时刻的相电流误差值；将当前时刻的相电流误差值输入比例谐振控制器，以获得当前时刻的相反电势观测值；根据当前时刻的相反电势观测值，计算电机转子当前时刻的电角频率，以获得电机转子的位置。
其中，根据当前时刻的相电压观测值，估算当前时刻的相电流估算值的步骤，包括：根据当前时刻的相电压观测值、前一时刻已获得的相电流估计值、前一时刻已获得的电角频率、以及前一时刻已获得的相反电势观测值，估算当前时刻的相电流估算值。
其中，根据当前时刻的相电压观测值、前一时刻已获得的相电流估计值、前一时刻已获得的电角频率、以及前一时刻已获得的相反电势观测值，估算当前时刻的相电流估算值的步骤，包括：计算当前时刻的相电压观测值与前一时刻的电压特征值的电压差值，以得到当前时刻的电感电压值；其中，电压特征值为前一时刻已获得的相电流估算值对应的定子电阻电压值、前一时刻已获得的电角频率和交叉轴相电流估算值对应的差异电感电压值、前一时刻已获得的相反电势观测值三者之和；根据当前时刻的电感电压值和轴电感，计算电流差分值；根据电流差分值和前一时刻已获得的相电流估算值，估算当前时刻的相电流估算值。
其中，根据当前时刻的相电流观测值和当前时刻的相电流估算值，计算当前时刻的相电流误差值的步骤，包括：计算当前时刻的α轴相电流估算值与当前时刻的α轴相电流观测值的差值，以得到当前时刻的α轴相电流误差值；以及，计算当前时刻的β轴相电流估算值与当前时刻的β轴相电流观测值的差值，以得到当前时刻的β轴相电流误差值。
其中，将当前时刻的相电流误差值输入比例谐振控制器，以获得当前时刻的相反电势观测值的步骤，包括：根据谐振增益系数和自适应谐振传递函数建立比例谐振控制器；将当前时刻的相电流误差值输入比例谐振控制器，以计算当前时刻的相反电势观测值；所述比例谐振控制器在频域的传递函数为Ksw+R(s)，其中，Ksw为比例增益系数，R(s)为自适应谐振传递函数， 为前一时刻已获得的电角频率，Kr为谐振增益系数，s为拉普拉斯算子，λ为阻尼系数。对所述比例谐振控制器的具体离散化实现形式不作限定。
其中，根据当前时刻的相反电势观测值，计算电机转子当前时刻的电角频率的步骤，包括：根据当前时刻的相反电势观测值计算当前时刻的位置观测误差值；对当前时刻的位置观测误差值进行归一化处理；根据归一化处理之后的当前时刻的位置观测误差值，计算电机转子当前时刻电角频率。
其中，对位置观测误差值进行归一化处理的步骤，包括：计算位置观测误差值与前一时刻已获得的电角频率的比值，以对位置观测误差值进行归一化处理。
其中，根据归一化处理之后的位置观测误差值，计算电机转子当前时刻电角频率的步骤，包括：利用比例系数对归一化处理之后的位置观测误差值进行修正，以得到第一位置特征值；以及，对归一化处理之后的位置观测误差值进行积分，并利用积分系数进行修正，以得到第二位置特征值；计算第一位置特征值与第二位置特征值的和，作为电机转子当前时刻电角频率。
其中，根据当前时刻的相反电势观测值，计算电机转子当前时刻的电角频率的步骤之后，还包括：对电机转子当前时刻的电角频率进行积分运算，以得到电机转子当前时刻的位置信息。
其中，根据当前时刻的相反电势观测值，计算电机转子当前时刻的电角频率的步骤之后，还包括：根据当前时刻的相反电势观测值，对比例谐振控制器在频域的传递函数中的增益系数进行调整。
本申请采用的另一个技术方案是：提供一种电机转子位置的检测装置，该检测装置包括处理器和存储器，存储器用于存储程序数据，处理器在执行程序数据时，实现如上述的检测方法。
本申请采用的另一个技术方案是：提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质用于存储程序数据，程序数据在被处理器执行时，实现如上述的检测方法。
本申请提供的电机转子位置的检测方法，通过自适应谐振控制器作为滑模趋近率对相电流误差处理得到相反电势观测值；对相反电势观测值进行相位处理，获取电机转速与转子位置信息。通过上述方式，自适应谐振控制器可对不同频率下的相反电势观测值进行自适应补偿，有效避免高滑模增益时产生的抖振问题，改善系统稳态特性。另外，现有技术中，永磁电机转子位置检测需要滑模观测器与低通滤波器进行配合，而本申请无需低通滤波便能够得到高精度的转子位置信息。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本申请提供的电机转子位置的检测方法第一实施例的流程示意图；
图2是本申请提供的电机转子位置的检测方法第一实施例中的三相静止坐标和两相静止坐标的对比示意图；
图3是在一可选的实施例中的谐振控制器的频率特性示意图；
图4是本申请提供的电机转子位置的检测方法第二实施例的流程示意图；
图5是本申请提供的电机转子位置的检测方法第二实施例的信号流示意图；
图6是本申请的实施例在一工况下的转速响应波形图；
图7是本申请的实施例在一工况下的估算角度误差示意图；
图8是本申请提供的电机转子位置的检测装置一实施例的结构示意图；
图9是本申请提供的计算机存储介质一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参阅图1，图1是本申请提供的电机转子位置的检测方法第一实施例的流程示意图，该方法包括：
步骤11：获取电机当前时刻在两相静止坐标系下的相电流观测值和相电压观测值。
永磁同步电机由定子、转子和端盖等部件构成。在结构上，永磁同步电机与其他形式的电机相比最主要的不同在于转子有永磁体且可组成不同的磁路结构。按照在转子上永磁***置的不同，常见的永磁同步电机的转子磁路结构可分为三种：表面式、嵌入式和内埋式。
在永磁同步电机中，常用坐标系有两大类：坐标系放在定子上的静止坐标系，主要有ABC三相静止坐标系和αβ两相静止坐标系；坐标系放在转子上且随转子一起旋转的dq两相同步旋转坐标系。
可选的，在本步骤中，对电机的三相电流、三相电压进行采样，通过坐标变换得到两相静止坐标系下的相电流观测值和相电压观测值。
如图2所示，图2是本申请提供的电机转子位置的检测方法第一实施例中的三相静止坐标和两相静止坐标的对比示意图，在本实施例中，定义α轴和A轴重合，β轴逆时针超前α轴90°。
那么可根据不同的约束条件，建立ABC三相静止坐标系和αβ两相静止坐标系之间的变换关系。
其中，电流变换关系如下：
其中，iA、iB、iC是ABC三相静止坐标系下的相电流观测值，iα、iβ是αβ两相静止坐标系下的相电流观测值，C为变换系数，当选用功率不变的约束条件时，变换系数C为当选用幅值不变的约束条件时，变换系数C为
其中，电压变化关系如下：
其中，uA、uB、uC是ABC三相静止坐标系下的相电压观测值，uα、uβ是αβ两相静止坐标系下的相电压观测值，C为变换系数，当选用功率不变的约束条件时，变换系数C为当选用幅值不变的约束条件时，变换系数C为
步骤12：根据当前时刻的相电压观测值，估算当前时刻的相电流估算值。
可选的，当前时刻的相电流估算值可以根据在两相静止坐标系下电机的电压模型进行计算。
其中，步骤12可以具体为：根据当前时刻的相电压观测值、前一时刻已获得的相电流估计值、前一时刻已获得的电角频率、以及前一时刻已获得的相反电势观测值，估算当前时刻的相电流估算值。
例如，可以计算当前时刻的相电压观测值与前一时刻的电压特征值的电压差值以得到当前时刻的电感电压值；其中，电压特征值为前一时刻已获得的相电流估算值对应的定子电阻电压值、前一时刻已获得的电角频率和交叉轴相电流估算值对应的差异电感电压值、前一时刻已获得的相反电势观测值三者之和；根据当前时刻的电感电压值和轴电感，计算电流差分值；根据电流差分值和前一时刻已获得的相电流估算值，估算当前时刻的相电流估算值。在一具体的实施例中，可以采用如下的离散化公式进行计算：
其中，和是当前时刻的相电流估算值，和是前一时刻的相电流估算值，uα(i)和uβ(i)是当前时刻的相电压观测值，和为前一时刻已获得的相电流估计值，和为前一时刻已获得的相反电势观测值，为前一时刻已获得的电角频率，Rs为相电阻，Ld和Lq为两相旋转坐标系下的轴电感，Ts为采样周期。
步骤13：根据当前时刻的相电流观测值和当前时刻的相电流估算值，计算当前时刻的相电流误差值。
可选的，计算当前时刻的α轴相电流估算值与当前时刻的α轴相电流观测值的差值，以得到当前时刻的α轴相电流误差值；以及，计算当前时刻的β轴相电流估算值与当前时刻的β轴相电流观测值的差值，以得到当前时刻的β轴相电流误差值。
在一具体的实施例中，可以根据如下公式计算当前时刻的相电流误差值：
其中，和是当前时刻的相电流估算值，iα(i)和iβ(i)是当前时刻的相电流观测值。
可选的，这里可以采用一个减法器来实现上述的功能。
步骤14：将当前时刻的相电流误差值输入比例谐振控制器，以获得当前时刻的相反电势观测值。
可选的，步骤14可以具体为：根据谐振增益系数和自适应谐振传递函数建立比例谐振控制器；将当前时刻的相电流误差值输入比例谐振控制器，以计算当前时刻的相反电势观测值。
所述比例谐振控制器在频域的传递函数为Ksw+R(s)，其中，Ksw为比例增益系数，R(s)为自适应谐振传递函数， 为前一时刻已获得的电角频率，Kr为谐振增益系数，s为拉普拉斯算子，λ为阻尼系数。对所述比例谐振控制器传递函数的具体离散化实现形式不作限定。
如图3所示，图3是在一可选的实施例中的谐振控制器的频率特性示意图。
步骤15：根据当前时刻的相反电势观测值，计算电机转子当前时刻的电角频率，以获得电机转子的位置。
电角频率，即电机转子的角频率，通过角频率可以进一步的计算电机转子的角速度(转速)，从而确定电机转子的位置信息。
区别于现有技术，本实施例中的电机转子位置的检测方法，通过把自适应谐振控制器作为滑模趋近率对相电流误差处理得到相反电势观测值；对相反电势观测值进行相位处理，获取电机转速与转子位置信息。通过上述方式，自适应谐振控制器可对不同频率下的相反电势观测值进行自适应补偿，有效避免高滑模增益时产生的抖振问题，改善系统稳态特性。另外，现有技术中，永磁电机转子位置检测需要滑模观测器与低通滤波器进行配合，而本申请无需低通滤波便能够得到高精度的转子位置信息。
参阅图4，图4是本申请提供的电机转子位置的检测方法第二实施例的流程示意图，该方法包括：
步骤41：获取电机当前时刻在两相静止坐标系下的相电流观测值和相电压观测值。
步骤42：根据当前时刻的相电压观测值、前一时刻已获得的相电流估计值、前一时刻已获得的电角频率、以及前一时刻已获得的相反电势观测值，估算当前时刻的相电流估算值。
可选的，当前时刻的相电流估算值可以根据在两相静止坐标系下电机的电压模型进行计算。
例如，可以采用如下的离散化公式进行计算：
其中，和是当前时刻的相电流估算值，和是前一时刻的相电流估算值，uα(i)和uβ(i)是当前时刻的相电压观测值，和为前一时刻已获得的相电流估计值，和为前一时刻已获得的相反电势观测值，为前一时刻已获得的电角频率，Rs为相电阻，Ld和Lq为两相旋转坐标系下的轴电感，Ts为采样周期。
步骤43：根据当前时刻的相电流观测值和当前时刻的相电流估算值，计算当前时刻的相电流误差值。
可选的，可以根据如下公式计算当前时刻的相电流误差值：
其中，和是当前时刻的相电流估算值，iα(i)和iβ(i)是当前时刻的相电流观测值。
步骤44：将当前时刻的相电流误差值输入比例谐振控制器，以获得当前时刻的相反电势观测值。
所述比例谐振控制器在频域的传递函数为Ksw+R(s)，其中，Ksw为比例增益系数，R(s)为自适应谐振传递函数， 为前一时刻已获得的电角频率，Kr为谐振增益系数，s为拉普拉斯算子，λ为阻尼系数。对比例谐振控制器的具体离散化实现形式不作限定。
步骤45：根据当前时刻的相反电势观测值，计算当前时刻的位置观测误差值。
可选的，可以根据如下公式计算当前时刻的位置观测误差值：
其中，为当前时刻的相反电势观测值，为电机转子前一时刻已获得的位置信息。
步骤46：对当前时刻的位置观测误差值进行归一化处理。
可选的，可以根据如下公式对当前时刻的位置观测误差值进行归一化处理：
其中，为当前时刻的位置观测误差值，为前一时刻已获得的电角频率。
步骤47：根据归一化处理之后的当前时刻位置观测误差值，计算电机转子当前时刻电角频率。
可选的，可以根据如下离散化公式计算电机转子当前时刻电角频率：
其中，为归一化处理后的当前时刻位置观测误差值，Kp为比例系数，S(i)和S(i-1)分别为当前时刻和前一时刻的积分值，Ki为积分系数，Ts为采样时间。
可选的，本步骤可以采用比例积分器(PI)或比例积分微分器(PID)来实现。另外，还可以采用龙伯格(Luenberger)观测器等高阶观测方法来实现。
进一步地，在获取到当前时刻的电角频率后，可以根据以下公式对电机转子当前时刻的电角频率进行积分运算，以得到电机转子当前时刻的位置信息：
其中，为电机转子当前时刻的电角频率。
另外，在获取到当前时刻的电角频率之后，还可以进一步对所述比例谐振控制器中的比例增益系数Ksw和谐振增益系数Kr进行调整。具体地，可以采用线性调整的策略，即两个增益系数随着电机转速的增加而成线性增大的动态调整特性。当然，在其他的实施例中，比例增益系数Ksw和谐振增益系数Kr也可以是确定的两个值。可以理解的，比例谐振器的增益系数的在线调整策略可有多种不同方式，如通过不同的表达式进行计算，或者离线计算获取后通过在线查表的方式进行更新。
另外，可以理解的，在上述的步骤45中可以看出，最后得到的当前时刻的转子位置信息也用到下一时刻中去计算位置观测误差值形成反馈。
如图5所示，图5是本申请提供的电机转子位置的检测方法第二实施例的信号流示意图。
结合上述图4的流程图，本实施的工作流程如下：对电机的三相电流、电压进行采样，通过坐标变换得到静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ和电压分量uα、uβ。在滑模观测器中，根据两相静止坐标系下电机的电压模型计算电流估算值然后根据电流分量iα、iβ和电流估算值计算相电流误差值Δiα、Δiβ。在比例谐振器中，根据相电流误差值Δiα、Δiβ计算相反电势观测值在相位处理时，再利用相反电势观测值进行相位处理得到电角频率和转子位置信息
可以理解的，在上述的过程中，计算得到的相反电势观测值反馈至滑模观测器，用于对滑模观测器下一时刻的趋近率进行修正，另外，计算得到的电角频率也用于对滑模观测器下一时刻的趋近率进行修正，并用于对比例谐振器的谐振函数的增益系数进行修正。
具体地，在相位处理的过程中，具体如下：
根据计算得到的相反电势观测值计算位置观测误差值对位置观测误差值进行归一化处理得到对进行电角频率观测得到电角频率对电角频率进行积分以得到转子位置信息
可以理解的，在上述的过程中，计算得到的相反电势观测值和转子位置信息反馈至计算位置观测误差值的过程中，即公式中，不断的进行更新。
因此，在上述的实施例中，通过自适应比例谐振控制其作为观测电机相反电势的滑模趋近率，其特征参数及对应增益根据电机转速或电角频率信息实时在线更新。
下面通过一个具体的例子来进行说明：
参阅图6和图7，图6是本申请的实施例在一工况下的转速响应波形图，图7是本申请的实施例在一工况下的估算角度误差示意图。
在本实施例中，工况为在时间为3s时电机从1000rpm(转速)加速至2000rpm，在时间为5s时突加负载，转速响应波形如图6所示，估算角度误差如图7所示。从中可以看出本实施例所提供的位置观测方法可以良好跟踪电机转速变换，实现无稳态静差的位置估算，动态特性好，稳态精度高。
参阅图8，图8是本申请提供的电机转子位置的检测装置一实施例的结构示意图，该检测装置80包括处理器81以及存储器82。
其中，存储器82用于存储程序数据，处理器81在执行程序数据时，实现如下的检测方法：
获取电机当前时刻在两相静止坐标系下的相电流观测值和相电压观测值；根据当前时刻的相电压观测值，估算当前时刻的相电流估算值；根据当前时刻的相电流观测值和当前时刻的相电流估算值，计算当前时刻的相电流误差值；将当前时刻的相电流误差值输入比例谐振控制器，以获得当前时刻的相反电势观测值；根据当前时刻的相反电势观测值，计算电机转子当前时刻的电角频率，以获得电机转子的位置。
可以理解的，处理器81在执行程序数据时，还用于实现如上述实施例中提供的检测方法的步骤，其中的公式和算法可以参考上述的实施例，其实现的原理和效果类似，这里不再赘述。
另外，在本实施例中，所有的运算过程由处理器81来实现，在其他的实施例中，也可以通过多个单独的处理器来实现，例如滑模观测器、减法器、自适应谐振控制器、积分器等，这里不作限制。
参阅图9，图9是本申请提供的计算机存储介质一实施例的结构示意图，该计算机存储介质90中存储有程序数据91，该程序数据91在被处理器执行时，实现如下的检测方法：
获取电机当前时刻在两相静止坐标系下的相电流观测值和相电压观测值；根据当前时刻的相电压观测值，估算当前时刻的相电流估算值；根据当前时刻的相电流观测值和当前时刻的相电流估算值，计算当前时刻的相电流误差值；将当前时刻的相电流误差值输入比例谐振控制器，以获得当前时刻的相反电势观测值；根据当前时刻的相反电势观测值，计算电机转子当前时刻的电角频率，以获得电机转子的位置。
可选的，该存储介质可以应用于电机内部，该电机具有转子位置自检的功能，也可以应用于专门的检测装置，用于对电机转子的位置进行检测。另外，该电机和检测装置还可以形成一个系统。
本申请的实施例以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是根据本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。