具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。

实施例1

一种电机转子位置信息获取方法，包括如下步骤：

步骤一：利用高频脉振电压注入法向估算的d轴注入高频信号；在αβ两相静止坐标系下通过带通滤波器滤波，获得包含转子信息的特定频率段的高频电流i_αh、i_βh。

步骤二：再将该电流乘以解调信号2sin(ω_ht)，通过低通滤波器，即可获得只包含转子位置信息的电流i_αl、i_βl。

步骤三：对滤波器滤波所带来的相位偏移进行补偿，构建全通滤波器，获得补偿后的电流i_αl’、i_βl’。

步骤四：将补偿后的电流通过归一化锁相环即可获得补偿后的转子位置θ和转速ω_r。

本实施例电机转子位置信息获取方法及系统，能够解决提取转子位置信息时带通滤波器和低通滤波器所带来的相位偏移问题。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，在所述步骤一中，所述向估算的d轴注入高频信号，具体包括：

向估算的d轴注入高频信号：

其中，为向估算的dq轴注入的高频信号，U_h为高频信号的幅值，ω_h为高频信号的角频率。

在本实施例中，在所述步骤一中，所述永磁同步电机在两相静止坐标系下高频电流响应，具体包括：

永磁同步电机在基波激励下在dq两相旋转坐标系上的电压方程可以表示为：

式中，u_d、u_q为dq两相旋转坐标系上的电压，i_d、i_q为dq两相旋转坐标系上的电流，L_d、L_q为dq两相旋转坐标系的电感，R为定子电阻，ω_e为转子电角速度，p为微分算子，ψ_f永磁体磁链；

经过变换可求得永磁同步电机在两相静止坐标系下高频电流响应i_αh、i_βh可表示为：

式中，为估计的dq两相旋转坐标系下的电压，L_dh、L_qh为dq两相旋转坐标系的高频电感，θ为实际的转子电角度，为估算的转子电角度，Δθ为实际转子电角度与估计转子电角度的差值。

在本实施例中，在所述步骤一中，所述获得包含转子信息的特定频率段的高频电流，具体包括：

将高频信号注入后可得：

从式中可以看出两相静止坐标系下的高频电流响应中包含转子位置信息；当电角度误差足够小可近似为Δθ＝0，这时估算的电角度收敛于实际电角度，静止两相坐标系下高频电流响应表示为：

在本实施例中，在所述步骤二中，所述将高频电流乘以解调信号，通过低通滤波器，进而获得只包含转子位置信息的电流信号i_αl、i_βl，具体包括：

解调信号是与高频注入电压同频的正弦信号2sin(ω_ht)：

其中，LPF表示低通滤波器，为带通滤波器和低通滤波器所造成的总的相位偏移角。

在本实施例中，在所述步骤三中，所述构建全通滤波器，获得补偿后的电流i_αl’、i_βl’，具体包括：

其中，APF表示全通滤波器，为级联全通滤波器后总的相位偏移，若全通滤波器设计足够理想，可近似

在本实施例中，在所述步骤四中，所述将补偿后的电流通过归一化锁相环即可获得补偿后的转子位置和转速，具体包括：

归一化前锁相环的输入误差ε表达式为：

其中，为锁相环输出的转子观测位置，

归一化后的输入误差ε_n为：

归一化后锁相环的传递函数为：

其中，k_p、k_i为锁相环PI调节器的比例项与积分项；合理地设计PI调节器能够使归一化锁相环准确地估计出转子位置与速度信息。

本实施例电机转子位置获取方法及系统，通过高频注入的方式获取转子角度，可以对电机转子位置进行实时追踪，为电机驱动提供准确的位置信息；同时对获取过程中产生的相位偏移进行补偿，提高了所获取转子位置的精度和可靠性，优化了控制系统的性能。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，特别之处在于：

参照图1～图9，为本发明的第一个实施例，本发明的第一个实施例提供了一种电机转子位置信息获取方法，包括：

图1为本发明所述的电机转子位置信息获取方法的流程图。图2为基于本发明所述的电机转子位置信息获取方法的永磁同步电机控制结构框图。

S1：利用高频脉振电压注入法向估算的d轴注入高频信号：

其中，为向估算的dq轴注入的高频信号，U_h为高频信号的幅值，ω_h为高频信号的角频率。

永磁同步电机在基波激励下在dq两相旋转坐标系上的电压方程表示为：

式中，u_d、u_q为dq两相旋转坐标系上的电压，i_d、i_q为dq两相旋转坐标系上的电流，L_d、L_q为dq两相旋转坐标系的电感，R为定子电阻，ω_e为转子电角速度，p为微分算子，ψ_f永磁体磁链。

当电机处于零速或低速状态下，电机角速度接近于零，因此与ω_e有关的项可以忽略，并且当注入频率远大于电机本身的角频率时，电机的高频阻抗中感抗占主要成份，因此可以忽略电阻在电机电压方程中的影响，将高频信号注入下的永磁同步电机等价为纯电感模型。

因此在高频信号注入下式(2)可等效为：

式中，u_dh、u_qh为同步旋转坐标系下的高频电压，i_dh、i_qh为同步旋转坐标系下的高频电流，L_dh、L_qh为同步旋转坐标系下的高频电感。

图6为实际坐标系和估计坐标系的角度关系示意图，其中：θ为实际的转子电角度，为估算的转子电角度，Δθ为实际转子电角度与估计转子电角度的差值。

根据图6，在估算的同步旋转坐标系下响应的定子高频电流信号的微分可表示为：

式中，为旋转变换矩阵。

估计的dq两相旋转坐标系下的电压为：

将式(3)中dq轴的电流转换为αβ轴电流，可以等效为：

式中，

由式(6)可推出永磁同步电机在两相静止坐标系下高频电流响应可表示为：

将式(5)变化后代入式(7)可得：

即：

将式(1)中注入的高频信号代入式(9)中可得：

从式(10)可以看出两相静止坐标系下的高频电流响应中包含转子位置信息。当电角度误差足够小可近似为Δθ＝0，这时估算的电角度收敛于实际电角度，静止两相坐标系下高频电流响应表示为：

S2：将高频响应电流乘以解调信号，通过低通滤波器，获得只包含转子位置信息的电流i_αl、i_βl。

其中，解调信号是与高频注入电压同频的正弦信号2sin(ω_ht)：

在S1中提取高频信号时需要用到带通滤波器，而在本步骤中需要用到低通滤波器，带通滤波器和低通滤波器都会带来幅值变化和相位偏移，它们的幅频特性曲线和相频特性曲线如图4和图5所示。在式(12)中的表示带通滤波器和低通滤波器造成的总的相位偏移。

S3：对滤波器滤波所带来的相位偏移进行补偿，构建全通滤波器，获得补偿后的电流i_αl’、i_βl’。

为了解决滤波器所带来的相位偏移，本发明选用构建全通滤波器的方式来实现相位平衡，以4阶全通滤波器为例：

其中a₁、a₂、a₃、a₄是全通滤波器的参数，合理设计全通滤波器，使其满足对带通滤波器和低通滤波器带来的相位偏移进行补偿。本发明使用遗传算法来进行迭代，找到满足条件的全通滤波器参数最优解。

遗传算法(Genetic Algorithm，GA)是根据大自然中生物体进化规律而设计提出的。是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。该算法通过数学的方式,利用计算机仿真运算,将问题的求解过程转换成类似生物进化中的染色体基因的交叉、变异等过程。在求解较为复杂的组合优化问题时,相对一些常规的优化算法,通常能够较快地获得较好的优化结果。遗传算法已被人们广泛地应用于组合优化、机器学习、信号处理、自适应控制和人工生命等领域。

将低通滤波器和带通滤波器的参数导入，求出它们的相位函数，设计全通滤波器，以全通滤波器需要补偿的相位为目标函数，在遗传算法中迭代计算，求出a₁、a₂、a₃、a₄的最优值。

构建完成全通滤波器以后，将其级联到系统中可得：

其中，APF表示全通滤波器，为级联全通滤波器后总的相位偏移，若全通滤波器设计足够理想，可近似

S4：将补偿后的电流通过归一化锁相环，归一化锁相环结构如图3所示。

归一化前锁相环的输入误差ε表达式为：

其中，为锁相环输出的转子观测位置，

对输入误差进行归一化，归一化后的输入误差ε_n为：

当时，式(16)可表示为：

图7为归一化锁相环等效示意图，归一化后锁相环的传递函数为：

其中，k_p、k_i为锁相环PI调节器的比例项与积分项。根据系统的调速范围设定合适的带宽，就可以求得PI调节器的参数，进而估计出转子位置与速度信息。

为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择传统的PMSM高频脉振电压注入法与本方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。

在Simulink中构建如图2结构所示的仿真模型，电机仿真参数设置如表1所示。

表1：电机参数表。

高频注入电压为幅值20V、频率1000Hz的余弦信号，提取高频电流信号的带通滤波器阶数为2，上限截止频率设为1200Hz，下限截止频率设为800Hz。调制用的高频信号为频率为1000Hz，幅值为2V的高频正弦信号。用于提取调制后与转子位置有关信息的低通滤波器截止频率设定为150Hz。电机转速设置为100rpm。仿真时间设置为0.6s，仿真结果如图8和图9所示，可见传统的高频脉振电压注入法观测到的转子位置误差最大为0.0025rad，且转子位置曲线不够光滑，而本发明所提方法得到的转子位置误差最大为0.00072rad，转子位置更加准确，显著减小了由于滤波器相位偏移对转子位置造成的影响。

本发明提供的电机转子位置信息获取方法，对电机转子位置进行实时追踪，为电机驱动提供准确的位置信息，提高了解码精度及解码速度；同时对信号进行相位补偿，避免了由于相位滞后导致该方法失效的情况发生，提高了所获取转子位置的可靠性、系统鲁棒性。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，特别之处在于：

本实施例提供一种电机转子位置信息获取系统，如图10所示，包括：

信号获取模块1，用于获取永磁同步电机的三相电流，并将其转换到两相静止坐标系下，通过带通滤波器获取高频响应信号。此模块执行实施例1中的步骤S1所描述的方法，在此不再赘述。

解调信号生成模块2，用于根据高频注入信号，生成同频的正弦信号进行解调。

滤波模块3，用于滤除信号中的高频成分，获得只包含转子位置信息的正余弦信号。此模块执行实施例1中的步骤S2所描述的方法，在此不再赘述。

相位补偿模块4，用于利用构建的全通滤波器对正余弦信号进行相位补偿，消除带通滤波器和低通滤波器造成的相位偏移。此模块执行实施例1中的步骤S3所描述的方法，在此不再赘述。

转子角度生成模块5，用于利用锁相环对补偿后的正余弦信号进行解码处理，生成电机转子解码角度。此模块执行实施例1中的步骤S4所描述的方法，在此不再赘述。

本发明提供的电机转子位置信息获取系统，对电机转子位置进行实时追踪，为电机驱动提供准确的位置信息，提高了解码精度及解码速度；提高了所获取转子位置的可靠性、系统鲁棒性。

本发明上述实施例电机转子位置信息获取方法及系统，包括：利用高频脉振电压注入法向永磁同步电机注入高频信号；在两相静止坐标系下通过带通滤波器滤波，获得包含转子位置信息的特定频率段的高频电流。将高频响应电流解调，通过低通滤波器，获得只包含转子位置信息的电流。构建全通滤波器，对带通滤波器和低通滤波器滤波所带来的相位偏移进行补偿，获得补偿后的电流。将补偿后的电流通过归一化锁相环获得转子位置和转速。本发明提供的电机转子位置信息获取方法，对电机转子位置进行实时追踪，为电机驱动提供准确的位置信息，提高了解码精度及解码速度；同时对信号进行相位补偿，避免了由于相位滞后导致该方法失效的情况发生，提高了所获取转子位置的可靠性、系统鲁棒性。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。