永磁同步电机的转速估计方法、装置和永磁同步电机与流程

1.本发明涉及自动控制领域，更具体地涉及一种永磁同步电机的转速估计方法、装置和永磁同步电机。

背景技术：

2.pmsm(permanent magnet synchronous motor，永磁同步电动机)具有高功率密度、宽调速范围、高效率、体积小、响应快和运行可靠等优点。在家用电器、数控机床、工业机器人、电动汽车以及航空设备等交流驱动场合得到广泛的应用。目前，变频空调压缩机普遍采用永磁同步电机作为动力，永磁同步电机的控制普遍采用无位置传感器方案，无位置传感器方案的目标是得出估计的转速和位置，而位置为转速的积分，因此，方案的关键是转速的估计。无位置传感器方案有多种，较普遍采用的是基于dq轴的反电势观测与模型参考自适应。在dq轴反电势观测方案中，控制器采用观测器得出估计的d轴反电势与q轴反电势，并求反正切得出假定坐标与实际坐标误差角，再通过锁相环得出转速，其中锁相环由pi构成；在模型参考自适应方案中，利用参考模型和可调模型的广义误差，经自适应律得出转速，其中自适应律一般由pi构成。
3.在单转子压缩机中，由于负载不平衡，实际转速呈周期性波动，波动频率与电机机械角度频率相同，由pi构成的锁相环或自适应率在动态跟踪过程中会出现误差，使估计转速波动幅值比实际转速大，而且估计转速与实际转速存在相位滞后，使得出的估计位置不准，进而导致磁场定向不准，最终导致电机控制性能下降。
4.因此，现有技术需要一种永磁同步电机的转速估计方案，以满足永磁同步电机在转速周期性波动下更好地得到估计转速。
5.上述在背景部分公开的信息仅用于对本发明的背景做进一步的理解，因此它可以包含对于本领域普通技术人员已知的不构成现有技术的信息。

技术实现要素：

6.本发明涉及一种永磁同步电机的转速估计方法、装置和永磁同步电机。根据本发明提出的基于转子位置域重复控制的单转子压缩机转速估计方案，具体为在锁相环或自适应率插入基于转子机械角度的重复控制器以抑制误差角或广义误差周期性波动，使估计转速波动幅值下降，并加入超前环节补偿估计转速滞后实际转速的相位。
7.本发明的第一方面提供了一种永磁同步电机的转速估计方法，包括：s1:获取电机转子当前转速下的机械角度，并获取电机转子在当前转速下的实际位置和推定位置的当前误差角度,设置数组，将与当前转速下的机械角度相对应的数组中的元素的值设置为所述当前误差角度；s2：获取用于补偿转子转速的超前相位对应的角度，确定将所述机械角度和所述超前相位对应的角度相加后的角度，将该相加后的角度在数组中对应的元素的值与所述误差角度相加；s3：将所述相加后的结果输入锁相环控制器，通过锁相环控制器估计电机的转速；s4：重复执行所述步骤s1-s3。
8.根据本发明的一个实施例，其中，在所述电机旋转的一个机械周期更新一次电机的机械角度所对应的数组元素中的值。
9.根据本发明的一个实施例，
10.其中，所述数组包含n个元素，将转子当前转速下的机械角度θ与数组m中第n个元素的值m{n}相对应，其中m{n}为电机转子在当前转速下的实际位置和推定位置的当前误差角度；并且其中，当用于补偿转子转速的超前相位为r时，在数组中确定相对应的元素的值，该元素的值为：机械角度为时对应的电机转子在当前转速下的实际位置和推定位置的当前误差角度。
11.根据本发明的一个实施例，其中，所述数组m中的n个元素对应的角度值分别为其中一一对应的数组中的元素的序号为{0,1,
…
，n-1},并且其中，n为当前机械角度θ除以的取整后作为序号对应的数组m中的值其中θ+r角度所对应的数组中的元素为：的角度值除以的取整后作为序号对应的数组m中的值其中[]表示取整。
[0012]
根据本发明的一个实施例，其中，所述电机转子在当前转速下的实际位置和推定位置的当前误差角度为：通过d轴和q轴反电势观测器得出的误差角或通过模型参考自适应得出的广义误差。
[0013]
根据本发明的一个实施例，通过重复控制器将该相加后的角度在数组中对应的元素与所述误差角度相加，其中，所述重复控制的传递函数为：其中，err为电机转子在当前转速下的实际位置和推定位置的误差；gain1为用于衰减所述误差的噪声输入增益，gain2为于保证重复控制稳定性遗忘因子；z-n
为延迟环节，n为电机旋转的一个机械周期；所述延迟环节固定为滞后转子机械角度360
°
，zr为超前环节，r为超前相位。
[0014]
根据本发明的一个实施例，其中gain1的范围在0～1之间；所述gain2的范围在0～1之间。
[0015]
本发明的第二方面提供了一种永磁同步电机的转速估计装置，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现上述的永磁同步电机的转速估计方法。
[0016]
本发明的第三方面提供了一种永磁同步电机，其使用上述的永磁同步电机的转速估计方法，或包括上述的永磁同步电机的转速估计装置。
[0017]
本发明提出的基于位置域重复控制的单转子压缩机估计方法能使估计转速波动幅值下降，补偿估计转速滞后实际转速的相位，使估计转速更好的贴近实际转速，最终使估计位置更准确，进而获得更好的电机控制性能。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图进行简单为，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，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。
[0019]
图1是根据本发明的示例性实施例的永磁同步电机的转速估计方法流程图。
[0020]
图2是根据本发明的示例性实施例的估计转子机械角度的示意图。
[0021]
图3是据本发明的示例性实施例示例性实施例的永磁同步电机的转速估计一个周期的实施流程图。
[0022]
图4是根据本发明的示例性实施例的重复控制器实施框图。
[0023]
图5a和图5b是根据本发明的示例性的实施例的没有重复控制和有重复控制器的转速估计对比图。
具体实施例
[0024]
如在本文中所使用的，词语“第一”、“第二”等可以用于描述本发明的示例性实施例中的元件。这些词语只用于区分一个元件与另一元件，并且对应元件的固有特征或顺序等不受该词语的限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术或科学术语)具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含意相同的含意。如在常用词典中定义的那些术语被解释为具有与相关技术领域中的上下文含意相同的含意，而不被解释为具有理想或过于正式的含意，除非在本发明中被明确定义为具有这样的含意。
[0025]
本领域的技术人员将理解的是，本文中描述的且在附图中说明的本发明的装置和方法是非限制性的示例性实施例，并且本发明的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施例所说明或描述的特征可与其他实施例的特征组合。这种修改和变化包括在本发明的范围内。
[0026]
下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。在附图中，省略相关已知功能或配置的详细描述，以避免不必要地遮蔽本发明的技术要点。另外，通篇描述中，相同的附图标记始终指代相同的电路、模块或单元，并且为了简洁，省略对相同电路、模块或单元的重复描述。
[0027]
此外，应当理解一个或多个以下方法或其方面可以通过至少一个控制单元或控制器执行。术语“控制单元”，“控制器”,“控制模块”或者“主控模块”可以指代包括存储器和处理器的硬件设备。存储器或者计算机可读存储介质配置成存储程序指令，而处理器具体配置成执行程序指令以执行将在以下进一步描述的一个或更多进程。而且，应当理解，正如本领域普通技术人员将意识到的，以下方法可以通过包括处理器并结合一个或多个其他部件来执行。
[0028]
在单转子压缩机中，由于负载不平衡，实际转速呈周期性波动，波动频率与电机机械角度频率相同，由pi(锁相环)构成的锁相环或自适应率在动态跟踪过程中会出现误差，使估计转速波动幅值比实际转速大，而且估计转速与实际转速存在相位滞后，使得出的估计位置不准，进而导致磁场定向不准，最终导致电机控制性能下降。
[0029]
重复控制基于内模原理，其能较好地抑制周期性波动，由于电机控制中机械角度频率是时变的，基于时域的重复控制实现较复杂，而基于电机转子机械角度的重复控制能
较方便实现，并且重复控制能方便实现相位超前。另外本发明的重复控制方法是基于内模原理的一种控制方法，所谓内模即在一个闭环调节系统例如永磁同步电机的电流转速调节系统中，在其反馈回路中设置一个内部模型，使该内部模型可以很好地描述系统外部信号特性，通过该内部模型的作用可以使得闭环调节系统获得理想的指令跟踪特性，具有较强的扰动抑制能力。内模原理的本质是将闭环调节系统外部信号动态模型(即为内模)植入控制系统即设置重复控制器内以此构建成高精度的反馈控制系统，使闭环调节系统能够无静差地跟随输入信号。
[0030]
本发明采用基于位置域重复控制的单转子压缩机转速估计方法，具体为在锁相环或自适应率插入基于转子机械角度的重复控制器，以抑制误差角或广义误差周期性波动，使估计转速波动幅值下降，并加入超前环节，以补偿估计转速滞后实际转速的相位。
[0031]
图1是根据本发明的示例性实施例的永磁同步电机的转速估计方法流程图。
[0032]
如图1所示，在步骤s1:获取电机转子当前转速下的机械角度，并获取电机转子在当前转速下的实际位置和推定位置的当前误差角度,设置数组，将与当前转速下的机械角度相对应的数组中的元素的值设置为所述当前误差角度；
[0033]
在步骤s2：获取用于补偿转子转速的超前相位对应的角度，确定将所述机械角度和所述超前相位对应的角度相加后的角度，将该相加后的角度在数组中对应的元素的值与所述误差角度相加；
[0034]
在步骤s3：将所述相加后的结果输入锁相环(pi)控制器，通过pi控制器计算(或估计、估算)电机的转速；
[0035]
在步骤s4：在所述电机旋转的一个机械周期更新一次电机的机械角度所对应的数组元素中的值，并重复执行所述步骤s1-s3。
[0036]
根据本发明的一个或多个实施例，其中，所述数组包含n个元素，将转子当前转速下的机械角度θ与数组m中第n个元素的值m{n}相对应，其中m{n}为电机转子在当前转速下的实际位置和推定位置的当前误差角度；并且其中，当用于补偿转子转速的超前相位为r时，在数组中确定相对应的元素的值，该元素的值为：机械角度为时对应的电机转子在当前转速下的实际位置和推定位置的当前误差角度。所述数组m中的n个元素对应的角度值分别为元素对应的角度值分别为其中一一对应的数组中的元素的序号为{0,1,
…
，n-1},并且其中，n为当前机械角度θ除以的取整后作为序号对应的数组m中的值其中其中角度所对应的数组中的元素为：的角度值除以的取整后作为序号对应的数组m中的值其中[]表示取整。
[0037]
根据本发明的一个或多个实施例，为补偿转子转速的超前相位对应的角度，其在每个周期内为一个固定值。
[0038]
根据本发明的一个或多个实施例，，估计机械角度由估计机械转速积分得出，估计机械转速由估计电气转速(通常讲的估计转速)除以电机极对数得出。数组m中的元素用于存放对应转子机械角度过去周期的累积误差角或广义误差。若令n＝72，则将机械角度360
°
等分成72份，相邻元素之间的角度间隔为5
°
，则数组中对应的元素为72个，每个机械角度取整后能够对应到数组中的元素。对应关系如图2所示。
[0039]
图2是根据本发明的示例性实施例的估计转子机械角度的示意图。
[0040]
如图2所示，将360
°
分成72份，每5
°
一个，为了保证机械角度足够连续，当然也可以分更多份。
[0041]
根据本发明的一个或多个实施例，则数组中对应的元素为72个，每个机械角度θ取整后能够对应到数组中的元素。
[0042]
图3是据本发明的示例性实施例示例性实施例的永磁同步电机的转速估计一个周期的实施流程图。
[0043]
如图3所示，首先，获取转子当前转速的机械角度θ后，根据当前机械角度θ计算数组m中的指针n对应的角度，即指针n对应的元素m{n}表示当前机械角度的在m数组中的对应元素值，n为θ在数组m中对应元素的序号。如果结合图2可看出角度与n的关系，n＝[当前机械角度/5度]，其中[]表示取整，例如，当前角度为10度，那么n就是2，当前角度为12度，n也是2，依此类推。其次，采用d轴和q轴反电势观测器计算角度误差或采用模型参考自适应计算广义误差err,即所述err(当前误差角度)为采用d轴和q轴反电势观测器计算角度误差或采用模型参考自适应计算广义误差；将err中的值存入机械角度θ对应的数组中；例如机械角度θ＝12度，那么err值为0.6度，那么在数组中的元素2的值m{2}＝0.6度。
[0044]
再次，获取用于补偿转子转速的超前相位对应的角度，确定将所述机械角度和所述超前相位对应的角度相加后的角度，将该相加后的角度在数组中对应的元素的值与所述误差角度相加。例如超前相位r为2，对应的角度为度，那么在数组中确定度所对应的序号的值，那么数组中22度对应的序号为[22/5]＝4，那么在数组中确定m{4}对应的值，即机械角度为22度时对应的err的值，该err的值应该为存储了上一机械周期(在离散域用z-n
表示)对应的机械角度为22度(即m{4})的err的值；其中与的关系在时域上就是超前的关系，在离散域表达的方式就是用zr表示。
[0045]
然后，通过pi控制器根据相加加后的结果计算或估计电机的转速；
[0046]
最后，在所述电机旋转的一个机械周期更新一次电机的机械角度所对应的数组元素m[n]中的值,然后重复执行上述步骤。
[0047]
根据本发明的一个或多个实施例，通过上述的重复执行，其根据本发明的一个或多个实施例，通过上述的重复执行，其包含过去周期的转子机械角度的累积周期误差。
[0048]
根据本发明的一个或多个实施例，本发明还提供了一种永磁同步电机的转速估计装置，包括误差获取装置、pi控制器和重复控制器。
[0049]
图4是根据本发明的示例性实施例的重复控制器实施框图。
[0050]
如图4所示，在原有的锁相环或自适应律插入重复控制器，控制框图如图4所示，虚线方框内为本发明加入的重复控制器，若去除虚线方框的控制器则为常规的转速估计方案。
[0051]
根据本发明的一个或多个实施例，其中，err为d轴和q轴反电势观测器得出的误差角或模型参考自适应得出的广义误差(即当前误差角度)，gain1为输入增益，用于衰减误差信号的噪声，gain2为遗忘因子，用于保证重复控制的稳定性，z-n
为延迟环节，其中，n表示电机转速的一个机械周期，从转子机械角度来看，延迟环节固定为滞后转子机械角度360
°
，zr为超前环节，r为超前相位，用于补偿估计转速的滞后，可根据具体应用场合调试确定。
[0052]
根据本发明的一个或多个实施例，重复控制器输出与当前误差err叠加后送入由pi构成的锁相环或自适应律，得到估计转速，得到的估计转速可作为观测器方程或可调模型中的转速参数，对估计转速积分得到估计电气角度。由于累积存放了err过去周期的误差，并且具有超前相位，当err还没有出现误差的时候pi得到的估计转速已发生变化，所以重复控制器具有预测pi控制器的优点。
[0053]
重复控制器传递函数如下式所示。
[0054][0055]
其中，err为dq轴反电势观测器得出的误差角或模型参考自适应得出的广义误差，gain1为输入增益，用于衰减误差信号的噪声，gain2为遗忘因子，用于保证重复控制的稳定性，z-n
为延迟环节，从转子机械角度来看，n为电机旋转的一个机械周期，延迟环节固定为滞后转子机械角度360
°
，zr为超前环节，r为超前相位。其中gain1的范围在0～1之间；所述gain2的范围在0～1之间。
[0056]
根据本发明的一个或多个实施例，在对重复控制器的实现中，可以设置数组指针，通过指针来寻址数组中对应的元素值，数组指针可以应用于对述电机的机械角度、机械角度加超前相位所或的角度、在一个机械周期中对机械角度更新时的数组中相应元素值的寻址。例如根据上面的示例，当θ＝12度，度(其中，表示角度，r与θ在数组中的第n个元素相对应)时，指针的寻址分别指向数组m中的第2个和第4个元素，在一个机械周期内，对机械角度指针对应的数组中的元素值进行更新。
[0057]
图5a和图5b是根据本发明的示例性的实施例的没有重复控制和有重复控制器的转速估计对比图。
[0058]
如图5a和图5b所示，在相同频率相同负荷下，无重复控制器下，单转子压缩机估计转速与相电流波形如图5(a)所示，加入重复控制器后，估计转速与相电流波形如图5(b)所示，从图中对比可知，加入重复控制后转速波动下降，下降约8％，并且相电流有效值下降约8％，电机运行功率下降约2％，证明估计转速更贴近实际转速，磁场定向更准确，电机运行效率更高。
[0059]
本发明还提供了一种永磁同步电机的转速估计装置，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现上述的永磁同步电机的转速估计方法。
[0060]
本发明还提供了一种永磁同步电机，其使用上述的永磁同步电机的转速估计方法，或包括上述的永磁同步电机的转速估计装置。
[0061]
本发明还提供了一种压缩机，其包括根据上述的永磁同步电机。
[0062]
根据本发明的一个或多个实施例，本发明的中的控制逻辑可以使用存储在非暂时性计算机和/或机器可读介质(例如硬盘驱动器、闪存、只读存储器、光盘、数字多功能磁盘、高速缓存、随机存取存储器和/或任何其他存储设备或存储磁盘)上的编码的指令(例如，计算机和/或机器可读指令)来实现如本发明以上系统中的流程的处理，在非暂时性计算机和/或机器可读介质中存储任何时间期间(例如，延长的时间段、永久的、短暂的实例、临时缓存和/或信息高速缓存)的信息。如本文所使用的，术语“非暂时性计算机可读介质”被明确定义为包括任何类型的计算机可读存储设备和/或存储盘，并且排除传播信号并排除传输介质。
[0063]
根据本发明的一个或多个实施例，本发明的系统中的逻辑可以使用控制电路、(控制逻辑、主控系统或控制模块)来实现，其可以包含一个或多个处理器，也可以在内部包含有非暂时性计算机可读介质。具体地，主控系统或控制模块可以包括微控制器mcu。用于实现本发明系统中逻辑的处理的处理器可以诸如但不限于一个或多个单核或多核处理器。(一个或多个)处理器可包括通用处理器和专用处理器(例如，图形处理器、应用处理器等)的任何组合。处理器可与其耦接和/或可包括计存储器/存储装置，并且可被配置为执行存储在存储器/存储装置中的指令，以实现在本发明中控制器上运行的各种应用和/或操作系统。
[0064]
作为本发明示例的上文涉及的附图和本发明的详细描述，用于解释本发明，但不限制权利要求中描述的本发明的含义或范围。因此，本领域技术人员可以很容易地从上面的描述中实现修改。此外，本领域技术人员可以删除一些本文描述的组成元件而不使性能劣化，或者可以添加其它的组成元件以提高性能。此外，本领域技术人员可以根据工艺或设备的环境来改变本文描述的方法的步骤的顺序。因此，本发明的范围不应该由上文描述的实施例来确定，而是由权利要求及其等同形式来确定。
[0065]
尽管本发明结合目前被认为是可实现的实施例已经进行了描述，但是应当理解本发明并不限于所公开的实施例，而相反的，意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同配置。

技术特征：

1.一种永磁同步电机的转速估计方法，包括：s1:获取电机转子当前转速下的机械角度，并获取电机转子在当前转速下的实际位置和推定位置的当前误差角度,设置数组，将与当前转速下的机械角度相对应的数组中的元素的值设置为所述当前误差角度；s2：获取用于补偿转子转速的超前相位对应的角度，确定将所述机械角度和所述超前相位对应的角度相加后的角度，将该相加后的角度在数组中对应的元素的值与所述误差角度相加；s3：将所述相加后的结果输入锁相环控制器，通过锁相环控制器估计电机的转速；s4：重复执行所述步骤s1-s3。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述步骤s4中，在所述电机旋转的一个机械周期更新一次电机的机械角度所对应的数组元素中的值。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数组包含n个元素，将转子当前转速下的机械角度θ与数组m中第n个元素的值m{n}相对应，其中m{n}为电机转子在当前转速下的实际位置和推定位置的当前误差角度；并且其中，当用于补偿转子转速的超前相位为r时，在数组中确定相对应的元素的值，该元素的值为：机械角度为时对应的电机转子在当前转速下的实际位置和推定位置的当前误差角度。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述数组m中的n个元素元素对应的角度值分别为其中一一对应的数组中的元素的序号为{0,1,
…
，n-1},并且其中，n为当前机械角度θ除以的取整后作为序号对应的数组m中的值其中其中角度所对应的数组中的元素为：的角度值除以的取整后作为序号对应的数组m中的值其中[]表示取整。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电机转子在当前转速下的实际位置和推定位置的当前误差角度为：通过d轴和q轴反电势观测器得出的误差角或通过模型参考自适应得出的广义误差。6.根据权利要求1所述的方法，通过重复控制器将该相加后的角度在数组中对应的元素与所述误差角度相加，其中，所述重复控制的传递函数为：其中，err为电机转子在当前转速下的实际位置和推定位置的误差；gain1为用于衰减所述误差的噪声输入增益，gain2为于保证重复控制稳定性遗忘因子；z-n
为延迟环节，n为电机旋转的一个机械周期；所述延迟环节固定为滞后转子机械角度360
°
，z
r
为超前环节，r为
超前相位。7.根据权利要求1所述的方法，其中gain1的范围在0～1之间；所述gain2的范围在0～1之间。8.一种永磁同步电机的转速估计装置，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现根据权利要求1至7任一项所述的永磁同步电机的转速估计方法。9.一种永磁同步电机，其使用根据权利要求1-7任一项所述的永磁同步电机的转速估计方法，或包括根据权利要求8任一项所述的永磁同步电机的转速估计装置。10.一种压缩机，其包括根据权利要求9所述的永磁同步电机。

技术总结

提供了一种永磁同步电机的转速估计方法、装置和永磁同步电机，该方法包括：获取电机转子当前转速下的机械角度，并获取电机转子在当前转速下的实际位置和推定位置的当前误差角度,设置数组，将与当前转速下的机械角度相对应的数组中的元素的值设置为所述当前误差角度；获取用于补偿转子转速的超前相位对应的角度，确定将所述机械角度和所述超前相位对应的角度相加后的角度，将该相加后的角度在数组中对应的元素的值与所述误差角度相加；将所述相加后的结果输入锁相环控制器，通过锁相环控制器估计电机的转速；重复执行上述步骤。本发明的方案能使估计转速波动幅值下降，最终使估计位置更准确，进而获得更好的电机控制性能。进而获得更好的电机控制性能。进而获得更好的电机控制性能。