技术领域
[0001] 本
发明涉及机电控制领域，尤其涉及一种电机的转子位置的推定装置和推定方法。
背景技术
[0002] 为了对同步电机进行矢量控制，最常用的方法是在电机的转子上安装
传感器，但是，这些传感器增加了系统的成本，降低了系统的可靠性，并且限制了电机的使用场合。为了克服使用传感器带来的
缺陷，针对无传感器电机控制方法的研究越来越广泛。
[0003] 在无传感器电机的矢量控制中，转子在启动前的初始位置是一个很重要的量，如果初始位置估算得不准确，可能引起电机启动时发生反转或启动失败，也可能影响电机启动后的运行性能。
[0004] 应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
发明内容
[0005] 本
申请的
发明人发现，在
现有技术中，需要在转子保持静止的情况下估算转子的初始位置，但是，在有些场景下，电机在启动前转子处于运动状态，例如，电机在未启动时转子由于受到外
力作用或惯性而转动，此时，为了正确地启动电机，需要先使转子静止，然后估算转子的初始位置，这样，电机的启动时间延长，难以达到快速启动的效果。
[0006] 本申请
实施例提供一种电机的转子位置的推定装置和推定方法，通过向旋转状态下未启动的电机注入高频
电压，根据电机对该高频电压的响应
电流的幅值计算转子的估计位置，并根据正负响应电流的在
信号注入时间内的消耗
能量大小，对该估计位置进行判断并补偿，从而推定转子的位置。由此，本申请实施例能够在转子旋转且闭环矢量控制启动前，快速推定转子的位置，从而提高无传感器矢量控制的永磁同步电机在频繁启动或从被拖动状态再启动的状态等工况下启动的速度。
[0007] 根据本申请实施例的第一方面，提供一种电机的转子位置的推定装置，所述装置包括：
[0008] 高频电压发生器，其向旋转状态下未启动的电机注入高频电压，所述高频电压的
频率位于PWM调制频率和电机速度响应频率之间；
[0009] 高频电流提取单元，其用于从所述电机的
定子的电流中提取与所述高频电压具有相同频率的高频分量；
[0010] 第一旋转位置计算单元，其根据所述电流的高频分量中的q轴电流的高频分量，计算所述电机的转子的第一旋转位置；
[0011] 注入能量计算单元，其分别计算在所述高频电压注入的时间内，所述电流的高频分量中的d轴电流的高频分量的正分量和负分量在所述定子的
电阻上消耗的能量；
[0012] 补偿量计算单元，根据上述消耗的能量，确定所述转子的旋转位置的补偿量；以及[0013] 第二旋转位置计算单元，其用于将所述第一旋转位置与所述补偿量相加，作为所述电机的转子的第二旋转位置。
[0014] 根据本申请实施例的第二方面，提供一种电机的转子位置的推定方法，所述方法包括：
[0015] 向旋转状态下未启动的电机注入高频电压，所述高频电压的频率位于PWM调制频率和电机速度响应频率之间；
[0016] 从所述电机的定子的电流中提取与所述高频电压具有相同频率的高频分量；
[0017] 根据所述电流的高频分量中的q轴电流的高频分量，计算所述电机的转子的第一旋转位置；
[0018] 分别计算在所述高频电压注入的时间内，所述电流的高频分量中的d轴电流的高频分量的正分量和负分量在所述定子的电阻上消耗的能量；
[0019] 根据上述消耗的能量，确定所述转子的旋转位置的补偿量；以及
[0020] 将所述第一旋转位置与所述补偿量相加，作为所述电机的转子的第二旋转位置。
[0021] 本发明的有益效果在于：能够在转子旋转且尚未启动的状态下，快速推定转子的位置，从而提高电机启动的速度。
[0022] 参照后文的说明和
附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附
权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、
修改和等同。
[0023] 针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
[0024] 应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
[0025] 所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了
说明书的一部分，用于例示本发明的实施方式，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
[0026] 图1是包含有本申请实施例1的推定装置的电机控制系统的一个示意图；
[0027] 图2是本申请实施例1的注入的高频电压的一个示意图；
[0028] 图3是本申请实施例1的d轴电流的高频分量idh，正分量idh_pos和负分量idh_neg的一个示意图；
[0029] 图4是本申请实施例1的Edh_pos和Edh_neg的一个示意图；
[0030] 图5是实施例2的推定方法的一个示意图。
具体实施方式
[0031] 参照附图，通过下面的说明书，本发明的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本发明的特定实施方式，其表明了其中可以采用本发明的原则的部分实施方式，应了解的是，本发明不限于所描述的实施方式，相反，本发明包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。
[0032] 实施例1
[0033] 本发明实施例1提供一种电机的转子位置的推定装置。图1是包含有该推定装置的电机控制系统1的一个示意图。
[0034] 如图1所示，该推定装置100可以具有：高频电压发生器101，高频电流提取单元102，注入能量计算单元103，第一旋转位置计算单元104，补偿量计算单元105，以及第二旋转位置计算单元106。
[0035] 在本实施例中，高频电压发生器101可以向旋转状态下未启动的电机M注入高频电压uh，该高频电压uh的频率可以高于电机M启动后用于
驱动电机M的驱动电压的频率，例如，该高频电压uh的频率可以位于PWM调制频率fpwm和电机M的速度响应频率之间，其中：PWM调制频率是指PWM调制信号的频率，PWM调制信号用于生成电机M的驱动电压；电机M的速度响应频率是指电机的运动带宽对应的最大响应频率，也就是电机
控制器在被控状态下的性能指标中响应性能对应的频率。
[0036] 在本实施例中，高频电压uh为注入d轴的电压，例如，高频电压uh可以被表示为下式(1)：
[0037]
[0038] 其中，udh为高频电压uh的d轴分量，uqh为高频电压uh的q轴分量，Uh为高频电压uh的模值，ω为该高频电压uh的频率，ω例如为PWM调制频率fpwm的1/20。
[0039] 高频电流提取单元102可以用于从电机M的定子的电流中提取与高频电压uh具有相同频率的高频分量，该电流的高频分量例如包括：d轴电流的高频分量idh，以及q轴电流的高频分量iqh。
[0040] 在本实施例中，idh和iqh符合如下的式(2)：
[0041]
[0042] 根据上述式(2)和(1)，可以得到idh和iqh的表达式为下式(3)和(4)：
[0043]
[0044]
[0045] 在上述的式(2)、式(3)、式(4)中，P为电机的极数；θe为
角度误差，其表示实际转子角度值θ和推定转子角度值θh的差θe＝θ-θh；Ld和Lq分别表示电机M的d轴电感和q轴电感。
[0046] 在本实施例中，第一旋转位置计算单元104根据q轴电流的高频分量值iqh计算电机的转子的第一旋转位置θ1。
[0047] 在本实施例中，注入能量计算单元103分别计算在该高频电压注入的时间内，d轴电流的高频分量idh的正分量idh_pos和负分量idh_neg在电机M的定子的电阻上消耗的能量Edh_pos和Edh_neg。
[0048] 例如，Edh_pos和Edh_neg可以分别通过下式(5)、(6)计算得到：
[0049]
[0050]
[0051] 其中，t0是高频电压注入开始的时刻，t_int是高频电压注入结束的时刻；Rs是电机M的定子的电阻值。
[0052] 补偿量计算单元105根据Edh_pos和Edh_neg确定转子的旋转位置的补偿量Δθ。
[0053] 例如，补偿量计算单元105根据下式(7)确定补偿量Δθ：
[0054]
[0055] 第二旋转位置计算单元105用于将第一旋转位置θ1与补偿量Δθ相加，作为电机的转子的第二旋转位置 例如，可以表示为下式(8)：
[0056]
[0057] 根据本实施例，向旋转状态下未启动的电机注入高频电压，根据电机对该高频电压的响应电流的幅值计算转子的估计位置，并根据响应电流的幅值在不同方向的峰值，对该估计位置进行补偿，从而推定转子的位置。由此，本申请实施例能够在转子旋转且尚未启动的状态下，推定转子的位置，从而提高电机启动的速度。
[0058] 在本实施例中，高频电压发生器101所生成的高频电压uh的频率例如可以是1/20fpwm。该高频电压uh例如可以具有d轴分量udh和q轴分量uqh，该d轴分量udh和q轴分量uqh可以通过电机控制系统1的转换单元107被转换为U，V，W
三相电压uu，uv，uw，该三相电压作为驱动电压被输出给电机M，用于对电机M进行驱动。
[0059] 在本实施例中，该高频电压uh可以具有正向的成分和负向的成分。
[0060] 图2是注入的高频电压uh的d轴分量udh的一个示意图，如图2所示，该高频电压信号uh为正弦信号。但本实施例可以不限于此，例如，该高频电压信号uh也可以是将正弦信号进行
信号处理后得到的方波信号。
[0061] 在本实施例中，如图1所示，本实施例的高频电流提取单元102可以包括：电流转换单元1021和
带通滤波单元1022。
[0062] 在本实施例中，电流转换单元1021用于将电机的定子的检测电流is转换为d轴电流和q轴电流，例如，电流转换单元301可以基于前次计算得到的第二旋转位置 进行该转换，或者，在首次计算第二旋转位置 的情况下(即，还不具有前次计算得到的第二旋转位置 )，电流转换单元301可以基于第二旋转位置 的初始值进行该转换。其中，该检测电流is例如可以包括iu，iv以及iw。
[0063] 带通滤波单元1022可以分别对d轴电流和q轴电流进行带通滤波(BPF)，以分别提取d轴电流的高频分量idh和q轴电流的高频分量iqh，其中，带通滤波单元1022的滤波频带可以包含高频电压信号uh所处的频率，由此，d轴电流的高频分量idh和q轴电流的高频分量iqh的频率与高频电压uh的频率相同。
[0064] 在本实施例中，如图1所示，第一旋转位置计算单元104可以包括：乘法单元1041，低通滤波单元1042，比例积分控制单元1043以及积分器1044。
[0065] 其中，乘法单元1041和低通滤波单元1042可以形成幅值计算单元，用于计算q轴电流的高频分量iqh的幅值
[0066] 在本实施例中，乘法单元1041用于将q轴电流的高频分量iqh与高频信号相乘，高频信号与该高频电压具有相同的频率，该高频信号例如可以是sin(ωt)。
[0067] 低通滤波单元1042用于对乘法单元1041的计算结果进行低通滤波处理，q轴电流的高频分量iqh的幅值
[0068] 在本实施例中，第一旋转位置计算单元104中比例积分控制单元1043以及积分器1044可以形成角度
角速度锁相环推定单元，该角度角速度
锁相环推定单元例如是闭环一阶锁相环观测器。该角度角速度锁相环推定单元根据低通滤波单元1042的滤波结果，推定该电机的转子的角度和角速度 其中，该转子的角度表示该第一旋转位置θ1，例如：比例积分控制单元1043根据低通滤波单元1042的滤波结果，进行比例积分(PI)控制，从而推定该电机的转子的角度和角速度 积分器1044对该角速度 进行积分运算，从而得到该电机的转子的角度，即，第一旋转位置θ1。
[0069] 在本实施例中，d轴分量idh可以具有正向成分(即，正分量)和负向成分(即，负分量)。当电机M是凸极电机时，由于凸极电机电感具有因电流方向而变化的特性，因此，idh的正向成分和负向成分的幅值不相等。
[0070] 在本实施例中，如图1所示，注入能量计算单元103可以包括：电流方向实时判断单元1031以及注入能量积算单元1032。
[0071] 在本实施例中，电流方向实时判断单元1031判断d轴电流的高频分量idh的正分量idh_pos和负分量idh_neg，并分别输出该正分量idh_pos和该负分量idh_neg。在一个具体实施方式中，电流方向实时判断单元1031例如可以是信号分隔器，其将输入的idh分隔为idh_pos，idh_neg，并分别输出。
[0072] 图3是d轴电流的高频分量idh，正分量idh_pos和负分量idh_neg的一个示意图。如图3所示，输入到电流方向实时判断单元1031的idh被分隔为idh_pos，idh_neg。
[0073] 在本实施例中，注入能量积算单元1032可以分别针对正分量idh_pos和负分量idh_neg，积算在高频电压注入的时间内定子的电阻Rs上消耗的能量。例如，注入能量积算单元1032可以采用上式(5)、(6)分别计算Edh_pos和Edh_neg。
[0074] 在本实施例中，补偿量计算单元105可以基于上述的式(7)，根据如下方式计算补偿量：Edh_pos大于Edh_neg时，补偿量为0度；否则，补偿量为180度，即，π。
[0075] 图4是Edh_pos和Edh_neg的一个示意图，如图4所示，t0是高频电压注入开始的时刻，t_int是高频电压注入结束的时刻，例如，第一旋转位置计算单元104输出的第一旋转位置θ1取值稳定的时刻，比如，当第一旋转位置计算单元104输出的第一旋转位置θ1在t1时刻到t2时刻的时间段中变化幅度不超过预定值，则将时刻t1作为第一旋转位置θ1取值稳定的时刻。在图5中，Edh_pos大于Edh_neg，因此，补偿量Δθ为0度。
[0076] 在本实施例中，第二旋转位置计算单元106可以是加法器，第二旋转位置计算单元106可以将补偿量Δθ与第一旋转位置θ1相加，得到该第二旋转位置 例如，根据上述的式(8)进行计算。
[0077] 在本实施例中，如图1所示，该电机的转子位置的推定装置100还可以包括：矢量控制开启判断单元108，其根据第二旋转位置 以及速度推定误差值，判断矢量控制
算法可否开启。其中，速度推定误差值可以基于低通滤波单元1042的输出来得到，例如，可以将低通滤波单元1042的输出作为速度推定误差值；该矢量控制算法是指对电机进行矢量控制的算法，例如，把U，V，W三相电压或电流解耦成d轴和q轴的
正交的矢量，从而对电机进行控制的方法，该矢量控制算法例如可以通过图1的iq/id控制单元110和转换器107来实施。
[0078] 此外，在本实施例中，电机控制系统1还可以具有：磁通控制单元109，iq/id控制单元110，以及计算单元111，各单元的工作原理可以参考现有技术。
[0079] 例如，在本实施例中，计算单元111将转速指令ω1与PI控制器1043输出的转子速率 相减，相减的结果被输入到iq/id控制单元110，其中，转速指令ω1可以是基于用户输入而形成的指令信号；磁通控制单元109输出磁通
控制信号，用于对电机进行运动控制，该运动控制例如可以是电机调速，其中，磁通控制单元109所使用的控制方法可以有多种，例如，弱磁控制等；iq/id控制单元110根据磁通控制单元109的输出，以及ω1与 的相减结果，输出控制电压Ud，Uq，例如，iq/id控制单元110可以根据
输入信号对q轴电流iq和d轴电流iq进行比例积分(PI)运算，并且，进行id，iq的电流解耦补偿运算，从而输出控制电压Ud，Uq；控制电压Ud，Uq被输入转换器107，以生成驱动电压，其中，当有高频电压uh注入到Ud和/或Uq时，输入转换器107可以根据注入有高频电压uh的该控制电压来生成该驱动电压。
[0080] 根据本实施例，向旋转状态下未启动的电机注入高频电压，根据电机对该高频电压的响应电流的幅值计算转子的估计位置，并根据响应电流的幅值在不同方向的峰值，对该估计位置进行补偿，从而推定转子的位置。由此，本申请实施例能够在转子旋转且尚未启动的状态下，推定转子的位置，从而提高电机启动的速度。
[0081] 此外，在本实施例中，推定装置100用于在电机启动前推定转子的旋转位置。当电机启动之后，对于该电机的控制方法，可以参考现有技术。
[0082] 实施例2
[0083] 本申请实施例2提供一种电机的转子位置的推定方法，与实施例1的推定装置对应。
[0084] 图5是本实施例的电机的转子位置的推定方法的一个示意图，如图5所示，该方法包括：
[0085] 步骤501、向旋转状态下未启动的电机注入高频电压，所述高频电压的频率位于PWM调制频率和电机速度响应频率之间；
[0086] 步骤502、从所述电机的定子的电流中提取与所述高频电压具有相同频率的高频分量；
[0087] 步骤503、根据所述电流的高频分量中的q轴电流的高频分量，计算所述电机的转子的第一旋转位置；
[0088] 步骤504、分别计算在所述高频电压注入的时间内，所述电流的高频分量中的d轴电流的高频分量的正分量和负分量在所述定子的电阻上消耗的能量；
[0089] 步骤505、根据上述消耗的能量，确定所述转子的旋转位置的补偿量；以及[0090] 步骤506、将所述第一旋转位置与所述补偿量相加，作为所述电机的转子的第二旋转位置。
[0091] 本实施例的步骤502包括：
[0092] 步骤5021、将所述电机的定子的检测电流转换为d轴电流和q轴电流；以及[0093] 步骤5022、分别对d轴电流和q轴电流进行带通滤波(BPF)，以分别提取d轴电流的高频分量和q轴电流的高频分量。
[0094] 本实施例的步骤503包括：
[0095] 步骤5031、将q轴电流的高频分量和正
弦高频信号相乘，所述正弦高频信号与所述高频电压具有相同的频率；
[0096] 步骤5032、对相乘的结果进行低通滤波处理，以得到所述q轴电流的高频分量的幅值；以及
[0097] 步骤5033、根据所述q轴电流的高频分量的幅值，推定第一旋转位置。
[0098] 本实施例的步骤505中：当正分量消耗的能量值大于负分量消耗的能量值时，确定补偿量为0度；当正分量消耗的能量小于或等于所述负分量消耗的能量值时，确定补偿量为180度。
[0099] 根据本实施例，向旋转状态下未启动的电机注入高频电压，根据电机对该高频电压的响应电流的幅值计算转子的估计位置，并根据响应电流的幅值在不同方向的峰值，对该估计位置进行补偿，从而推定转子的位置。由此，本申请实施例能够在转子旋转且尚未启动的状态下，推定转子的位置，从而提高电机启动的速度。
[0100] 以上结合具体的实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本发明保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本发明的精神和原理对本发明做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本发明的范围内。
