技术领域
[0001] 本
发明涉及一种磁阻同步电机的混合无
传感器控制技术，尤其是涉及一种磁阻同步电机的控制切换过渡方法、系统和控制方法。
背景技术
[0002] 磁阻同步电机是现代工业中得到广泛应用的电机之一，具有较高的
能量转换效率和较高的转矩
密度。另一方面，高性能的磁阻同步电机驱动闭环控制，往往需要机械
位置传感器，但后者会降低系统的鲁棒性。由此，无传感器的磁阻同步电机控制方法在科学研究和工程应用中显得尤为重要。
[0003]
锁相环是
电子与通信领域中广泛使用的元器件，其基本结构包含鉴相器、
滤波器和压控
振荡器。在闭环控制系统中，尤其是在
负反馈控制系统中，
锁相环能够有效地实现输出
信号对
输入信号的自动
跟踪，使控制系统的输入与输出保持固定的
相位角度差值。
[0004] 目前，磁阻同步电机无传感器控制方法主要有两种类型。第一种类型是基于电机凸极性跟踪的方法，例如高频注入法和基本脉冲宽度调制激励法等；第二种类型是基于电机数学模型的方法，例如基于观测器，或者模型参考自适应系统法等。在一定的电机转速范围内，这些方法都行之有效，但一种无传感器控制方法很难在整个速度范围内实现正常工作，如果采用不同控制方法切换很容易导致的位置信号突变问题，导致控制系统的
稳定性降低。
发明内容
[0005] 本发明的目的就是为了克服上述
现有技术存在的
缺陷而提供一种磁阻同步电机的控制切换过渡方法、系统和控制方法，实现对磁阻同步电机更优的控制效果，保证无传感器控制的鲁棒性。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007] 一种基于锁相环的磁阻同步电机无传感器控制切换过渡方法，磁阻同步电机的控制方法包括第一控制
算法和第二控制算法，所述的第一控制算法用于控制静止和转速小于设定转速值的磁阻同步电机，所述的第二控制算法用于控制转速大于等于设定转速值的磁阻同步电机，所述的切换过渡方法采用锁相环控制方法，包括以下步骤：
[0008] 获取第一控制算法和第二控制算法各自得到的相位角度估计值，将两个相位角度估计值作差，并且将角度差值归一化为脉冲序列后作为补偿值来修正第一控制算法或第二控制算法的相位角度估计值，当两个相位角度估计值的角度差值小于设定差值后，两个控制算法进行切换。
[0009] 进一步地，所述的第一控制算法采用旋转高频注入法，所述的第二控制算法采用
扩展卡尔曼滤波法。
[0010] 一种如上述的基于锁相环的磁阻同步电机无传感器控制切换过渡方法的磁阻同步电机无传感器控制方法，通过有限状态机对磁阻同步电机进行控制，所述的有限状态机将第一控制算法、第二控制算法和切换过渡方法统一在一个逻辑
框架下。
[0011] 进一步地，所述有限状态机的状态机逻辑分为四个部分，利用程序的方法对相应的状态过渡进行标志位的设置，分别为：
[0012] 状态a、第一控制算法的观测器估计出电机控制系统反馈值；
[0013] 状态b、带有锁相环补偿的第一控制算法的观测器估计出电机控制系统反馈值；
[0014] 状态c、第二控制算法的观测器估计出电机控制系统反馈值；
[0015] 状态d、带有锁相环补偿的第二控制算法的观测器估计出电机控制系统反馈值。
[0016] 进一步地，状态机处于状态a，磁阻同步电机转速持续增长，至磁阻同步电机转速大于第一转速设定值时，状态机转入状态b，即启动切换过渡方法对第一控制算法的相位角度估计值进行补偿，直至第一控制算法和第二控制算法的相位角度估计值的角度差值小于设定差值时，状态机转入状态c。
[0017] 进一步地，状态机处于状态b，当磁阻同步电机转速小于第二转速设定值时，状态机转入状态a，所述的第二转速设定值小于第一转速设定值。
[0018] 进一步地，状态机处于状态c，磁阻同步电机转速持续减小，至磁阻同步电机转速小于第三转速设定值时，状态机转入状态d，即启动切换过渡方法对第二控制算法的相位角度估计值进行补偿，直至第一控制算法和第二控制算法的相位角度估计值的角度差值小于设定差值时，状态机转入状态a。
[0019] 进一步地，状态机处于状态d，当磁阻同步电机转速大于第四转速设定值时，状态机转入状态c，所述的第四转速设定值大于第三转速设定值。
[0020] 进一步地，当磁阻同步电机启动时，状态机开始初始化，处于状态a，此时磁阻同步电机从零转速开始增速。
[0021] 一种如上述的基于锁相环的磁阻同步电机无传感器控制切换过渡系统，切换过渡系统采用锁相环控制系统，包括归一化处理模
块和积分器，所述的归一化处理模块用于处理第一控制算法和第二算法的相位角度估计值之差，使其变为脉冲序列，所述的积分器用于处理脉冲序列使其变为锁相环补偿值，该锁相环补偿值用于修正第一控制算法或第二算法的相位角度估计值，当两个相位角度估计值的角度差值小于设定差值后，两个控制算法进行切换。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0023] 1、本发明在磁阻同步电机全速域内的混合无传感器控制中，在不同速度范围内分别采用旋转高频注入和扩展卡尔曼滤波的控制方法
基础上，引入了基于锁相环的控制切换过渡方法，利用锁相环
输出信号对输入信号的跟踪特性，以及保持控制系统输入输出之间固定
相位差的特性，解决了不同控制方法切换所导致的位置信号突变问题，使全速域内的混合无传感器控制过渡更加稳定平顺，保证了系统的鲁棒性。
[0024] 2、本发明给出了磁阻同步电机全速域内的混合无传感器控制过渡策略的完整有限状态机逻辑，将旋转高频注入和扩展卡尔曼滤波及两者相应带锁相环补偿的方法统一在一个逻辑框架之下，分为四个状态，利用程序的方法对相应的状态过渡进行标志位的设置，从
软件的角度保证实际的磁阻同步电机在不同状态之间切换时的稳定性。
附图说明
[0025] 图1为本发明的旋转高频注入法与扩展卡尔曼滤波法的位置信号角度估计值差示意图。
[0026] 图2为本发明的基于锁相环的控制结构
框图。
[0027] 图3为本发明的锁相环补偿过程示意图。
[0028] 图4为本发明的锁相环过渡策略的有限状态机示意图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图和具体
实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0030] 实施例一
[0031] 本实施例提供了一种基于锁相环的磁阻同步电机无传感器控制切换过渡方法。磁阻同步电机的控制方法包括第一控制算法和第二控制算法，第一控制算法用于控制静止和转速小于设定转速值的磁阻同步电机，第二控制算法用于控制转速大于等于设定转速值的磁阻同步电机。本实施例中第一控制算法采用旋转高频注入法(High Frequency Injection，HFI)，第二控制算法采用扩展卡尔曼滤波法(Extended Kalman Filter，EKF)。
[0032] 切换过渡方法的步骤具体为：获取第一控制算法和第二控制算法各自得到的相位角度估计值，将两个相位角度估计值作差，并且将角度差值归一化为脉冲序列后作为补偿值来修正第一控制算法或第二控制算法的相位角度估计值，当两个相位角度估计值的角度差值小于设定差值后，两个控制算法进行切换。
[0033] 上述方法通过基于锁相环的磁阻同步电机无传感器控制切换过渡系统来实现，该换过渡系统具体采用锁相环控制系统，包括归一化处理模块和积分器。归一化处理模块用于处理第一控制算法和第二算法的相位角度估计值之差，使其变为脉冲序列。积分器用于处理脉冲序列使其变为锁相环补偿值，该锁相环补偿值用于修正第一控制算法或第二算法的相位角度估计值。
[0034] 如图1所示，在图1上半部分中，旋转高频注入法估计出的位置信号角度值与扩展卡尔曼滤波法估计出的位置信号角度值存在差异，而两者之差，即角度差值可由下列方程表示：
[0035]
[0036] 式中， 表示扩展卡尔曼滤波法的相位角度估计值， 表示旋转高频注入法的相位角度估计值， 表示相位角度估计值的角度差值。
[0037] 在图1下半部分中，矩形波即为两者角度差，变化范围为从0到2π之间。在实际应用中，由于角度信号中存在高频噪声，而需要的有效信息仅仅是角度差信号的脉冲宽度，故对相位角度估计值的角度差值 进行归一化处理，作为脉冲
序列表示出来，如图3中的下半部分图所示。
[0038] 如图2所示，是本实施例的完整锁相环控制结构框图。这是一个典型的负反馈
闭环系统，可以看出相位角度估计值的角度差值 是由旋转高频注入法的相位角度估计值与扩展卡尔曼滤波法的相位角度估计值作差而来。角度差值 信号经过归一化处理得到角度差脉冲序列，然后再经过积分器对其积分，最后作为补偿用于调整旋转高频注入法估计出的相位角度值，此时该相位角度表记为
[0039] 如图3所示，是本实施例的锁相环控制系统的具体补偿过程。当经过归一化处理的角度差脉冲序列的值为1时，即在图中时域上t1到t2之间时，锁相环控制结构中的积分器激活并工作，旋转高频注入法估计出的相位角度值 经由归一化后的角度差值 补偿后变为 并反馈为最新的相位角度估计值，继续与由扩展卡尔曼滤波法的相位角度估计值作差。在这一过程中，两者的角度差值会逐渐缩小，以此实现切换过渡方法的平滑过渡。此外，考虑到在差值缩小过程中，可能存在当角度差值 大于一定值时，其值会变得不稳定的情况，因此，需要为 乘上适当的系数kc(介于0与1之间)，使其从头至尾都保持稳定，以防止该情况发生。
[0040] 实施例二
[0041] 本实施例提供了如实施例一所述的基于锁相环的磁阻同步电机无传感器控制切换过渡方法的磁阻同步电机无传感器控制方法，通过有限状态机对磁阻同步电机进行控制。有限状态机将第一控制算法、第二控制算法和切换过渡方法统一在一个逻辑框架下。
[0042] 如图4所示，有限状态机的状态机逻辑分为四个部分，利用程序的方法对相应的状态过渡进行标志位的设置，分别为：
[0043] 1-HFI：高频旋转注入观测器估计出控制系统反馈值；
[0044] 2-HFI(PLL)：带有锁相环补偿的高频旋转注入观测器估计出控制系统反馈值；
[0045] 3-EKF：扩展卡尔曼滤波观测器估计出控制系统反馈值；
[0046] 4-EKF(PLL)：带由锁相环补偿的扩展卡尔曼滤波观测器估计出控制系统反馈值。
[0047] 当磁阻同步电机启动时，状态机开始初始化，处于1-HFI状态，此时磁阻同步电机从零转速开始增速，相位角度估计值由旋转高频注入法给出。
[0048] 状态机处于1-HFI状态，磁阻同步电机转速持续增长，至磁阻同步电机转速大于第一转速设定值ω1时，状态机转入HFI(PLL)状态，即启动切换过渡方法对旋转高频注入法的相位角度估计值进行补偿，直至旋转高频注入法和卡尔曼滤波法的相位角度估计值的角度差值小于设定差值时，状态机转入EKF状态。
[0049] 状态机处于HFI(PLL)状态时，若磁阻同步电机转速小于第二转速设定值ω2，状态机重新转入HFI状态。第二转速设定值ω2小于第一转速设定值ω1。
[0050] 状态机处于EKF状态时，磁阻同步电机转速持续减小，至磁阻同步电机转速小于第三转速设定值ω3时，状态机转入EKF(PLL)状态，即启动切换过渡方法对卡尔曼滤波法的相位角度估计值进行补偿，直至旋转高频注入法和卡尔曼滤波法的相位角度估计值的角度差值小于设定差值时，状态机转入状态HFI。
[0051] 状态机处于EKF(PLL)状态时，若磁阻同步电机转速大于第四转速设定值ω4时，状态机重新转入EKF状态。第四转速设定值ω4大于第三转速设定值ω3。
[0052] 由于高频
电压波纹总是伴随信号发生，因此在本实施例中的有限状态机的状态转换之间，运用了转换速度临界值
迟滞的方法来解决这一问题。如图4所示，状态1-HFI与状态2-HFI(PLL)之间相互转换的电机临界转速并不一样，从1-HFI到2-HFI(PLL)需要电机转速达到ω1，而从2-HFI(PLL)到1-HFI，则需要速度下降至ω2以下；3-EFK和4-EKF(PLL)之间的相互转换同理，从前者到后者需要电机转速在ω3以上，而从后者到前者需要电机转速下降至ω4以下。这四个电机转速大小关系为：
[0053] ω4＞ω3＞ω1＞ω2
[0054] 换言之，同一速域内的状态转换速度临界值存在迟滞，其差值远远大于电压波纹的幅值，避免了单一临界值所导致的有限状态机不稳定状态，杜绝了状态之间来回快速跳变的不良现象。
[0055] 上述有限状态机能够通过以下控制策略实现，该策略包括如下步骤：
[0056] (1)在电机静止和低速范围内，使用旋转高频注入法来实现无传感器控制；
[0057] (2)在步骤(1)所指明的速度范围以外，使用扩展卡尔曼滤波观测器法来实现无传感器控制；
[0058] (3)使用基于锁相环的策略，来使步骤(1)和步骤(2)中不同速度范围内的无传感器控制方法完成平滑过渡。
[0059] 步骤(1)所述旋转高频注入法，即由旋转高频注入观测器估计出电机闭环控制系统的反馈值，当速度持续上升，超过一定值时，启动锁相环实现跟踪。若速度超过临界值，则状态过渡标志位置位，此时转入(2)。
[0060] 步骤(2)所述扩展卡尔曼滤波，即卡尔曼滤波的非线性版本，由其观测器估计出电机闭环控制系统的反馈值，当速度小于一定值时，启动锁相环实现跟踪。若速度小于临界值，则状态过渡标志位置位，此时转入步骤(1)。
[0061] 所述步骤(1)与步骤(2)之间的过渡，由步骤(3)中基于锁相环的策略完成。步骤(3)所述控制方法的过渡时机，由速度信号 和位置信号 这两个相关的变量共同决定，两者均是整个磁阻同步电机控制环中的反馈值。本发明主要聚焦于观测器对位置信号 的估计，而位置信号可以被描述为从0到2π之间的角度。
[0062] 步骤(1)和步骤(2)中相应的观测器给出的位置信号之差，是步骤(3)中判断控制方法是否过渡的关键。当基于锁相环的过渡策略启动时，旋转高频注入观测器估计出的位置信号与扩展卡尔曼滤波观测器估计出的位置信号会趋于重叠，并由锁相环锁定两者之差，实现平滑的控制方法过渡。
[0063] 步骤(1)与步骤(2)所述状态过渡标志位是否置位，由有限状态机从软件程序逻辑上表示，程序会持续检测两种控制方法的位置信号之差。
[0064] 总的来说，本实施例中的有限状态机逻辑中包含了四种状态，按磁阻同步电机状态和转速大小之分，设置了两个状态过渡标志位，从软件的角度保证实际的磁阻同步电机在不同状态之间切换时的稳定性，而这与基于锁相环的平滑过渡策略密不可分。
[0065] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多
修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由
权利要求书所确定的保护范围内。
