永磁同步电机角度滤波方法及系统
阅读：874发布：2020-05-08
专利汇可以提供永磁同步电机角度滤波方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种永磁同步 电机 角 度滤波方法及系统。所述方法包括：根据永磁同步电机 转子 当前时刻的 位置 角度和前一时刻的角度观测值确定观测误差；对所述观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值得到当前时刻的角度观测值；对所述角度观测值进行延时补偿得到电机角度以用于电机控制，本发明可有效滤除角度中的噪声，从而有效改善电机控制性能。，下面是永磁同步电机角度滤波方法及系统专利的具体信息内容。
1.一种永磁同步电机角度滤波方法，其特征在于，包括：
根据永磁同步电机转子当前时刻的位置角度和前一时刻的角度观测值确定观测误差；
对所述观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值得到当前时刻的角度观测值；
对所述角度观测值进行延时补偿得到电机角度以用于电机控制。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机角度滤波方法，其特征在于，所述根据永磁同步电机转子当前时刻的位置角度和前一时刻的角度观测值确定观测误差具体包括：
对永磁同步电机转子的位置角度进行正弦变换和余弦变换；
根据正弦变换和余弦变换的位置角度和前一时刻的角度观测值的正弦变换和余弦变换得到观测误差。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机角度滤波方法，其特征在于，所述方法进一步包括在根据正弦变换和余弦变换的位置角度和前一时刻的角度观测值的正弦变换和余弦变换得到观测误差，之前：
对正弦变换和余弦变换后的位置角度进行低通滤波。
4.根据权利要求1-3任一项所述的永磁同步电机角度滤波方法，其特征在于，所述方法进一步包括在对所述观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值得到当前时刻的角度观测值，之前：
对所述观测误差进行限幅处理。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机角度滤波方法，其特征在于，所述对所述观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值得到当前时刻的角度观测值具体包括：
对所述观测误差进行比例调节并对所有时刻观测误差进行积分调节得到电机角速度观测值；
将所述角速度观测值和采样时刻间隔相乘后与前一时刻的角度观测值叠加得到当前时刻的角度观测值。
6.一种永磁同步电机角度滤波系统，其特征在于，包括：
误差确定单元，用于根据永磁同步电机转子当前时刻的位置角度和前一时刻的角度观测值确定观测误差；
角度确定单元，用于对所述观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值得到当前时刻的角度观测值；
角度补偿单元，用于对所述角度观测值进行延时补偿得到电机角度以用于电机控制。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机角度滤波系统，其特征在于，所述误差确定单元具体用于对永磁同步电机转子的位置角度进行正弦变换和余弦变换，根据正弦变换和余弦变换的位置角度和前一时刻的角度观测值的正弦变换和余弦变换得到观测误差。
8.根据权利要求7所述的永磁同步电机角度滤波系统，其特征在于，进一步包括低通滤波单元，用于在根据正弦变换和余弦变换的位置角度和前一时刻的角度观测值的正弦变换和余弦变换得到观测误差，之前对正弦变换和余弦变换后的位置角度进行低通滤波。
9.根据权利要求6-8任一项所述的永磁同步电机角度滤波系统，其特征在于，进一步包括误差限幅单元，用于在对所述观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值得到当前时刻的角度观测值之前对所述观测误差进行限幅处理。
10.根据权利要求6所述的永磁同步电机角度滤波系统，其特征在于，所述角度确定单元具体用于对所述观测误差进行比例调节并对所有时刻观测误差进行积分调节得到电机角速度观测值，将所述角速度观测值和采样时刻间隔相乘后与前一时刻的角度观测值叠加得到当前时刻的角度观测值。
11.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，
所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5任一项所述方法。
12.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，
该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述方法。
永磁同步电机角度滤波方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及交流电机技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机角度滤波方法及系统。
背景技术
[0002] 永磁同步电机牵引传动系统通常通过旋转变压器获取永磁电机转子位置角度。由于电磁干扰等因素，采集到的电机角度通常出现较大的毛刺，降低了电流控制性能，甚至导致因电机过流而停机的情况。在实际应有场合中，通常采用坏点剔除等方式对角度信号进行处理，该方法简单易行，计算量较小。但此方法仅适用于角度毛刺干扰较少的情况，当角度信号出现连续的毛刺干扰时，难以通过坏点剔除的方法实现角度滤波。
发明内容
[0003] 本发明的一个目的在于提供一种永磁同步电机角度滤波方法，有效滤除角度中的噪声，从而有效改善电机控制性能。本发明的另一个目的在于提供一种永磁同步电机角度滤波系统。本发明的再一个目的在于提供一种计算机设备。本发明的还一个目的在于提供一种可读介质。
[0004] 为了达到以上目的，本发明一方面公开了一种永磁同步电机角度滤波方法，包括：
[0005] 根据永磁同步电机转子当前时刻的位置角度和前一时刻的角度观测值确定观测误差；
[0006] 对所述观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值得到当前时刻的角度观测值；
[0007] 对所述角度观测值进行延时补偿得到电机角度以用于电机控制。
[0008] 优选的，所述根据永磁同步电机转子当前时刻的位置角度和前一时刻的角度观测值确定观测误差具体包括：
[0009] 对永磁同步电机转子的位置角度进行正弦变换和余弦变换；
[0010] 根据正弦变换和余弦变换的位置角度和前一时刻的角度观测值的正弦变换和余弦变换得到观测误差。
[0011] 优选的，所述方法进一步包括在根据正弦变换和余弦变换的位置角度和前一时刻的角度观测值的正弦变换和余弦变换得到观测误差，之前：
[0012] 对正弦变换和余弦变换后的位置角度进行低通滤波。
[0013] 优选的，所述方法进一步包括在对所述观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值得到当前时刻的角度观测值，之前：
[0014] 对所述观测误差进行限幅处理。
[0015] 优选的，所述对所述观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值得到当前时刻的角度观测值具体包括：
[0016] 对所述观测误差进行比例调节并对所有时刻观测误差进行积分调节得到电机角速度观测值；
[0018] 本发明还公开了一种永磁同步电机角度滤波系统，包括：
[0019] 误差确定单元，用于根据永磁同步电机转子当前时刻的位置角度和前一时刻的角度观测值确定观测误差；
[0020] 角度确定单元，用于对所述观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值得到当前时刻的角度观测值；
[0021] 角度补偿单元，用于对所述角度观测值进行延时补偿得到电机角度以用于电机控制。
[0022] 优选的，所述误差确定单元具体用于对永磁同步电机转子的位置角度进行正弦变换和余弦变换，根据正弦变换和余弦变换的位置角度和前一时刻的角度观测值的正弦变换和余弦变换得到观测误差。
[0023] 优选的，进一步包括低通滤波单元，用于在根据正弦变换和余弦变换的位置角度和前一时刻的角度观测值的正弦变换和余弦变换得到观测误差，之前对正弦变换和余弦变换后的位置角度进行低通滤波。
[0024] 优选的，进一步包括误差限幅单元，用于在对所述观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值得到当前时刻的角度观测值之前对所述观测误差进行限幅处理。
[0025] 优选的，所述角度确定单元具体用于对所述观测误差进行比例调节并对所有时刻观测误差进行积分调节得到电机角速度观测值，将所述角速度观测值和采样时刻间隔相乘后与前一时刻的角度观测值叠加得到当前时刻的角度观测值。
[0027] 所述处理器执行所述程序时实现如上所述方法。
[0028] 本发明还公开了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，
[0029] 该程序被处理器执行时实现如上所述方法。
[0030] 本发明通过前一时刻得到的角度观测值和采集的当前时刻的位置角度确定角度观测误差，对观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值能够得到当前时刻的角度观测值，然后对角度观测值进行延时补偿得到电机控制的电机角度。本发明通过采用前一时刻的角度观测值对当前时刻采集得到的电机位置角度进行反馈调节，能够有效滤除电机角度中的噪声干扰，当角度波形中出现连续的角度毛刺干扰时，本发明仍能够有效去除毛刺，实现简单，计算量较小，从而有效改善电机控制性能。并且，本发明对得到的角度观测值能够有效的补偿数字延时，避免了算法引起的角度滞后。附图说明
[0031] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032] 图1示出现有技术中电机控制系统的结构图；
[0033] 图2示出本发明永磁同步电机角度滤波方法一个具体实施例的流程图之一；
[0034] 图3示出本发明永磁同步电机角度滤波方法一个具体实施例的流程图之二；
[0035] 图4示出本发明永磁同步电机角度滤波方法一个具体例子的信号处理流程图；
[0036] 图5示出本发明永磁同步电机角度滤波方法一个具体实施例的流程图之三；
[0037] 图6示出本发明永磁同步电机角度滤波方法一个具体实施例的流程图之四；
[0038] 图7示出本发明永磁同步电机角度滤波方法一个具体实施例的流程图之五；
[0039] 图8示出本发明永磁同步电机角度滤波方法一个具体算例中的原始角度波形图；
[0040] 图9示出本发明永磁同步电机角度滤波方法一个具体算例中的滤波后的电机角度波形图；
[0041] 图10示出本发明永磁同步电机角度滤波系统一个具体实施例形成的电机控制系统的结构图；
[0042] 图11示出本发明永磁同步电机角度滤波系统一个具体实施例的结构图之一；
[0043] 图12示出本发明永磁同步电机角度滤波系统一个具体实施例的结构图之二；
[0044] 图13示出本发明永磁同步电机角度滤波系统一个具体实施例的结构图之三；
[0045] 图14示出适于用来实现本发明实施例的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
[0046] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
[0047] 如图1所示，现有的电机控制系统采用电流闭环的控制模式。电机位置传感器获取永磁电机转子位置角度θ，该位置角度θ用于电机三相电流的坐标变换和PWM脉冲生成。电流变换模块检测逆变器输出的驱动电流，分析电机的驱动电流和电机转子位置角度θ，输出电机d轴和q轴的电流调节指令id和iq，分别与d轴和q轴的电流指令 和 反相叠加后输出至PI调节器。PI调节器对反相叠加后的电流指令进行比例积分调节，分别得到d轴和q轴的电压指令 和 将 和 传输至PWM脉冲模块。PWM脉冲模块根据d轴和q轴的电压指令 和输出PWM脉冲，实现对逆变器中开关器件的控制，以实现对电机运转的控制。电流变换模块通过改变d轴和q轴的电流指令来实现对电机输出转矩的调节。
[0048] 基于现有电机控制系统中电机位置传感器获取的位置角度信号出现毛刺干扰的问题，基于本发明的一个方面，本实施例公开了一种永磁同步电机角度滤波方法。如图2所示，本实施例中，所述方法包括：
[0049] S100：根据永磁同步电机转子当前时刻的位置角度和前一时刻的角度观测值确定观测误差。
[0050] S200：对所述观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值得到当前时刻的角度观测值。
[0051] S300：对所述角度观测值进行延时补偿得到电机角度以用于电机控制。
[0052] 本发明通过前一时刻得到的角度观测值和采集的当前时刻的位置角度确定角度观测误差，对观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值能够得到当前时刻的角度观测值，然后对角度观测值进行延时补偿得到电机控制的电机角度。本发明通过采用前一时刻的角度观测值对当前时刻采集得到的电机位置角度进行反馈调节，能够有效滤除电机角度中的噪声干扰，当角度波形中出现连续的角度毛刺干扰时，本发明仍能够有效去除毛刺，实现简单，计算量较小，从而有效改善电机控制性能。并且，本发明对得到的角度观测值能够有效的补偿数字延时，避免了算法引起的角度滞后。
[0053] 在优选的实施方式中，如图3所示，所述S100具体包括：
[0054] S110：对永磁同步电机转子的位置角度进行正弦变换和余弦变换。
[0055] S120：根据正弦变换和余弦变换的位置角度和前一时刻的角度观测值的正弦变换和余弦变换得到观测误差。
[0056] 具体的，在一个具体例子中，如图4所示，可将当前时刻k采集到的角度θ[k]进行正弦和余弦变换，得到一组正交的信号，可通过以下公式得到正弦变换和余弦变换后的位置角度v1[k]和v2[k]：
[0057] v1[k]＝sin(θ[k])
[0058] v2[k]＝cos(θ[k])
[0059] 进一步的，可通过以下公式得到观测误差e[k]
[0060]
[0061] 其中， 为前一时刻k-1的角度观测值。
[0062] 在优选的实施方式中，如图5所示，所述方法进一步包括在S120之前：
[0063] S111：对正弦变换和余弦变换后的位置角度进行低通滤波。
[0064] 可以理解的是，对正弦变换和余弦变换后的位置角度进行低通滤波，可以滤除角度毛刺引入的高频分量。对于上述具体例子，对正弦变换和余弦变换后的位置角度v1[k]和v2[k]低通滤波后得到v1_Lp和v2_Lp。在求取观测误差e[k]时，通过低通滤波后的v1_Lp和v2_Lp计算观测误差，降低观测误差携带的干扰因素，则观测误差e[k]可通过以下公式计算得到：
[0065]
[0066] 在优选的实施方式中，如图6所示，所述方法进一步还包括在S200之前的步骤：
[0067] S130：对所述观测误差进行限幅处理。对观测误差进行限幅可进一步降低角度毛刺的影响，可对得到的限幅后的角度误差eLmt[k]进行PI调节，并进一步得到当前时刻的角度观测值。
[0068] 在优选的实施方式中，如图7所示，所述S200具体包括：
[0069] S210：对所述观测误差进行比例调节并对所有时刻观测误差进行积分调节得到电机角速度观测值。
[0070] S220：将所述角速度观测值和采样时刻间隔相乘后与前一时刻的角度观测值叠加得到当前时刻的角度观测值。
[0071] 具体的，可将观测误差输入至PI调节器中，通过PI调节器对观测误差进行比例和积分调节输出电机角速度观测值。例如，在一个具体例子中，可通过PI调节器按照以下对观测误差进行PI调节，得到角速度观测值
[0072]
[0073] 其中，kp和ki分别为PI调节器的比例和积分系数，Ts为采样周期，即当前时刻和前一时刻的时间间隔为采样周期Ts。
[0074] 进一步的，可对角速度观测值 进行积分，并将积分得到的误差量叠加至前一时刻的角度观测值，得到当前时刻的角度观测值 使角度观测值的过渡平滑，避免出现毛刺。可通过以下公式对 积分得到角度观测值
[0075]
[0076] 在优选的实施方式中，为消除数字延时的影响，需对角度观测值进行补偿。最终得到电机角度输出值 经过角度滤波后，控制系统采用滤波后的角度 进行电流变换和PWM脉冲生成，用于电机控制。具体的，可通过以下计算公式对角度观测值进行补偿：
[0077]
[0078] 在一个具体算例中，图8所示了现有的永磁电机位置传感器输出的电机原始角度，由于电磁干扰等原因，原始角度中含有大量的噪声干扰。图9示出对现有的永磁电机位置传感器输出的电机角度滤波后得到的电机角度的波形，从图中可以看出，滤波后的角度波形不再含有噪声信号，并且与原始角度的相位基本一致。表明本发明所述的方法有效的滤除了噪声干扰，未带来额外的延时或相位滞后。
[0079] 基于相同原理，如图10所示，本实施例还公开了一种永磁同步电机角度滤波系统。如图11所示，本实施例中，所述系统包括误差确定单元11、角度确定单元12和角度补偿单元
13。
13。
[0080] 其中，所述误差确定单元11用于根据永磁同步电机转子当前时刻的位置角度和前一时刻的角度观测值确定观测误差。
[0081] 所述角度确定单元12用于对所述观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值得到当前时刻的角度观测值。
[0082] 所述角度补偿单元13用于对所述角度观测值进行延时补偿得到电机角度以用于电机控制。
[0083] 在优选的实施方式中，所述误差确定单元11具体用于对永磁同步电机转子的位置角度进行正弦变换和余弦变换，根据正弦变换和余弦变换的位置角度和前一时刻的角度观测值的正弦变换和余弦变换得到观测误差。
[0084] 在优选的实施方式中，如图12所示，所述系统进一步包括低通滤波单元14。所述低通滤波单元14用于在根据正弦变换和余弦变换的位置角度和前一时刻的角度观测值的正弦变换和余弦变换得到观测误差，之前对正弦变换和余弦变换后的位置角度进行低通滤波。
[0085] 在优选的实施方式中，如图13所示，所述系统进一步包括误差限幅单元15。误差限幅单元15用于在对所述观测误差进行PI调节并基于前一时刻的角度观测值得到当前时刻的角度观测值之前对所述观测误差进行限幅处理。
[0086] 在优选的实施方式中，所述角度确定单元12具体用于对所述观测误差进行比例调节并对所有时刻观测误差进行积分调节得到电机角速度观测值，将所述角速度观测值和采样时刻间隔相乘后与前一时刻的角度观测值叠加得到当前时刻的角度观测值。
[0087] 由于该系统解决问题的原理与以上方法类似，因此本系统的实施可以参见方法的实施，在此不再赘述。
[0088] 上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机设备，具体的，计算机设备例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
[0089] 在一个典型的实例中计算机设备具体包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述方法。
[0090] 下面参考图14，其示出了适于用来实现本申请实施例的计算机设备600的结构示意图。
[0091] 如图14所示，计算机设备600包括中央处理单元(CPU)601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(RAM))603中的程序而执行各种适当的工作和处理。在RAM603中，还存储有系统600操作所需的各种程序和数据。CPU601、ROM602、以及RAM603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O)接口605也连接至总线604。
[0092] 以下部件连接至I/O接口605：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶反馈器(LCD)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如LAN卡，调制解调器等的网络接口卡的通信部分609。通信部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至I/O接口605。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装如存储部分608。
[0093] 特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在机器可读介质上的计算机程序，所述计算机程序包括用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。
[0094] 计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
[0096] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0097] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0098] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0099] 还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0100] 本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0101] 本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
[0102] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
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