带LC滤波器的永磁同步电机磁极位置估计方法及系统与流程

本发明涉及电机驱动和变频调速领域，特别是涉及一种带lc滤波器的永磁同步电机磁极位置估计方法及系统。

背景技术：

随着材料技术和制造工艺的不断提高，高速/超高速永磁同步电机驱动系统的应用越来越广泛。目前，在永磁同步电机速度提高以后，对其驱动系统的驱动控制提出了更高的要求，其中就包括降低驱动系统中变频器的输出信号所含的电流谐波。现有技术中，为了降低变频器的输出信号所含的电流谐波，通常在变频器和电机之间增设lc滤波器。但是，lc滤波器的数学模型与电机的数学模型会发生耦合，使得变频器的输出负载模型更加复杂，从而导致单纯以电机模型为基础的永磁同步电机磁极位置估计方法，不再适用于这类系统。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种带lc滤波器的永磁同步电机磁极位置估计方法及系统，实现了对永磁同步电机稳态磁极位置的估计。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种带lc滤波器的永磁同步电机磁极位置估计方法，包括：

获取变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数；

根据所述变频器的输出参数和所述lc滤波器的无源元件参数，利用所述变频器、所述lc滤波器和电机电压/电流之间的稳态相量关系，得出电机输出电压um、电机输出电流im及电机功率因数角θm；

根据求取电机输出电压相量和电机反电势eo的夹角σ；其中，xq为电机交轴感抗，rs为电机定子电阻；

根据求取电机转子磁极角度其中，θu为所述电机输出电压相量和电机a轴的夹角。

优选地，所述获取变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数的过程，包括：

获取变频器输出电压uo、变频器输出电流io及变频器功率因数角θo，并获取lc滤波器的电感参数l和电容参数c；

且根据所述变频器的输出参数和所述lc滤波器的无源元件参数，利用所述变频器、所述lc滤波器和电机电压/电流之间的稳态相量关系，得出电机输出电压um的过程，包括：

根据求取所述lc滤波器中电感的压降ul；其中，为变频器输出电流相量，为所述电感的压降相量；

根据β＝90°+θo求取电机输出电压um；其中，β为所述电感的压降相量和变频器输出电压相量的夹角。

优选地，根据所述变频器的输出参数和所述lc滤波器的无源元件参数，利用所述变频器、所述lc滤波器和电机电压/电流之间的稳态相量关系，得出电机输出电流im的过程，包括：

根据求取所述lc滤波器中电容的电流ic；其中，为所述电容的电流相量；

根据求取所述变频器输出电压相量和所述电机输出电压相量的夹角δ；

根据求取电机输出电流im；其中，为所述变频器输出电流相量与所述电容的电流相量的夹角。

优选地，根据所述变频器的输出参数和所述lc滤波器的无源元件参数，利用所述变频器、所述lc滤波器和电机电压/电流之间的稳态相量关系，得出电机功率因数角θm的过程，包括：

根据求取电机输出电流相量和所述电容的电流相量的夹角α；

根据θm＝90°-α求取电机功率因数角θm。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种带lc滤波器的永磁同步电机磁极位置估计系统，包括：

参数获取模块，用于获取变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数；

电机推算模块，用于根据所述变频器的输出参数和所述lc滤波器的无源元件参数，利用所述变频器、所述lc滤波器和电机电压/电流之间的稳态相量关系，得出电机输出电压um、电机输出电流im及电机功率因数角θm；

夹角求取模块，用于根据求取电机输出电压相量和电机反电势eo的夹角σ；其中，xq为电机交轴感抗，rs为电机定子电阻；

磁极确定模块，用于根据求取电机转子磁极角度其中，θu为电机输出电压相量和电机a轴的夹角。

优选地，所述参数获取模块具体用于获取变频器输出电压uo、变频器输出电流io及变频器功率因数角θo，并获取lc滤波器的电感参数l和电容参数c；

且所述电机推算模块包括电压推算子模块、电流推算子模块及功率因数角推算子模块；其中，所述电压推算子模块包括：

电感压降求取单元，用于根据求取所述lc滤波器中电感的压降ul；其中，为变频器输出电流相量，为所述电感的压降相量；

电机电压求取单元，用于根据β＝90°+θo求取电机输出电压um；其中，β为所述电感的压降相量和变频器输出电压相量的夹角。

优选地，所述电流推算子模块包括：

电容电流求取单元，用于根据求取所述lc滤波器中电容的电流ic；其中，为所述电容的电流相量；

电压夹角求取单元，用于根据求取所述变频器输出电压相量和所述电机输出电压相量的夹角δ；

电机电流求取单元，用于根据求取电机输出电流im；其中，为所述变频器输出电流相量与所述电容的电流相量的夹角。

优选地，所述功率因数角推算子模块包括：

电流夹角求取单元，用于根据求取电机输出电流相量和所述电容的电流相量的夹角α；

功率因数角求取单元，用于根据θm＝90°-α求取电机功率因数角θm。

本发明提供了一种带lc滤波器的永磁同步电机磁极位置估计方法，包括：获取变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数；根据变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数，利用变频器、lc滤波器和电机电压/电流之间的稳态相量关系，得出电机输出电压um、电机输出电流im及电机功率因数角θm；根据求取电机输出电压相量和电机反电势eo的夹角σ；根据求取电机转子磁极角度

可见，本申请根据变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数，利用变频器、lc滤波器和电机电压/电流之间的稳态相量关系，可推算出电机端的电压、电流幅值及功率因数角，从而求取电机转子磁极角度，以实现对永磁同步电机稳态磁极位置的估计。

本发明还提供了一种带lc滤波器的永磁同步电机磁极位置估计系统，与上述估计方法具有相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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。

图1为本发明实施例提供的一种带lc滤波器的永磁同步电机磁极位置估计方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种带lc滤波器的永磁同步电机驱动系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种永磁同步电机的稳态相量图；

图4为本发明实施例提供的一种带lc滤波器的永磁同步电机驱动系统的等效电路图；

图5为本发明实施例提供的一种变频器、lc滤波器和电机电压/电流的稳态相量图；

图6为本发明实施例提供的一种带lc滤波器的永磁同步电机磁极位置估计系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种带lc滤波器的永磁同步电机磁极位置估计方法及系统，实现了对永磁同步电机稳态磁极位置的估计。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种带lc滤波器的永磁同步电机磁极位置估计方法的流程图。

该带lc滤波器的永磁同步电机磁极位置估计方法包括：

步骤s1：获取变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数。

步骤s2：根据变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数，利用变频器、lc滤波器和电机电压/电流之间的稳态相量关系，得出电机输出电压um、电机输出电流im及电机功率因数角θm。

步骤s3：根据求取电机输出电压相量和电机反电势eo的夹角σ。

其中，xq为电机交轴感抗，rs为电机定子电阻。

步骤s4：根据求取电机转子磁极角度

其中，θu为电机输出电压相量和电机a轴的夹角。

具体地，对步骤s1～步骤s4所提出的永磁同步电机磁极位置的估计方法进行原理说明：

请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种带lc滤波器的永磁同步电机驱动系统的结构示意图。图2中，变频器(ac-dc-ac)将交流工频输入电源转化为特定频率特定幅值的交流电源。由于变频器采用pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)调制策略，所以变频器的输出信号中含有较多谐波成分。这些谐波成分会增加电机的损耗，导致电机发热严重。为减小变频器的输出信号中所含的谐波成分，通常在变频器的输出端增加lc滤波器，通过调整lc滤波器的截止频率，可使电机端的电压和电流谐波满足要求。

请参照图3，图3为本发明实施例提供的一种永磁同步电机的稳态相量图。图3中，eo为电机反电势，为电机输出电流相量(im为电机输出电流)，为电机输出电压相量(um为电机输出电压)，rs为电机定子电阻，xd为电机直轴感抗，xq为电机交轴感抗，θm为电机功率因数角(电机输出电压相量和电机输出电流相量的夹角)，ωe为同步电机旋转角频率(rad/s)，θu为电机输出电压相量和电机a轴的夹角，σ为δ-γ坐标系和d-q坐标系之间的夹角(电机输出电压相量和电机反电势eo的夹角)，为永磁同步电机转子磁极角度(转子磁极d轴相对于电机a轴的夹角)。

稳态下，α-β坐标系下的电流到δ-γ坐标系的变换如下：

δ-γ坐标系下的电流到d-q坐标系的变换如下：

从图3的稳态相量图可知，电机输出电压相量和电机反电势eo的夹角为：

于是，得到永磁同步电机转子磁极角度：

由于电机a轴的夹角θu是已知量，所以要想得到永磁同步电机转子磁极角度只需求取电机输出电压相量和电机反电势eo的夹角σ即可。由公式(1)可知，求取电机输出电压相量和电机反电势eo的夹角σ，需求取电机输出电压um、电机输出电流im及电机功率因数角θm(电机交轴感抗xq、电机定子电阻rs是已知量)。

对于求取电机输出电压um、电机输出电流im及电机功率因数角θm，包括：首先获取变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数，然后根据变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数，利用变频器、lc滤波器和电机电压/电流之间的稳态相量关系，得出电机输出电压um、电机输出电流im及电机功率因数角θm。

本发明提供了一种带lc滤波器的永磁同步电机磁极位置估计方法，包括：获取变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数；根据变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数，利用变频器、lc滤波器和电机电压/电流之间的稳态相量关系，得出电机输出电压um、电机输出电流im及电机功率因数角θm；根据求取电机输出电压相量和电机反电势eo的夹角σ；根据求取电机转子磁极角度

可见，本申请根据变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数，利用变频器、lc滤波器和电机电压/电流之间的稳态相量关系，可推算出电机端的电压、电流幅值及功率因数角，从而求取电机转子磁极角度，以实现对永磁同步电机稳态磁极位置的估计。

在上述实施例的基础上：

作为一种可选地实施例，获取变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数的过程，包括：

获取变频器输出电压uo、变频器输出电流io及变频器功率因数角θo，并获取lc滤波器的电感参数l和电容参数c；

且根据变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数，利用变频器、lc滤波器和电机电压/电流之间的稳态相量关系，得出电机输出电压um的过程，包括：

根据求取lc滤波器中电感的压降ul；其中，为变频器输出电流相量，为电感的压降相量；

根据β＝90°+θo求取电机输出电压um；其中，β为电感的压降相量和变频器输出电压相量的夹角。

具体地，请参照图4，图4为本发明实施例提供的一种带lc滤波器的永磁同步电机驱动系统的等效电路图。图4中，为变频器输出电压相量(uo为变频器输出电压)，为变频器输出电流相量(io为变频器输出电流)，为lc滤波器中电感的电压相量(ul为电感电压，相位上垂直于变频器输出电流io)，为lc滤波器中电容的电流相量(ic为电容电流，相位上垂直于电机输出电压um)。

请参照图5，图5为本发明实施例提供的一种变频器、lc滤波器和电机电压/电流的稳态相量图。图5中，γ为电容的电流相量和电机输出电流相量的夹角，β为电感的电压相量和变频器输出电压相量的夹角，θo为变频器功率因数角(变频器输出电压相量和变频器输出电流相量的夹角)，θm为电机输出电压相量和电机输出电流相量的夹角。其中，β＝90°+θo≥90°，γ＝90°+θm≥90°，α＝180°-γ＝90°-θm≤90°。

lc滤波器中电感的压降：其中，l为lc滤波器的电感参数。

在三角形中，根据余弦定理得出：

综上，根据公式(3)和公式(4)求取电机输出电压um的过程，包括：

获取变频器输出电压uo、变频器输出电流io及变频器功率因数角θo，并获取lc滤波器的电感参数l；

根据公式(3)求取lc滤波器中电感的压降ul；

根据公式(4)及β＝90°+θo求取电机输出电压um。

作为一种可选地实施例，根据变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数，利用变频器、lc滤波器和电机电压/电流之间的稳态相量关系，得出电机输出电流im的过程，包括：

根据求取lc滤波器中电容的电流ic；其中，为电容的电流相量；

根据求取变频器输出电压相量和电机输出电压相量的夹角δ；

根据求取电机输出电流im；其中，为变频器输出电流相量与电容的电流相量的夹角。

具体地，lc滤波器中电容的电流：其中，c为lc滤波器的电容参数。

变频器输出电压相量和电机输出电压相量的夹角：

变频器输出电流相量与电容的电流相量的夹角：

在三角形中，根据余弦定理得出：

综上，根据公式(5)-公式(8)求取电机输出电流im的过程，包括：

获取lc滤波器的电容参数c；

根据公式(5)求取lc滤波器中电容的电流ic；

根据公式(6)求取变频器输出电压相量和电机输出电压相量的夹角δ；

根据公式(7)求取变频器输出电流相量与电容的电流相量的夹角

根据公式(8)求取电机输出电流im。

作为一种可选地实施例，根据变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数，利用变频器、lc滤波器和电机电压/电流之间的稳态相量关系，得出电机功率因数角θm的过程，包括：

根据求取电机输出电流相量和电容的电流相量的夹角α；

根据θm＝90°-α求取电机功率因数角θm。

具体地，电机输出电流相量和电容的电流相量的夹角：

电机功率因数角：θm＝180°-α-90°＝90°-α(10)。

综上，根据公式(9)和公式(10)求取电机功率因数角θm的过程，包括：

根据公式(9)求取电机输出电流相量和电容的电流相量的夹角α；

根据公式(10)θm＝90°-α求取电机功率因数角θm。

请参照图6，图6为本发明实施例提供的一种带lc滤波器的永磁同步电机磁极位置估计系统的结构示意图。

该带lc滤波器的永磁同步电机磁极位置估计系统包括：

参数获取模块1，用于获取变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数；

电机推算模块2，用于根据变频器的输出参数和lc滤波器的无源元件参数，利用变频器、lc滤波器和电机电压/电流之间的稳态相量关系，得出电机输出电压um、电机输出电流im及电机功率因数角θm；

夹角求取模块3，用于根据求取电机输出电压相量和电机反电势eo的夹角σ；其中，xq为电机交轴感抗，rs为电机定子电阻；

磁极确定模块4，用于根据求取电机转子磁极角度其中，θu为电机输出电压相量和电机a轴的夹角。

作为一种可选地实施例，参数获取模块1具体用于获取变频器输出电压uo、变频器输出电流io及变频器功率因数角θo，并获取lc滤波器的电感参数l和电容参数c；

且电机推算模块2包括电压推算子模块、电流推算子模块及功率因数角推算子模块；其中，电压推算子模块包括：

电感压降求取单元，用于根据求取lc滤波器中电感的压降ul；其中，为变频器输出电流相量，为电感的压降相量；

电机电压求取单元，用于根据β＝90°+θo求取电机输出电压um；其中，β为电感的压降相量和变频器输出电压相量的夹角。

作为一种可选地实施例，电流推算子模块包括：

电容电流求取单元，用于根据求取lc滤波器中电容的电流ic；其中，为电容的电流相量；

电压夹角求取单元，用于根据求取变频器输出电压相量和电机输出电压相量的夹角δ；

电机电流求取单元，用于根据求取电机输出电流im；其中，为变频器输出电流相量与电容的电流相量的夹角。

作为一种可选地实施例，功率因数角推算子模块包括：

电流夹角求取单元，用于根据求取电机输出电流相量和电容的电流相量的夹角α；

功率因数角求取单元，用于根据θm＝90°-α求取电机功率因数角θm。

本申请提供的估计系统的介绍请参考上述估计方法的实施例，本申请在此不再赘述。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物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、物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、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。