基于模型参考自适应的电机位置估计方法及装置与流程

1.本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种基于模型参考自适应的电机位置估计方法及装置。


背景技术：

2.目前无位置传感器技术即通过电机特性确定电机转子位置的技术，已经普遍应用于电机控制中，且位置检测的方法众多，但仍没有一种绝对完美的算法使永磁同步电机转速从低到高全范围内对电机位置估算达到较高的精度。
3.常用的无位置传感器估算方法包括反电势估算法和模型参考自适应法。其中，反电势估算法在低速的时候电机的反电动势会变得很小，从而导致估算误差明显增大；而传统的模型参考自适应法，需要合适的自适应律实时调节可调模型的参数，对可调模型的计算未通过有效的计算得到，只是单纯的依托电压模型得到可调电流，很难满足可调模型在全速段跟随参考模型，在辨识电机位置时仍存在差距。
4.因此，解决现有无位置传感器技术对电机位置估算的精度不高的问题，显得十分必要。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于模型参考自适应的电机位置估计方法及装置，用以克服现有无位置传感器技术对电机位置估算的精度不高的缺陷，有效提高电机估算位置的精度。
6.一方面，本发明提供一种基于模型参考自适应的电机位置估计方法，包括：基于构建的参考模型和可调模型，利用龙格库塔法求解所述可调模型输出的观测电流；根据所述观测电流，以及所述参考模型输出的电机真实电流，获取电机转速；根据所述电机转速对电机位置进行估计，得到所述电机位置。
7.进一步地，所述利用龙格库塔法求解所述可调模型输出的观测电流，包括：根据电压方程构造所述可调模型的d轴、q轴电流对应的待求解函数；利用四阶龙格库塔法求解所述待求解函数，得到所述可调模型输出的d轴电流和q轴电流。
8.进一步地，所述根据所述观测电流，以及所述参考模型输出的电机真实电流，获取电机转速，包括：根据所述观测电流和所述电机真实电流，获取电机角速度的误差值；对所述电机角速度的误差值进行pi控制，得到所述电机转速。
9.进一步地，所述根据所述电机转速对电机位置进行估计，包括：对所述电机转速进行积分处理，得到所述电机位置。
10.进一步地，所述待求解函数如下：
[0011][0012]
其中，和分别为可调模型的d轴电流和q轴电流，i
d’和i
q’分别为参考模型的d轴和q轴电流，ld和lq分别为电机的d轴电感和q轴电感，u
d’和u
q’分别为参考模型的d轴电压和q轴电压，r为电机的电阻，we为电机的实际转速，为电机的磁链。
[0013]
进一步地，所述参考模型对应的方程如下：
[0014][0015][0016][0017]
其中，t为采样时间，i
′
为参考模型的电流，u
′
为参考模型的电压，r为电机的电阻，ld和lq分别为电机的d轴电感和q轴电感，we为电机的实际转速。
[0018]
进一步地，所述可调模型对应的方程如下：
[0019][0020][0021][0022]
其中，t为采样时间，为可调模型的观测电流，u
′
为参考模型的电压，r为电机的电阻，ld和lq分别为电机的d轴电感和q轴电感，we为电机的实际转速，为待求解的电机转速。
[0023]
进一步地，所述基于模型参考自适应的电机位置估计方法还包括：定义误差矩阵及相应的系数矩阵；基于所述误差矩阵和所述系数矩阵，根据所述参考模型和所述可调模型构建系统方程，所述系统方程满足超稳定性理论。
[0024]
第二方面，本发明还提供一种基于模型参考自适应的电机位置估计装置，包括：观测电流计算模块，用于基于构建的参考模型和可调模型，利用龙格库塔法求解所述可调模型输出的观测电流；电机转速获取模块，用于根据所述观测电流，以及所述参考模型输出的电机真实电流，获取电机转速；电机位置估计模块，用于根据所述电机转速对电机位置进行估计，得到所述电机位置。
[0025]
第三方面，本发明还提供一种无位置传感器，运行时执行上述任一项所述的基于模型参考自适应的电机位置估计方法，包括上述所述的基于模型参考自适应的电机位置估计装置。
[0026]
本发明提供的基于模型参考自适应的电机位置估计方法，基于构建的参考模型和可调模型，利用龙格库塔法求解可调模型输出的观测电流，并根据观测电流以及参考模型输出的电机真实电流，获取电机转速，从而根据电机转速对电机位置进行估计，得到电机位置。该方法在传统模型参考自适应算法的可调模型的基础上，引入了龙格库塔法的方法对可调模型进行离散化计算，使得可调模型输出的观测电流值更加接近电机模型的真实电流值，从而提高电机位置的估算精度。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明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以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。
[0028]
图1为现有技术提供的传统模型参考自适应算法的原理示意图；
[0029]
图2为本发明提供的基于模型参考自适应的电机位置估计方法的流程示意图；
[0030]
图3为本发明提供的基于模型参考自适应的电机位置估计装置的结构示意图。
具体实施方式
[0031]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
[0032]
需要说明的是，传统的模型参考自适应法是由构造参考模型、可调模型以及选取的合适的自适应律三部分组成。具体地，图1示出了现有技术提供的传统模型参考自适应算法的原理示意图。如图1所示，在输入电机电压u时，分别通过构造的参考模型和可调模型，可以得到相应的两个输出，即x和x’，e为两个输出的差值，进而通过对e选择合适的自适应律，使可调模型和参考模型之间的误差减小，从而实现对电机位置的估算。
[0033]
根据上述可知，传统的模型参考自适应算法对可调模型的计算并未通过有效的计算得到，只是单纯的依托电压模型得到可调电流，这种传统的计算方法在辨识电机位置时
仍存在差距，从而导致电机位置估算的精度低。
[0034]
对此，本发明提供了一种基于模型参考自适应的电机位置估计方法，针对传统模型参考自适应算法的可调模型计算部分作了改进，在电压模型的基础上提供基于龙格库塔法的方法对可调模型进行离散化计算，在选取同样的自适应律的前提下，相较于传统的模型参考自适应算法，本发明得到的可调电流值更加接近电机模型的真实电流值，从而提高电机位置的辨识精度。
[0035]
具体地，图2示出了本发明所提供的基于模型参考自适应的电机位置估计方法的流程示意图。如图2所示，该方法包括：
[0036]
s210，基于构建的参考模型和可调模型，利用龙格库塔法求解可调模型输出的观测电流。
[0037]
容易理解的是，模型参考自适应系统属于自适应的一种类型，主要包括可调模型、参考模型以及自适应律这三部分，将不含未知数的表达式作为参考模型，将含有待辨识参数的表示用于可调模型，然后将参考模型的输出与可调模型的输出之间的差值，通过合适的自适应律来实现电机速度的辨识，最后对电机速度进行积分即可估算得到相应的电机位置。
[0038]
在步骤s210中，基于预先构建的参考模型和可调模型，利用龙格库塔法求解可调模型输出的观测电流。
[0039]
首先，构造参考模型，具体地，将电机本身作为参考模型，其对应的电压方程为：
[0040][0041][0042]
其中，ud和uq分别为电机的d轴电压和q轴电压，r为电机的电阻，id和iq分别为电机的d轴电流和q轴电流，ld和lq分别为电机的d轴电流和q轴电流，we为电机的角速度，为电机的磁链。
[0043]
需要说明的是，电压方程中的所有参数均是电机本身的真实值，且均为已知量。
[0044]
在确定电压方程的基础上，将电压方程整理成电流方程的形式，具体如下：
[0045][0046][0047]
进一步地，将上述电流方程变换写成状态空间表达式，也即构建的参考模型，具体表示如下：
[0048][0049]
其中，
[0050]
[0051][0052]
其中，t为采样时间，i
′
为参考模型的电流，u
′
为参考模型的电压，r为电机的电阻，ld和lq分别为电机的d轴电感和q轴电感，we为电机的实际转速。
[0053]
还需要说明的是，i
′
、u
′
、a以及b均为矩阵的形式。
[0054]
然后，构建可调模型，具体地，根据表达式(5)可知，电机的位置量便是电机的实际转速即we，电机转速为待估计量，将其用于可调模型，从而根据电压方程(1)和(2)构造可调模型，首先得到如下表达式：
[0055][0056][0057]
其中，和分别为可调模型的d轴电流和q轴电流，i
d’和i
q’分别为参考模型的d轴和q轴电流，u
d’和u
q’分别为参考模型的d轴电压和q轴电压。
[0058]
同样地，将上述表达式(8)和(9)转换为相应的空间表达式，也即构建的可调模型，具体表示如下：
[0059][0060]
其中，
[0061][0062]
其中，t为采样时间，为可调模型的观测电流，u
′
为参考模型的电压，r为电机的电阻，ld和lq分别为电机的d轴电感和q轴电感，we为电机的实际转速，为待求解的电机转速。
[0063]
可以理解的是，在上述构建参考模型和可调模型的基础上，将龙格库塔法引入可调模型的计算过程，得到可调模型输出的观测电流。
[0064]
其中，龙格库塔法是用于非线性常微分方程的解的重要的一类隐式或显式迭代法，是一种在工程上应用广泛的高精度单步算法，在各种龙格库塔法中最常用的是四阶龙格库塔法，主要是在已知方程导数和初值信息，利用计算机仿真时应用，可以省去求解微分方程的复杂过程。
[0065]
s220，根据观测电流，以及参考模型输出的电机真实电流，获取电机转速。
[0066]
可以理解的是，在步骤s210基于构建的参考模型和可调模型，利用龙格库塔法求解可调模型输出的观测电流的基础上，根据可调模型输出的观测电流，以及参考模型输出
的电机真实电流，获取电机角速度的误差值，并进一步对电机角速度的误差值进行pi控制，以得到相应的电机转速。
[0067]
具体地，构造模型参考自适应速度估算公式，具体如下：
[0068][0069]
其中，为待求解的电机转速，v、t、τ均为自变量，f1为v、t、τ的函数。
[0070]
需要说明的是，构造的模型参考自适应速度估算公式(12)满足popov积分不等式，具体地，可以通过将式(12)代入popov积分不等式中进行证实。其中，popov积分不等式如下：
[0071][0072]
其中，t1为时间，v为系统方程中构造的函数应变量(具体参见公式(28))，t为矩阵的转置，γ0为有限大小的正常数。
[0073]
进一步地，对上式(12)进行逆向求解，可得到最终的自适应律，也即电机转速的计算表达式，具体如下：
[0074][0075]
其中，ki、k
p
分别为比例环节和积分环节的系数。
[0076]
可将式(14)转换为如下表达式：
[0077][0078]
其中，
[0079][0080]
其中，id和iq分别为电机的d轴电流和q轴电流，和分别为可调模型的d轴电流和q轴电流。
[0081]
根据式(16)可知，式中的参数均已求解得到，故可以直接得到角速度的误差值errorw，从而对角速度的误差值进行pi控制，即可得到可调模型的观测角速度，也即对应着电机转速。
[0082]
s230，根据电机转速对电机位置进行估计，得到电机位置。
[0083]
在步骤s220根据观测电流以及参考模型输出的电机真实电流获取得到电机转速的基础上，进一步地，对电机转速进行积分处理，即可得到电机位置。
[0084]
其中，对电机转速进行积分处理的计算公式具体如下：
[0085][0086]
其中，为估算得到的电机位置，也即电机转子位置角度。
[0087]
在本实施例中，基于构建的参考模型和可调模型，利用龙格库塔法求解可调模型输出的观测电流，并根据观测电流以及参考模型输出的电机真实电流，获取电机转速，从而根据电机转速对电机位置进行估计，得到电机位置。该方法在传统模型参考自适应算法的可调模型的基础上，引入了龙格库塔法的方法对可调模型进行离散化计算，使得可调模型
输出的观测电流值更加接近电机模型的真实电流值，从而提高电机位置的估算精度。
[0088]
在上述实施例的基础上，进一步地，利用龙格库塔法求解可调模型输出的观测电流，包括：根据电压方程构造可调模型的d轴、q轴电流对应的待求解函数；利用四阶龙格库塔法求解待求解函数，得到可调模型输出的d轴电流和q轴电流。
[0089]
需要说明的是，龙格库塔法有多种，在此不做具体限定。在一个具体的实施例中，采用的是四阶龙格库塔法对可调模型输出的观测电流进行求解。
[0090]
可以理解的是，为了获得高精度的可调模型，采用四阶龙格库塔法对其进行离散化计算。其中，四阶龙格库塔法的计算原理公式如下：
[0091][0092][0093][0094]
在可调模型中，可调模型的d轴电流和q轴电流为未知变量，则令：
[0095][0096]
根据电压方程(1)和(2)构造可调模型的d轴、q轴电流对应的待求解函数，该待求解函数如下：
[0097][0098]
其中，和分别为可调模型的d轴电流和q轴电流，i
d’和i
q’分别为参考模型的d轴和q轴电流，ld和lq分别为电机的d轴电感和q轴电感，u
d’和u
q’分别为参考模型的d轴电压和q轴电压，r为电机的电阻，we为电机的角速度，为电机的磁链。
[0099]
可以理解的是，将构造的待求解函数(22)依次代入式(18)、(19)和(20)中进行求解，即可实现对可调模型的离散化求解，从而得到相应的可调模型输出的d轴电流和q轴电流
[0100]
在本实施例中，通过根据电压方程构造可调模型的d轴、q轴电流对应的待求解函数，并利用四阶龙格库塔法求解该待求解函数，即可得到可调模型输出的d轴电流和q轴电流，该方法通过引入龙格库塔法的方法对可调模型进行离散化计算，使得可调模型输出的观测电流值更加接近电机模型的真实电流值，从而提高电机位置的估算精度。
[0101]
在上述实施例的基础上，进一步地，本发明所提供的基于模型参考自适应的电机
位置估计方法还包括：定义误差矩阵及相应的系数矩阵；基于误差矩阵和系数矩阵，根据参考模型和可调模型构建系统方程，系统方程满足超稳定性理论。
[0102]
可以理解的是，在构建参考模型和可调模型的基础上，构建整个电机系统对应的系统方程，具体地，首先，定义误差矩阵e和相应的系数矩阵误差矩阵e，以及系数矩阵相关的表达式分别如下：
[0103][0104][0105]
进一步地，在定义误差矩阵及相应的系数矩阵的基础上，可以将式(5)和式(10)转化为如下式(25)和(26)：
[0106][0107][0108]
将方程式(25)减去方程式(26)可得到如下表达式：
[0109][0110]
从而，可以构建如下系统方程：
[0111][0112][0113][0114]
其中，e为误差矩阵，a为矩阵(上文有描述，在此不展开)，i为单位矩阵，v为函数应变量，c＝i，ld和lq分别为电机的d轴电感和q轴电感。
[0115]
需要说明的是，构建的系统方程满足popov超稳定理论，超稳定性理论讨论的是系统输入输出乘积的积分值受限制的条件下的稳定性。
[0116]
在本实施例中，通过定义误差矩阵及相应的系数矩阵，并基于误差矩阵和系数矩阵，根据参考模型和可调模型构建满足超稳定性理论的系统方程，确保了电机运行时的安全性和可靠性。
[0117]
最后需要说明的是，上述对可调模型输出的观测电流进行计算时，也可以采用除龙格库塔法以外的其他算法求解，在此不再赘述。例如还可以采用向后欧拉的方法对可调模型进行离散化计算。
[0118]
图3示出了本发明所提供的基于模型参考自适应的电机位置估计装置的结构示意图。如图3所示，该装置包括：观测电流计算模块310，用于基于构建的参考模型和可调模型，
利用龙格库塔法求解所述可调模型输出的观测电流；电机转速获取模块320，用于根据所述观测电流，以及所述参考模型输出的电机真实电流，获取电机转速；电机位置估计模块330，用于根据所述电机转速对电机位置进行估计，得到所述电机位置。
[0119]
在本实施例中，观测电流计算模块310基于构建的参考模型和可调模型，利用龙格库塔法求解可调模型输出的观测电流，电机转速获取模块320根据观测电流以及参考模型输出的电机真实电流，获取电机转速，从而电机位置估计模块330根据电机转速对电机位置进行估计，得到电机位置。该装置在传统模型参考自适应算法的可调模型的基础上，引入了龙格库塔法的方法对可调模型进行离散化计算，使得可调模型输出的观测电流值更加接近电机模型的真实电流值，从而提高电机位置的估算精度。
[0120]
需要说明的是，本实施例所提供的基于模型参考自适应的电机位置估计装置，与上文描述的基于模型参考自适应的电机位置估计方法可相互对应参照，在此不再赘述。
[0121]
另外，本发明还提供一种无位置传感器，该无位置传感器在运行时执行上述所述的基于模型参考自适应的电机位置估计方法，包括上述所述的基于模型参考自适应的电机位置估计装置。
[0122]
在本实施例中，该无位置传感器包括基于模型参考自适应的电机位置估计装置，其在运行时会执行上述基于模型参考自适应的电机位置估计方法，在传统模型参考自适应算法的可调模型的基础上，引入了龙格库塔法的方法对可调模型进行离散化计算，使得可调模型输出的观测电流值更加接近电机模型的真实电流值，从而提高电机位置的估算精度。
[0123]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0124]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0125]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种基于模型参考自适应的电机位置估计方法，其特征在于，包括：基于构建的参考模型和可调模型，利用龙格库塔法求解所述可调模型输出的观测电流；根据所述观测电流，以及所述参考模型输出的电机真实电流，获取电机转速；根据所述电机转速对电机位置进行估计，得到所述电机位置。2.根据权利要求1所述的基于模型参考自适应的电机位置估计方法，其特征在于，所述利用龙格库塔法求解所述可调模型输出的观测电流，包括：根据电压方程构造所述可调模型的d轴、q轴电流对应的待求解函数；利用四阶龙格库塔法求解所述待求解函数，得到所述可调模型输出的d轴电流和q轴电流。3.根据权利要求1所述的基于模型参考自适应的电机位置估计方法，其特征在于，所述根据所述观测电流，以及所述参考模型输出的电机真实电流，获取电机转速，包括：根据所述观测电流和所述电机真实电流，获取电机角速度的误差值；对所述电机角速度的误差值进行pi控制，得到所述电机转速。4.根据权利要求1所述的基于模型参考自适应的电机位置估计方法，其特征在于，所述根据所述电机转速对电机位置进行估计，包括：对所述电机转速进行积分处理，得到所述电机位置。5.根据权利要求2所述的基于模型参考自适应的电机位置估计方法，其特征在于，所述待求解函数如下：其中，和分别为可调模型的d轴电流和q轴电流，i
d’和i
q’分别为参考模型的d轴和q轴电流，l
d
和l
q
分别为电机的d轴电感和q轴电感，u
d’和u
q’分别为参考模型的d轴电压和q轴电压，r为电机的电阻，w
e
为电机的实际转速，为电机的磁链。6.根据权利要求1所述的基于模型参考自适应的电机位置估计方法，其特征在于，所述参考模型对应的方程如下：参考模型对应的方程如下：
其中，t为采样时间，i
′
为参考模型的电流，u
′
为参考模型的电压，r为电机的电阻，l
d
和l
q
分别为电机的d轴电感和q轴电感，w
e
为电机的实际转速。7.根据权利要求1所述的基于模型参考自适应的电机位置估计方法，其特征在于，所述可调模型对应的方程如下：可调模型对应的方程如下：可调模型对应的方程如下：其中，t为采样时间，为可调模型的观测电流，u
′
为参考模型的电压，r为电机的电阻，l
d
和l
q
分别为电机的d轴电感和q轴电感，w
e
为电机的实际转速，为待求解的电机转速。8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于模型参考自适应的电机位置估计方法，其特征在于，还包括：定义误差矩阵及相应的系数矩阵；基于所述误差矩阵和所述系数矩阵，根据所述参考模型和所述可调模型构建系统方程，所述系统方程满足超稳定性理论。9.一种基于模型参考自适应的电机位置估计装置，其特征在于，包括：观测电流计算模块，用于基于构建的参考模型和可调模型，利用龙格库塔法求解所述可调模型输出的观测电流；电机转速获取模块，用于根据所述观测电流，以及所述参考模型输出的电机真实电流，获取电机转速；电机位置估计模块，用于根据所述电机转速对电机位置进行估计，得到所述电机位置。10.一种无位置传感器，其特征在于，运行时执行权利要求1-8中任一项所述的基于模型参考自适应的电机位置估计方法，包括权利要求9所述的基于模型参考自适应的电机位置估计装置。

技术总结
本发明提供一种基于模型参考自适应的电机位置估计方法及装置，其中的方法包括：基于构建的参考模型和可调模型，利用龙格库塔法求解可调模型输出的观测电流；根据观测电流，以及参考模型输出的电机真实电流，获取电机转速；根据电机转速对电机位置进行估计，得到电机位置。该方法在传统模型参考自适应算法的可调模型的基础上，引入了龙格库塔法的方法对可调模型进行离散化计算，使得可调模型输出的观测电流值更加接近电机模型的真实电流值，从而提高电机位置的估算精度。提高电机位置的估算精度。提高电机位置的估算精度。


技术研发人员：魏仁凤 耿焱 张锐钢 邵海柱 杨青 贾新旭
受保护的技术使用者：青岛海尔空调器有限总公司 青岛海尔智能技术研发有限公司 海尔智家股份有限公司
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/20