一种隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置及方法.pdf

本发明公开了一种隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置；包括基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块等；永磁同步电机与CLARK变换模块连接；CLARK变换模块分别与基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块和IPARK变换模块连接；IPARK变换模块分别与第二减法器、第三减法器、第三减法器连接；第一减法器、第二减法器与速度环积分分离PI模块连接；电流环积分分离PI模块与基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块连接；基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块分别与锁相环转速估算模块和PARK变换模块连接，PARK变换模块与基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块和空间矢量调制模块连接；空间矢量调制模块与整流/三相逆变器连接，整流/三相逆变器与永磁同步电机连接。

权利要求书1.  隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置；包括与永磁同步电机(13)相连接的矢量控制装置，所述矢量控制装置包括第一减法器(1)、速度环积分分离PI模块(2)、第二减法器(3)、第三减法器(4)、电流环积分分离PI模块(5)、锁相环转速估算模块(6)、基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块(7)、PARK变换模块(8)、IPARK变换模块(9)、空间矢量调制模块(10)、CLARK变换模块(11)和整流/三相逆变器(12)；其特征是：所述永磁同步电机(13)输出定子两相电流ia、ib到CLARK变换模块(11)；所述CLARK变换模块(11)将静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ分别输出到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块(7)和IPARK变换模块(9)；所述IPARK变换模块(9)输出交轴电流iq到第二减法器(3)，输出直轴电流id到第三减法器(4)；第一减法器(1)将根据给定速度ωref和实际速度得出的误差值Ⅰ输出到速度环积分分离PI模块(2)；速度环积分分离PI模块(2)输出给定交轴电流iqref到第二减法器(3)；第二减法器(3)将根据给定交轴电流iqref和交轴电流iq输出到电流环积分分离PI模块(5)；第三减法器(4)将根据给定直轴电流idref和直轴电流id得出的误差值Ⅲ输出到电流环积分分离PI模块(5)；电流环积分分离PI模块(5)输出交轴电压和直轴电压到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块(7)；基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块(7)输出实际位置到锁相环转速估算模块(6)和PARK变换模块(8)，出实际直轴电压ud和实际交轴电压uq到PARK变换模块(8)；PARK变换模块(8)输出静止两相坐标系下的电压分量uα、uβ到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块(7)和空间矢量调制模块(10)；空间矢量调制模块(10)输出六路PWM信号到整流/三相逆变器(12)，再通过整流/三相逆变器(12)驱动永磁同步电机(13)运行。2.  根据权利要求1所述的隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置，其特征是：所述基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块(7)包括直轴电压开环给定 模块(28)、交轴电压开环给定模块(27)、电压矢量切换模块(29)、初始位置判断模块(30)、位置开环给定模块(32)、新型滑模观测器转子位置估算模块(31)和位置自调整给定模块(33)；所述直轴电压开环给定模块(28)和交轴电压开环给定模块(27)输出开环给定值到电压矢量切换模块(29)；所述电流环积分分离PI模块(5)输出直轴电压和交轴电压到电压矢量切换模块(29)；电压矢量切换模块(29)输出实际直轴电压ud和实际交轴电压uq到PARK变换模块(8)；CLARK变换模块(11)输出静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ到初始位置判断模块(30)；初始位置判断模块(30)输出初始位置到位置开环给定模块(32)，位置开环给定模块(32)输出开环转子给定θρ到位置自调整给定模块(33)；PARK变换模块(8)输出静止两相坐标系下的电压分量uα、uβ到新型滑模观测器转子位置估算模块(31)；新型滑模观测器转子位置估算模块(31)输出估算转子位置θe到位置自调整给定模块(33)；位置自调整给定模块(33)输出实际转子位置到锁相环转速估算模块(6)和PARK变换模块(8)。3.  根据权利要求2所述的隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置，其特征是：所述新型滑模观测器转子位置估算模块(31)包括基于PMSM数学模型的新型电流观测器(22)、第四加法器(15)、第五加法器(16)、滤波器模块(18)、饱和函数模块(23)、第七加法器(24)、乘法器(25)、估算反电势反馈增益系数模块(26)和转子位置计算模块(19)；所述基于PMSM数学模型的新型电流观测器(22)输出静止坐标系下的定子估算电流到第四加法器(15)，输出静止坐标系下的定子估算电流到第五加法器(16)；CLARK变换模块(11)输出静止两相坐标系下的电流分量iα到第四加法器(15)，输出静止两相坐标系下的电流分量iβ到第五加法器(16)；第四加法器(15)将根据静止坐标系下的定子估算电流和静止两相坐标系下的电流 分量iα得出的结果Ⅰ输出到饱和函数模块(23)；第五加法器(16)将根据静止坐标系下的定子估算电流和静止两相坐标系下的电流分量iβ得出的结果Ⅱ输出到饱和函数模块(23)；饱和函数模块(23)将控制函数ZS分别输出到滤波器模块(18)和第七加法器(24)；滤波器模块(18)输出等效控制函数Zes到乘法器(25)；估算反电势反馈增益系数模块(26)输出估算反电势反馈增益系数l到乘法器(25)；乘法器(25)将通过等效控制函数Zes和估算反电势反馈增益系数l得出的运算结果l×Zes输出到第七加法器(24)；第七加法器(24)输出估算反电势反馈值到转子位置计算模块(19)和基于PMSM数学模型的新型电流观测器(22)；转子位置计算模块(19)输出估算转子位置θe到位置自调整给定模块(33)；基于PMSM数学模型的新型电流观测器(22)通过PARK变换模块(8)输出的静止两相坐标系下的电压分量uα、uβ以及估算反电势反馈值获得静止坐标系下的定子估算电流4.  隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置的实现方法，其特征是：包括如下的步骤：永磁同步电机(13)通过自带的传感器获取定子两相电流ia、ib，并输入到CLARK变换模块(11)；经过CLARK变换模块(11)的计算获得静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ，并将静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ分别输入到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块(7)和IPARK变换模块(9)；经过IPARK变换模块(9)的计算获得交轴电流iq和直轴电流id，将交轴电流iq输入到第二减法器(3)，将直轴电流id输入到第三减法器(4)；上位系统分别输出给定速度ωref到第一减法器(1)和基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块(7)；第一减法器(1)通过给定速度ωref和锁相环转速估算模块(6)输出的实际速度计算后，获取误差值Ⅰ，并将误差值Ⅰ输入到速度环积分分离PI模块(2)，由速度环积分分离PI模块(2)计算后获取给定交轴电流iqref，并输出到第二减法器(3)，第二减法器 (3)根据给定交轴电流iqref和交轴电流iq得出误差值Ⅱ，并输入到电流环积分分离PI模块(5)；上位系统输出给定直轴电流idref到第三减法器(4)，第三减法器(4)根据给定直轴电流idref和直轴电流id计算后得出误差值Ⅲ，并输入到电流环积分分离PI模块(5)；电流环积分分离PI模块(5)通过误差值Ⅱ和误差值Ⅲ的计算，获得直轴电压交轴电压并输入到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块(7)；基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块(7)通过直轴电压交轴电压电压分量uα、uβ、电流分量iα、iβ计算后，得出实际位置实际直轴电压ud和实际交轴电压uq，并把实际位置实际直轴电压ud和实际交轴电压uq输入到PARK变换模块(8)，实际位置输入到锁相环转速估算模块(6)；锁相环转速估算模块(6)根据实际位置计算得出实际速度并输入到第一减法器(1)；PARK变换模块(8)根据实际位置实际直轴电压ud和实际交轴电压uq计算后得出电压分量uα、uβ，PARK变换模块(8)将电压分量uα、uβ反馈到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块(7)，并输入到空间矢量调制模块(10)；空间矢量调制模块(10)通过静止两相坐标系下的电压分量uα、uβ运算输出六路PWM信号，并输入到整流/三相逆变器(12)，由整流/三相逆变器(12)进行整流后作为控制信号输出到永磁同步电机(13)。5.  根据权利要求4所述的隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置的实现方法，其特征是：所述基于位置自调整电压矢量闭环切换的无传感器闭环控制模块(7)包括如下的运行步骤：①设置交轴电压开环给定模块(27)和直轴电压开环给定模块(28)的开环给定值；②电压矢量切换模块(29)通过电流环积分分离PI模块(5)输出的直轴电压交轴电压以及交轴电压开环给定模块(27)和直轴电压开环给定模块(28)的开环给定值运算出实际直轴电压ud和实际交轴电压uq；③初始位置判断模块(30)通过静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ得到永磁同步电机(13)转子的初始位置，位置开环给定模块(32)以该初始位置为基准作周期变化的开 环转子给定输出θρ；同时，新型滑模观测器转子位置估算模块(31)通过静止两相坐标系下的静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ以及电压分量uα、uβ进行估算输出永磁同步电机的转子位置θe；④位置自调整给定模块(33)根据估算转子位置θe和开环转子给定输出θρ运算出永磁同步电机(13)的实际转子位置6.  根据权利要求5所述的隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置的实现方法，其特征是：所述新型滑模观测器转子位置估算模块(31)包括如下的运行步骤：㈠基于PMSM数学模型的新型电流观测器(22)通过静止两相坐标系下的电压分量uα、uβ和估算反电势反馈值运算出静止坐标系下的定子估算电流㈡第四加法器(15)通过静止坐标系下的定子估算电流和静止两相坐标系下的电流分量iα运算出结果Ⅰ；第五加法器(16)通过静止坐标系下的定子估算电流和静止两相坐标系下的电流分量iβ运算出结果Ⅱ；饱和函数模块(23)通过所述的结果Ⅰ和结果Ⅱ运算出控制函数Zs，并分别输入到滤波器模块(18)和第七加法器(24)；㈢滤波器模块(18)通过对控制函数Zs运算后输出等效控制函数Zes；㈣估算反电势反馈增益系数模块(26)根据给定速度ωref得出估算反电势反馈增益系数l；乘法器(25)通过估算反电势反馈增益系数l和等效控制函数Zes得出l×Zes；㈤第七加法器(24)对l×Zes和Zes做加法运算，得出估算反电势反馈值㈥估算反电势反馈值一方面经转子位置计算模块(19)运算后得出估算转子位置θe，另外一方面，估算反电势反馈值输入基于PMSM数学模型的新型电流观测器(22)进行新一轮的运算。7.  根据权利要求6所述的隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置的实现方法，其特征是：所述步骤①中，直轴电压开环给定模块(28)的设置方法如下：直轴电压开环给定模块(28)的输出值设置为0；交轴电压开环给定模块(27)的设置方法如下：交轴电压开环给定模块(27)的输出值设置为g＝ke(f)，其中，ke为电机反电势系数，f为电机开环运行给定频率。8.  根据权利要求7所述的隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置的实现方法，其特征是：所述位置自调整给定模块(33)的实现方法如下：永磁同步电机(13)起动时，给定速度ωref＝0，位置自调整因子p＝1，实际位置按照开环转子给定输出θρ赋值，永磁同步电机(13)转子位置跟着开环转子给定输出θρ改变，此时估算转子位置θe误差较大，刚好不起主要作用；随着转速上升，估算转子位置θe的估算位置误差由大变小，位置自调整因子p也由1变小，当给定速度运行到某一个速度ωref1时，p近似为零，此时按照估算转子位置θe赋值，这样就实现了角度的自动调整。9.  根据权利要求8所述的隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置的实现方法，其特征是：所述电压矢量切换模块(29)的实现方法如下：电压矢量切换模块(29)根据永磁同步电机(13)开环运行的给定速度ωref值进行判断切换，当ωref＝ωref1时进行直轴电压交轴电压和交轴电压开环给定模块(27)、直轴电压开环给定模块(28)开环给定值之间的切换。

说明书一种隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置及方法
技术领域
本发明涉及一种电机运动控制技术，尤其涉及一种隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置及方法。
背景技术
鉴于无(位置)传感器控制技术的永磁同步电机矢量控制调速系统结构简单、易维护、体积小且不存在机械传感器给系统带来的局限性缺陷(如受工作环境限制、可靠性降低等)，所以适用于一些特殊场合，如纺织机械领域变频驱动，家-商用方面的空调、冰箱、洗衣机、电动旅游车、电动高尔夫车、电动巡逻车，工业方面的泵、风扇、矿机提升，机车方面的大功率牵引，军用方面的电动汽车空调，等等。目前，按照电机运行的适用范围，无传感器控制主要分2种技术：1)利用电动机的空间凸极效应，如专利文献1(专利号为200380109649.7)、文献2(专利号为200880017539.0)、文献3(专利号为200780025506.6)所示。该方法可应用于较宽速度范围，且低速时也可得到较好的估算结果，但具有高频噪声的问题，只适于内埋式电机；2)状态观测器法，如专利文献4(专利号为01133145.3)、文献5(专利号为201010508205.2)和文献6(专利号为201010235076.4)所示。该方法直接或间接地从电机反电动势中提取位置信息，具有良好动态性能，表面式和内埋式电机都适合，但在低速特别是零速时转子位置估算困难，目前的技术水平多适合于中高速场合(空调、冰箱等)变速运行。而随着应用对象(电动旅游车、电动高尔夫车、电动巡逻车等)的扩展和性能的提升，系统要求电机低速或极低速、甚至零速可靠运行或起动，针对隐极式永磁同步电机(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)，研究一种适合于较低速场合的无传感器控制算法成为了关键。
专利文献5和6设计了一个传统的滑模观测器来估算转子位置信息，该方法经申请人大量实验发现其低速扩展领域有限，且在电机变速过程中存在转子角度误差时时变化的现象，就算是固定转速运行，时间长了之后性能也会改变，特别是施加负载的时候，无传感器控制基本失效，这些都在一定程度上限制了滑模观测器在PMSM上无传感器闭环控制的进一步应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置；包括与永磁同步电机相连接的矢量控制装置，所述矢量控制装置包括第一减法器、速度环积分分离PI模块、第二减法器、第三减法器、电流环积分分离PI模块、锁相环转速估算模块、基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块、PARK变换模块、IPARK变换模块、空间矢量调制模块、CLARK变换模块和整流/三相逆变器；所述永磁同步电机输出定子两相电流ia、ib到CLARK变换模块；所述CLARK变换模块将静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ分别输出到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块和IPARK变换模块；所述IPARK变换模块输出交轴电流iq到第二减法器，输出直轴电流id到第三减法器；第一减法器将根据给定速度ωref和实际速度得出的误差值Ⅰ输出到速度环积分分离PI模块；速度环积分分离PI模块输出给定交轴电流iqref到第二减法器；第二减法器将根据给定交轴电流iqref和交轴电流iq输出到电流环积分分离PI模块；第三减法器将根据给定直轴电流idref和直轴电流id得出的误差值Ⅲ输出到电流环积分分离PI模块；电流环积分分离PI模块输出交轴电压和直轴电压到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块；基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块输出实际位置到锁相环转速估算模块和PARK变换模块，出实际直轴电压ud和实际交轴电压uq到PARK变换模块；PARK变换模块输出静止两相坐标系下的电压分量uα、uβ到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块和空间矢量调制模块；空间矢量调制模块输出六路PWM信号到整流/三相逆变器，再通过整流/三相逆变器驱动永磁同步电机运行。
作为对本发明所述的隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置的改进：所述基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块包括直轴电压开环给定模块、交轴电压开环给定模块、电压矢量切换模块、初始位置判断模块、位置开环给定模块、新型滑模观测器转子位置估算模块和位置自调整给定模块；所述直轴电压开环给定模块和交轴电压开环给定模块输出开环给定值到电压矢量切换模块；所述电流环积分分离PI模块输出直轴电 压和交轴电压到电压矢量切换模块；电压矢量切换模块输出实际直轴电压ud和实际交轴电压uq到PARK变换模块；CLARK变换模块输出静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ到初始位置判断模块；初始位置判断模块输出初始位置到位置开环给定模块，位置开环给定模块输出开环转子给定θρ到位置自调整给定模块；PARK变换模块输出静止两相坐标系下的电压分量uα、uβ到新型滑模观测器转子位置估算模块；新型滑模观测器转子位置估算模块输出估算转子位置θe到位置自调整给定模块；位置自调整给定模块输出实际转子位置到锁相环转速估算模块和PARK变换模块。
作为对本发明所述的隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置的进一步改进：所述新型滑模观测器转子位置估算模块包括基于PMSM数学模型的新型电流观测器、第四加法器、第五加法器、滤波器模块、饱和函数模块、第七加法器、乘法器、估算反电势反馈增益系数模块和转子位置计算模块；所述基于PMSM数学模型的新型电流观测器输出静止坐标系下的定子估算电流到第四加法器，输出静止坐标系下的定子估算电流到第五加法器；CLARK变换模块输出静止两相坐标系下的电流分量iα到第四加法器，输出静止两相坐标系下的电流分量iβ到第五加法器；第四加法器将根据静止坐标系下的定子估算电流和静止两相坐标系下的电流分量iα得出的结果Ⅰ输出到饱和函数模块；第五加法器将根据静止坐标系下的定子估算电流和静止两相坐标系下的电流分量iβ得出的结果Ⅱ输出到饱和函数模块；饱和函数模块将控制函数ZS分别输出到滤波器模块和第七加法器；滤波器模块输出等效控制函数Zes到乘法器；估算反电势反馈增益系数模块输出估算反电势反馈增益系数l到乘法器；乘法器将通过等效控制函数Zes和估算反电势反馈增益系数l得出的运算结果l×Zes输出到第七加法器；第七加法器输出估算反电势反馈值到转子位置计算模块和基于PMSM数学模型的新型电流观测器；转子位置计算模块输出估算转子位置θe到位置自调整给定模块；基于PMSM数学模型的新型电流观测器通过PARK变换模块输出的静止两相坐标系下的电压分量uα、uβ以及估算反电势反馈值获得静止坐标系下的定子估算电流
隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置的实现方法：包括如下的步骤：永磁同 步电机通过自带的传感器获取定子两相电流ia、ib，并输入到CLARK变换模块；经过CLARK变换模块的计算获得静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ，并将静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ分别输入到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块和IPARK变换模块；经过IPARK变换模块的计算获得交轴电流iq和直轴电流id，将交轴电流iq输入到第二减法器，将直轴电流id输入到第三减法器；上位系统分别输出给定速度ωref到第一减法器和基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块；第一减法器通过给定速度ωref和锁相环转速估算模块输出的实际速度计算后，获取误差值Ⅰ，并将误差值Ⅰ输入到速度环积分分离PI模块，由速度环积分分离PI模块计算后获取给定交轴电流iqref，并输出到第二减法器，第二减法器根据给定交轴电流iqref和交轴电流iq得出误差值Ⅱ，并输入到电流环积分分离PI模块；上位系统输出给定直轴电流idref到第三减法器，第三减法器根据给定直轴电流idref和直轴电流id计算后得出误差值Ⅲ，并输入到电流环积分分离PI模块；电流环积分分离PI模块通过误差值Ⅱ和误差值Ⅲ的计算，获得直轴电压交轴电压并输入到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块；基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块通过直轴电压交轴电压电压分量uα、uβ、电流分量iα、iβ计算后，得出实际位置实际直轴电压ud和实际交轴电压uq，并把实际位置实际直轴电压ud和实际交轴电压uq输入到PARK变换模块，实际位置输入到锁相环转速估算模块；锁相环转速估算模块根据实际位置计算得出实际速度并输入到第一减法器；PARK变换模块根据实际位置实际直轴电压ud和实际交轴电压uq计算后得出电压分量uα、uβ，PARK变换模块将电压分量uα、uβ反馈到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块，并输入到空间矢量调制模块；空间矢量调制模块通过静止两相坐标系下的电压分量uα、uβ运算输出六路PWM信号，并输入到整流/三相逆变器，由整流/三相逆变器进行整流后作为控制信号输出到永磁同步电机。
作为对本发明所述的隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置的实现方法的改进：所述基于位置自调整电压矢量闭环切换的无传感器闭环控制模块包括如下的运行步 骤：①设置交轴电压开环给定模块和直轴电压开环给定模块的开环给定值；②电压矢量切换模块通过电流环积分分离PI模块输出的直轴电压交轴电压以及交轴电压开环给定模块和直轴电压开环给定模块的开环给定值运算出实际直轴电压ud和实际交轴电压uq；③初始位置判断模块通过静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ得到永磁同步电机转子的初始位置，位置开环给定模块以该初始位置为基准作周期变化的开环转子给定输出θρ；同时，新型滑模观测器转子位置估算模块通过静止两相坐标系下的静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ以及电压分量uα、uβ进行估算输出永磁同步电机的转子位置θe；④位置自调整给定模块根据估算转子位置θe和开环转子给定输出θρ运算出永磁同步电机的实际转子位置
作为对本发明所述的隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置的实现方法的进一步改进：所述新型滑模观测器转子位置估算模块包括如下的运行步骤：㈠基于PMSM数学模型的新型电流观测器通过静止两相坐标系下的电压分量uα、uβ和估算反电势反馈值运算出静止坐标系下的定子估算电流㈡第四加法器通过静止坐标系下的定子估算电流和静止两相坐标系下的电流分量iα运算出结果Ⅰ；第五加法器通过静止坐标系下的定子估算电流和静止两相坐标系下的电流分量iβ运算出结果Ⅱ；饱和函数模块通过所述的结果Ⅰ和结果Ⅱ运算出控制函数Zs，并分别输入到滤波器模块和第七加法器；㈢滤波器模块通过对控制函数Zs运算后输出等效控制函数Zes；㈣估算反电势反馈增益系数模块根据给定速度ωref得出估算反电势反馈增益系数l；乘法器通过估算反电势反馈增益系数l和等效控制函数Zes得出l×Zes；㈤第七加法器对l×Zes和Zes做加法运算，得出估算反电势反馈值㈥估算反电势反馈值一方面经转子位置计算模块运算后得出估算转子位置θe，另外一方面，估算反电势反馈值输入基于PMSM数学模型的新型电流观测器进行新一轮的运算。
作为对本发明所述的隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置的实现方法的进一步改进：所述步骤①中，直轴电压开环给定模块的设置方法如下：直轴电压开环给定模块的输出值设置为0；交轴电压开环给定模块)的设置方法如下：交轴电压开环给定模 块的输出值设置为g＝ke(f)，其中，ke为电机反电势系数，f为电机开环运行给定频率。
作为对本发明所述的隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置的实现方法的进一步改进：所述位置自调整给定模块的实现方法如下：永磁同步电机起动时，给定速度ωref＝0，位置自调整因子p＝1，实际位置按照开环转子给定输出θρ赋值，永磁同步电机转子位置跟着开环转子给定输出θρ改变，此时估算转子位置θe误差较大，刚好不起主要作用；随着转速上升，估算转子位置θe的估算位置误差由大变小，位置自调整因子p也由1变小，当给定速度运行到某一个速度ωref1时，p近似为零，此时按照估算转子位置θe赋值，这样就实现了角度的自动调整。
作为对本发明所述的隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置的实现方法的进一步改进：所述电压矢量切换模块的实现方法如下：电压矢量切换模块根据永磁同步电机开环运行的给定速度ωref值进行判断切换，当ωref＝ωref1时进行直轴电压交轴电压和交轴电压开环给定模块、直轴电压开环给定模块开环给定值之间的切换。
本发明具有多方面的有益效果：根据本发明，新型滑模观测器估算反电势的计算公式如下：
e^s=l×Zes+Zs={jM+(1+l)}×Zes---(1)]]>
式中：l为估算反电势反增益馈系数，为估算反电势，Zes为等效控制函数，Zs为控制函数Zs(s同样代表α和β)。
由公式(1)知，估算反电势由两部分组成：估算反电势反馈值lZes和控制函数Zs。一方面，lZes保留了控制函数Zs的谐波成分，调节估算反电势的反馈系数即可调节的谐波含量，从而降低了估算反电势的抖振，同时，又有效防止了低通滤波器滤除谐波中的有效成分，提高了估算的准确性。另一方面，电机低速运行时，反电势幅值较小，若取l为负数，例如-0.5，则控制函数很明显，控制函数的幅值约为实际反电势幅值的2倍，这就提高了控制函数在低速时的灵敏度。再一方面，电机高速运行时，反电势幅值较大，取l为正数，例如5，则控制函数控制函数的幅值比实际反电势幅值小得多，这样通过合理地划分转速区间，调节反馈系数l，可以将控制函数Zs限制在一个较小的范围内，从而缩小了开关增益k值的取值空间，采用定点DSP实现算法时，可以适当提高定 标阶数以提高控制灵敏度和控制精度。
同时式(1)表明，用于转子位置计算的估算反电势Zes较实际反电势有一定的相位延迟。相移角为：
Δθ^=tan-1{M/(1+l)}---(2)]]>
相位延迟由两部分组成：低通滤波器的引入和参数l的引入。在固定转速下，相移角与反电势的反馈系数l有关。如果l＝0，则为传统的滑模观测器，相移角仅由低通滤波器决定。当l≠0时，如果l<0，l的引入增大了原低通滤波器的相位滞后作用；如果l>0，l的引入削弱了原低通滤波器的相位滞后作用；l越大，相位延迟越少。这样，在低通滤波器补偿的基础上再加入l的调节作用，可以有效平衡干扰及谐波等引起的位置估算误差，提高估算精度。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为一种隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置的原理框图；
图2为基于位置自调整控制电压矢量切换的无传感器闭环控制模块的原理框图。
图3为传统滑模观测器的原理框图；
图4为新型滑模观测器的原理框图。
具体实施方式
实施例1、图1、图2和图4给出了一种隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置及方法。
如图1所示，隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置包括第一减法器1、速度环积分分离PI模块2、第二减法器3、第三减法器4、电流环积分分离PI模块5、锁相环转速估算模块6、基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块7、PARK变换模块8、IPARK变换模块9、空间矢量调制模块10、CLARK变换模块11和整流/三相逆变器12；本发明的信号连接关系如下：
永磁同步电机13通过内置的传感器获取两相电流ia、ib，并输出到CLARK变换模块11；CLARK变换模块11将静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ分别输出到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块7和IPARK变换模块9；IPARK变换模块9输出交轴电流iq到第二减法器3，输出直轴电流id到第三减法器4；第一减法器1将根据给定速 度ωref和实际速度得出的误差值Ⅰ输出到速度环积分分离PI模块2；速度环积分分离PI模块2输出给定交轴电流iqref到第二减法器3；第二减法器3将根据给定交轴电流iqref和交轴电流iq输出到电流环积分分离PI模块5；第三减法器4将根据给定直轴电流idref和直轴电流id得出的误差值Ⅲ输出到电流环积分分离PI模块5；电流环积分分离PI模块5输出交轴电压和直轴电压到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块7；基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块7输出实际位置到锁相环转速估算模块6和PARK变换模块8，出实际直轴电压ud和实际交轴电压uq到PARK变换模块8；PARK变换模块8输出静止两相坐标系下的电压分量uα、uβ到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块7和空间矢量调制模块10；空间矢量调制模块10输出六路PWM信号到整流/三相逆变器12，再通过整流/三相逆变器12驱动永磁同步电机13运行。
本发明中的基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块7包括直轴电压开环给定模块28、交轴电压开环给定模块27、电压矢量切换模块29、初始位置判断模块30、位置开环给定模块32、新型滑模观测器转子位置估算模块31和位置自调整给定模块33；基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块7的信号连接关系如下：
直轴电压开环给定模块28和交轴电压开环给定模块27输出开环给定值到电压矢量切换模块29；电流环积分分离PI模块5输出直轴电压和交轴电压到电压矢量切换模块29；电压矢量切换模块29输出实际直轴电压ud和实际交轴电压uq到PARK变换模块8；CLARK变换模块11输出静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ到初始位置判断模块30；初始位置判断模块30输出初始位置到位置开环给定模块32，位置开环给定模块32输出开环转子给定θρ到位置自调整给定模块33；PARK变换模块8输出静止两相坐标系下的电压分量uα、uβ到新型滑模观测器转子位置估算模块31；新型滑模观测器转子位置估算模块31输出估算转子位置θe到位置自调整给定模块33；位置自调整给定模块33输出实际转子位置到锁相环转速估算模块6和PARK变换模块8。
本发明中的新型滑模观测器转子位置估算模块31包括基于PMSM数学模型的新型电流观测器22、第四加法器15、第五加法器16、滤波器模块18、饱和函数模块23、第七加法器24、乘法器25、估算反电势反馈增益系数模块26和转子位置计算模块19；新型滑 模观测器转子位置估算模块31信号连接关系如下：
基于PMSM数学模型的新型电流观测器22输出静止坐标系下的定子估算电流到第四加法器15，输出静止坐标系下的定子估算电流到第五加法器16；CLARK变换模块11输出静止两相坐标系下的电流分量iα到第四加法器15，输出静止两相坐标系下的电流分量iβ到第五加法器16；第四加法器15将根据静止坐标系下的定子估算电流和静止两相坐标系下的电流分量iα得出的结果Ⅰ输出到饱和函数模块23；第五加法器16将根据静止坐标系下的定子估算电流和静止两相坐标系下的电流分量iβ得出的结果Ⅱ输出到饱和函数模块23；饱和函数模块23将控制函数ZS分别输出到滤波器模块18和第七加法器24；滤波器模块18输出等效控制函数Zes到乘法器25；估算反电势反馈增益系数模块26输出估算反电势反馈增益系数l到乘法器25；乘法器25将通过等效控制函数Zes和估算反电势反馈增益系数l得出的运算结果l×Zes输出到第七加法器24；第七加法器24输出估算反电势反馈值到转子位置计算模块19和基于PMSM数学模型的新型电流观测器22；转子位置计算模块19输出估算转子位置θe到位置自调整给定模块33；基于PMSM数学模型的新型电流观测器22通过PARK变换模块8输出的静止两相坐标系下的电压分量uα、uβ以及估算反电势反馈值获得静止坐标系下的定子估算电流
本发明的一种隐极式永磁同步电机的无传感器矢量控制装置工作过程包含以下步骤：
(1)永磁同步电机13在运行的过程中，通过内置的传感器获取两相电流ia、ib；该两相电流ia、ib均输出到CLARK变换模块11中，由CLARK变换模块11进行计算后，获得静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ，再由CLARK变换模块11将静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ分别输出到IPARK变换模块9和基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块7中；
(2)人为设置永磁同步电机13的给定速度ωref，并通过上位系统将给定速度ωref输出到第一减法器1和基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块7中；
(3)第一减法器1通过给定速度ωref和实际速度(由锁相环转速估算模块6给出)计算出误差值Ⅰ，该误差值Ⅰ输入到速度环积分分离PI模块2中作运算后，输出给定交 轴电流iqref到第二减法器3中；
(4)IPARK变换模块9对静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ进行计算后，得出旋转两相坐标系下的实际直轴电流id、交轴电流iq；并将直轴电流id输入到第三减法器4，再将交轴电流iq输入到第二减法器3；
(5)第二减法器3通过交轴电流iq和给定交轴电流iqref(步骤3)得出误差值Ⅱ；误差值Ⅱ输入到电流环积分分离PI模块5中作运算后，输出永磁同步电机13的交轴电压
同时，人为设置永磁同步电机13的给定直轴电流idref＝0，并将给定直轴电流idref＝0通过上位系统输入到第三减法器4，第三减法器4通过给定直轴电流idref＝0和直轴电流id就可以得出误差值Ⅲ，误差值Ⅲ输入到电流环积分分离PI模块5中作运算后，输出永磁同步电机13的直轴电压
(6)直轴电压和交轴电压分别输入到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块7中；基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块7根据给定速度ωref(步骤2)、直轴电压(步骤5)、交轴电压(步骤5)、静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ(步骤1)和电压分量uα、uβ(步骤6)计算出实际位置实际直轴电压ud和实际交轴电压uq；实际位置输出到锁相环转速估算模块6，并通过锁相环转速估算模块6计算出实际速度并在循环步骤3的时候，输入到第一减法器1；实际位置实际直轴电压ud和实际交轴电压uq均输入到PARK变换模块8，由PARK变换模块8经过计算后，获得电压分量uα、uβ，并在循环到本步骤的以上所述阶段时，输入到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块7；同时，PARK变换模块还将电压分量uα、uβ输出到空间矢量调制模块10，并且经过经运算，空间矢量调制模块10得出六路PWM信号，并输出到整流/三相逆变器12，由整流/三相逆变器12驱动永磁同步电机13运行。
以上所述的第一减法器1、速度环积分分离PI模块2、第二减法器3、第三减法器4、电流环积分分离PI模块5、锁相环转速估算模块6、PARK变换模块8、IPARK变换模块9、空间矢量调制模块10、CLARK变换模块11、整流/三相逆变器12和永磁同步电机13(permanent magnet synchronous motor，PMSM)均为现有的公知技术。
本发明基于位置自调整电压矢量闭环切换的无传感器闭环控制模块7的工作过程，包 含以下实现步骤；
(7)人为设置交轴电压开环给定模块27和直轴电压开环给定模块28的开环给定值；
直轴电压开环给定模块28的输出值设置为0；
交轴电压开环给定模块27的输出值设置为g＝ke(f)，其中，ke为电机反电势系数，f为电机开环运行给定频率。
(8)电压矢量切换模块29接受电流环积分分离PI模块5输出的直轴电压交轴电压(步骤6中，电流环积分分离PI模块5输出直轴电压交轴电压到基于位置自调整电压矢量切换的无传感器闭环控制模块7)以及交轴电压开环给定模块27和直轴电压开环给定模块28的开环给定值(通过步骤7获得)，经电压矢量切换模块29的计算后，就可以得出实际直轴电压ud和实际交轴电压uq；
电压矢量切换模块29的实现方法如下：
电压矢量切换模块29根据永磁同步电机13开环运行的给定速度ωref(给定速度ωref由步骤2中人为设定获得，在步骤2中输入到基于位置自调整电压矢量闭环切换的无传感器闭环控制模块7)值进行判断切换，当ωref＝ωref1(ωref1为位置自调整因子p近似为零时，系统运行的速度，该值为固定值)时进行直轴电压交轴电压和交轴电压开环给定模块27、直轴电压开环给定模块28开环给定值之间的切换(以ωref＝ωref1做为切换点，当ωref小于ωref1时，该实际直轴电压ud和实际交轴电压uq就是人为设置的交轴电压开环给定模块27和直轴电压开环给定模块28的开环给定值，当ωref大于等于ωref1时，该实际直轴电压ud和实际交轴电压uq就是电流环积分分离PI模块5输出的直轴电压交轴电压)。
(9)初始位置判断模块30通过静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ判断得到永磁同步电机13的初始位置，并将初始位置输入位置开环给定模块32；位置开环给定模块32以该初始位置为基准作周期变化的开环转子给定输出θρ；
同时，新型滑模观测器转子位置估算模块31通过静止两相坐标系下的静止两相坐标系下的电流分量iα、iβ以及电压分量uα、uβ进行估算输出永磁同步电机13的估算转子位置θe。
(10)位置自调整给定模块33接受估算转子位置θe和开环转子给定输出θρ的信号，经运算输出永磁同步电机13的实际转子位置(步骤7的输出)；
所述位置自调整给定模块33的实现方法如下：
其中，p＝1/(c×ωref+1)是位置自调整因子，ωref为电机的给定速度(步骤1获得)，是位置自调整给定33的输出值，θρ为位置开环给定模块32输出的开环转子给定输出θρ，θe为新型滑模观测器转子位置估算模块31输出的估算转子位置θe，c是常数。
永磁同步电机13起动时，ωref＝0，p＝1，按照开环转子给定输出θρ赋值，永磁同步电机13转子位置跟着θρ改变，此时估算转子位置θe误差较大，刚好不起主要作用；随着转速上升，新型滑模观测器转子位置估算模块31输出的估算转子位置θe的估算位置误差由大变小，p也由1变小，当给定速度运行到某一个速度ωref1时，p近似为零，此时按照估算转子位置θe赋值，这样就实现了角度的自动调整。其中c和ωref1的值为常数。
以上所述的初始位置判断模块30为现有的公知技术。
本发明新型滑模观测器转子位置估算模块31是在传统滑模观测器算法上改进而得，具体思路如下：
附图3是一种传统滑模观测器转子位置估算算法的原理框图，主要包括基于PMSM数学模型的传统电流观测器14、开关函数17、低通滤波器18、转子位置计算模块19、角度补偿模块21、第四减法器15、第五减法器16和第六加法器20，其设计原理如下：
永磁同步电机在αβ坐标系下的电压方程为：
uα=Riα+Lsdiα/dt+eαuβ=Riβ+Lsdiβ/dt+eβ---(3)]]>
eα=-ωeψfsinθeeβ=ωeψfcosθe---(4)]]>
式(4)为电机的反电势，由于电机定子电流变化的反应时间远远快于转速变化的反应时间，故可以假设则反电势模型变换为：
e&CenterDot;α=-ωeeβe&CenterDot;β=ωeeα---(5)]]>
式(5)表明永磁同步电机的转速(ωe)只与反电势有关，式(4)表明电机反电势为正弦波，其幅值与转速成正比，其相位与转子位置相关。
将式(3)改写为状态方程形式，即有
diα/dt＝-Riα/Ls-eα/Ls+uα/Ls
diβ/dt＝-Riβ/Ls-eβ/Ls+uβ/Ls       (6)
根据滑模变结构控制理论以及SPMSM在αβ坐标系下数学模型，传统滑模观测算法建立永磁同步电机的传统电流滑模观测器为：
di~α/dt=-Ri~α/Ls+(uα-Zα)/Lsdi~β/dt=-Ri~β/Ls+(uβ-Zβ)/Ls---(7)]]>
其中：为αβ轴的估算电流，Zα、Zβ为αβ轴的控制函数，令s代表α和β，Zs采用开关函数控制，k表示开关增益，定义为：
Zs=ZαZβ=kS>00S=0-kS<0---(8)]]>
式(7)与式(6)相减，如果两式中的电机参数一致，则得到误差状态方程：
dSs/dt＝-RSs/Ls+(es-Zs)/Ls        (9)
取为滑模超平面，当系统在滑模面上滑动时，满足从而，估算电流与实际电流一致。应用等效控制法分析，得到等效的连续输入信号应为：
es|eq＝Zs|eq      (10)
当滑模运动稳定后，估算反电势满足而实际上Zs是断续的开关量，可以表示为：
Zs=e^s+Δus---(11)]]>
式中，△us为开关输入引起的畸变量。为了得到估算反电势和需要将Zs通过低通滤波器(ωc为低通滤波器的截止频率)滤除高次谐波，见式(12)：
e^s=Zsωc/(s+ωc)---(12)]]>
根据估算反电势值，可求得估算转子位置的电角度：
θ~e=-tan-1(e^α/e^β)θ~e=-tan-1(e^α/e^β)---(13)]]>
从式(13)可知，该估算反电势信号不是直接的控制函数，通过低通滤波器后估算转子位置必然会引入相位延迟，必须作角度补偿。该延迟与低通滤波器的相位响应直接相关，其截止频率越低，对应固定频率的相位延迟越大，可用公式(14)计算，为了能准确估算转子的位置，需要针对低通滤波器的相位响应，做一个相位延迟表，通过查表求得电机运行 时对应转速(频率)的相移角△θ。最终，估算转子位置为：根据以上原理，得到图3所示的传统滑模观测器转子位置估算方法的控制框图。
△θ＝tan-1(ωeωc)      (14)
△θ＝tan-1(ωeωc)
附图4为本发明中的新型滑模观测器转子位置估算模块31的控制原理框图，主要包括基于PMSM数学模型的新型电流观测器22、饱和函数模块23、滤波器模块18(低通滤波器)、转子位置计算模块19、估算反电势反馈增益系数模块26、第四加法器15、第五加法器16、第七加法器24和乘法器25。
本发明中的新型滑模观测器转子位置估算模块31相比传统滑模观测器算法，新型滑模观测器转子位置估算模块31将切换函数采用饱和函数代替，低通滤波器采用截止频率随转速变化的方式设计，将反电势估算值反馈引入到定子电流的观测计算中，并去掉了因低通滤波器引入而作角度补偿这个环节，其中新的电流观测器数学模型为：
di^α/dt=-Ri^α/Ls+(uα-lZea-Zα)/Lsdi^β/dt=-Ri^β/Ls+(uβ-lZeβ-Zβ)/Ls---(15)]]>
式(15)与式(6)相减，可得改进型滑模观测器的误差动态方程为：
dSs/dt＝-RSs/Ls+(es-lZes-Zs)/Ls      (16)
式(16)中引入了估算反电势的反馈值lZes，l为反馈系数，估算反电势Zes由控制函数Zs经低通滤波得到，为控制函数Zs的等效控制函数(s同样代表α和β)：
Zes＝Zs×ωc/(s+ωc)      (17)
同样根据滑模控制理论，当系统进入稳态，在滑模面上进行滑动时，满足得
e^s=l×Zes+Zs={jM+(1+l)}×Zes---(18)]]>
则估算转子位置为：
θe=θ~e=-tan-1(e^α/e^β)&ap;-tan-1(Zeα/Zeβ)---(19)]]>
比较式(13)、(19)知，新型滑模观测器转子位置估算模块31的反电势信号直接从具有高次谐波的控制函数Zs变化到滤波后的等效控制函数Zes，且Zes作用在反馈闭环控制回路中，根据式(19)计算得的转子位置就非常接近实际转子位置，这样相比传统滑模观测器就可以减少低通滤波器引入而采用的角度补偿模块这个环节，避免了很多问题。
另外，由系统稳定性分析知，基于数学模型改进的滑模观测器满足稳定性的条件为：
(1+l/(jM+1))k>|eα,β|＝ke|ωe|     (20)
其中，ke为电机的反电势系数，ωe为电机的电角速度，式(20)可简化为：
l>ke|ωe|/k-1    (21)
式中k>ke，取k＝1.5ke，设计反馈增益系数的自适应律为：
l＝|ωref|-1      (22)
本发明新型滑模观测器转子位置估算模块31的工作过程，包括以下步骤：
(11)基于PMSM数学模型的新型电流观测器22接受PARK变换模块8输出的静止两相坐标系下的电压分量uα、uβ和第七加法器24输出的估算反电势反馈值经运算得出静止坐标系下的定子估算电流
(12)基于PMSM数学模型的新型电流观测器22和CLARK变换模块11分别将静止坐标系下的定子估算电流和静止两相坐标系下的电流分量iα(CLARK变换模块11输出)输入到第四加法器15；基于PMSM数学模型的新型电流观测器22和CLARK变换模块11分别将静止坐标系下的定子估算电流和静止两相坐标系下的电流分量iβ(CLARK变换模块11输出)输入到第五加法器16；
第四加法器15和第五加法器16将以上的电流分量iα、iβ以及静止坐标系下的定子估算电流运算后，将运算结果输入到饱和函数模块23中，经计算输出控制函数Zα、Zβ；
(13)控制函数Zα、Zβ一方面经滤波器模块18后输出等效控制函数Zeα、Zeβ；另一方面又输入到第七加法器24中；
(14)估算反电势反馈增益系数模块26得出估算反电势反馈增益系数l，并将估算反电势反馈增益系数l输入到乘法器25中；
滤波器模块18将等效控制函数Zeα、Zeβ输入到乘法器25中；
乘法器25运算后得出l×Zes(即l×Zeα、l×Zeβ)，并将l×Zes输入到第七加法器24中；
(15)第七加法器24对其输入的l×Zeα、l×Zeβ和Zα、Zβ做加法运算，输出估算反电势反馈值
一方面：估算反电势反馈值经转子位置计算模块19运算后得出估算转子位置θe；
另外一方面：估算反电势反馈值循环输入基于PMSM数学模型的新型电流观测器22中，用以计算静止坐标系下的定子估算电流
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。