本实用新型涉及一种电机，特别是一种无位置传感器的永磁同步电机控制装置及电机系统，属于电子技术领域。
背景技术：
目前，高性能永磁同步电机调速系统通常需要在电机轴上安装机械传感器(如编码器、解码器、测速发电机)，以提供电机控制所需要的转子位置和速度信号。但是，安装机械传感器会给系统带来一些问题，例如：增加了系统成本，增大了电机的尺寸和转动量，降低了系统可靠性，限制了传动系统在振动、潮湿等恶劣环境下的应用等。
技术实现要素：
本实用新型的主要目的在于提供一种无位置传感器的永磁同步电机控制装置，从而克服现有技术的不足。
为了达到前述发明目的，本实用新型采用了以下方案：
本实用新型实施例提供了一种无位置传感器的永磁同步电机控制装置，其包括依次连接的反电势观测单元、低通滤波单元、角度计算单元和角度补偿单元；其中，所述反电势观测单元用于接收及处理永磁同步电机的实际α、β相电压和实际α、β相电流，进而输出控制信号；所述低通滤波单元用于过滤所述控制信号内的高频扰动信号，并输出连续的α、β相反电势信号；所述角度计算单元用于接收并处理所述的α相和β相反电势信号，并输出永磁同步电机转子的电角度；所述角度补偿单元用于接收并处理所述永磁同步电机转子的电角度，并输出永磁同步电机转子电角度估计值。
在一些实施方式中，所述反电势观测单元包括电流观测模块和电流控制模块，所述电流观测模块用于接收及处理永磁同步电机的实际α、β相电压和实际α、β相电流以及控制信号，并输出α、β相电流的估计值；所述电流控制模块用于接收和处理所述永磁同步电机的实际α、β相电流和α、β相电流的估计值，并输出所述控制信号。
在一些实施方式中，所述电流控制模块包括减法器、比较器和放大器，所述减法器用于对由电流观测模块输出的相电流估算值和实际相电流进行相减处理，并向比较器输出相电流误差，所述比较器用于将相电流误差与0相比，并在相电流误差大于0时输出1，而在相电流误差小于0时输出0，所述放大器用于对所述比较器的输出结果进行放大，并输出所述控制信号。
在一些实施方式中，所述放大器包括分路设置的正向放大器、反向放大器，所述比较器经复选器与正向放大器、反向放大器连接，而所述正向放大器、反向放大器还与低通滤波单元连接。
在一些实施方式中，所述正向放大器、反向放大器还分别与一放大倍数调节器连接。
在一些实施方式中，所述角度补偿单元包括角度补偿量获取模块和加法器，所述角度补偿量获取模块用于根据电机转子运行时的实际速度和低通滤波单元的截止角频率计算获得滞后的相移角，所述加法器用于接收所述滞后的相移角并与所述角度计算单元输出的电角度相加，进而输出所述永磁同步电机转子电角度估计值。
在一些实施方式中，所述反电势观测单元、低通滤波单元、角度计算单元和角度补偿单元中的任一者或多者选自mcu器件、ic数字器件或模拟器件。
在一些实施方式中，所述反电势观测单元、低通滤波单元、角度计算单元和角度补偿单元中的任一者或多者选自dsp、arm、cpld或者fpga。
本实用新型实施例还提供了一种电机系统，包括电机、电机矢量控制装置、逆变桥以及所述的无位置传感器的永磁同步电机控制装置，所述永磁同步电机控制装置依次通过电机矢量控制装置、逆变桥与电机连接。
较之现有技术，本实用新型提供的无位置传感器的永磁同步电机控制装置无需安装位置传感器，通过采集电机电流、电压等信号就可以获知电机转子的位置和速度，不仅降低了电机控制系统的硬件成本，减小了电机的尺寸和转动惯量，减少了机械结构的复杂度，还可提高电机控制系统的环境适应性和可靠性，具有高可靠、低成本、高鲁棒性等特点，应用前景广阔。
附图说明
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中记载的一些实施例，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为本实用新型实施例中一种无位置传感器的永磁同步电机控制装置的应用原理图；
图2为本实用新型实施例中一种无位置传感器的永磁同步电机控制装置的结构示意图；
图3为图2中反电势观测单元的结构示意图；
图4为图2中电流控制模块的结构示意图；
图5为图2中角度补偿单元的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本实用新型一实施例提供的一种无位置传感器的永磁同步电机控制装置在电机控制系统中所处的位置和功能如图1所示，其为永磁同步电机的矢量控制装置提供电角度位置信息，使其能进行速度和电流的闭环控制。其中，该永磁同步电机控制装置1与电机矢量控制装置2连接，该电机矢量控制装置2通过逆变桥3与电机4连接。在工作时，该永磁同步电机控制装置1采集永磁同步电机4的实际α、β相电压vα、vβ及实际α、β相电流iα、iβ，并经处理后向电机矢量控制装置2输出永磁同步电机转子电角度值θe，而逆变桥3则向电机4、电机矢量控制装置2输出三相电流ia、ib、ic，其一般为模拟量。
进一步的，请继续参阅图2所示，所述永磁同步电机控制装置主要由四个部分组成，分别为：反电势观测单元11、低通滤波单元12、角度计算单元13和角度补偿单元14。
更进一步的，请参阅图3所示，所述反电势观测单元主要由一个电流观测模块111和一个电流控制模块112组成。所述反电势观测单元的主要作用是接收永磁同步电机的实际α、β相电压和实际α、β相电流，输出不连续的反电势信息。
其中，所述电流观测模块接收实际α、β相电压和从电流控制模块传来的控制信号u，并通过处理获得α、β相电流的估计值
所述电流控制模块接收实际α、β相电流和从电流观测模块传来的α、β相电流的估计值，并通过处理获得控制信号u，再将其输出给电流观测模块。
如图4所示，所述电流控制模块112包括减法器1121、比较器1122、正向放大器1123、反向放大器1124和放大倍数调节器1125及1125’。所述电流控制模块112的主要作用是接收电流观测模块111输出的相电流估算值
所述低通滤波单元12用于过滤所述控制信号内的高频扰动信号，并输出连续的α、β相反电势信号。
所述角度计算单元13的主要作用是接收低通滤波装置输出的α相和β相反电势信息，并处理得到永磁同步电机转子的电角度
所述角度补偿单元14主要由一个角度补偿量获取模块141和一个加法器142构成，其主要作用是补偿低通滤波单元12带来的角度相位延迟，其接收角度计算单元13传来的电角度
在本实施例中，所述反电势观测单元、低通滤波单元、角度计算单元、角度补偿单元均可以采用dsp、arm、cpld、fpga等mcu器件、ic数字器件或模拟器件等组合进行实现，而其中的信息处理过程也可以利用本领域技术人员已知的软件等实施。
本实施例的无位置传感器的永磁同步电机控制装置具有高可靠、低成本、高鲁棒性等特点，其相比于现有的基于位置传感器的控制方式具有很多优点，例如：无需安装位置传感器，通过采集电机电流、电压等信号就可以计算转子位置和速度；降低了电机控制系统的硬件成本；减小了电机的尺寸和转动惯量；可以减少设计安装传感器的环节，简化了硬件方案的实施；避免了传感器硬件出错的隐患，提高了系统的可靠性；无传方式获取的位置信息不会受到恶劣环境的影响，提高了系统的环境适应性；减小了的系统的重量，提高了系统的功率密度。本实施例的无位置传感器的永磁同步电机控制装置在风力发电、水力发电、新能源汽车、水下推进和航空等应用方面具有广大的应用前景。
此外，需要说明的是，在本说明书中，“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。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
1.一种无位置传感器的永磁同步电机控制装置，其特征在于包括依次连接的反电势观测单元、低通滤波单元、角度计算单元和角度补偿单元；其中，所述反电势观测单元用于接收及处理永磁同步电机的实际α、β相电压和实际α、β相电流，进而输出控制信号；所述低通滤波单元用于过滤所述控制信号内的高频扰动信号，并输出连续的α、β相反电势信号；所述角度计算单元用于接收并处理所述的α相和β相反电势信号，并输出永磁同步电机转子的电角度；所述角度补偿单元用于接收并处理所述永磁同步电机转子的电角度，并输出永磁同步电机转子电角度估计值。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制装置，其特征在于：所述反电势观测单元包括电流观测模块和电流控制模块，所述电流观测模块用于接收及处理永磁同步电机的实际α、β相电压和实际α、β相电流以及控制信号，并输出α、β相电流的估计值；所述电流控制模块用于接收和处理所述永磁同步电机的实际α、β相电流和α、β相电流的估计值，并输出所述控制信号。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机控制装置，其特征在于：所述电流控制模块包括减法器、比较器和放大器，所述减法器用于对由电流观测模块输出的相电流估算值和实际相电流进行相减处理，并向比较器输出相电流误差，所述比较器用于将相电流误差与0相比，并在相电流误差大于0时输出1，而在相电流误差小于0时输出0，所述放大器用于对所述比较器的输出结果进行放大，并输出所述控制信号。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机控制装置，其特征在于：所述放大器包括分路设置的正向放大器、反向放大器，所述比较器经复选器与正向放大器、反向放大器连接，而所述正向放大器、反向放大器还与低通滤波单元连接。
5.根据权利要求4所述的永磁同步电机控制装置，其特征在于：所述正向放大器、反向放大器还分别与一放大倍数调节器连接。
6.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制装置，其特征在于：所述角度补偿单元包括角度补偿量获取模块和加法器，所述角度补偿量获取模块用于根据电机转子运行时的实际速度和低通滤波单元的截止角频率计算获得滞后的相移角，所述加法器用于接收所述滞后的相移角并与所述角度计算单元输出的电角度相加，进而输出所述永磁同步电机转子电角度估计值。
7.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制装置，其特征在于：所述反电势观测单元、低通滤波单元、角度计算单元和角度补偿单元中的任一者或多者选自mcu器件、ic数字器件或模拟器件。
8.根据权利要求7所述的永磁同步电机控制装置，其特征在于：所述反电势观测单元、低通滤波单元、角度计算单元和角度补偿单元中的任一者或多者选自dsp、arm、cpld或者fpga。
9.一种电机系统，包括电机、电机矢量控制装置和逆变桥，其特征在于：还包括权利要求1-8中任一项所述的无位置传感器的永磁同步电机控制装置，所述永磁同步电机控制装置依次通过电机矢量控制装置、逆变桥与电机连接。
技术总结