【技术实现步骤摘要】
本申请实施例涉及同步电机的无传感器控制锁相环，特别涉及一种基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法及系统。
技术介绍
1、同步电机是现代工业中得到广泛应用的电机之一，以永磁同步电机为例，其具有较高的能量转换效率和较高的转矩密度，在各领域得到了广泛的应用。高性能的永磁同步电机驱动闭环控制往往需要机械位置传感器，但后者会降低系统的鲁棒性。由此，无传感器的永磁同步电机控制方法在科学研究和工程应用中显得尤为重要。
2、无传感器控制算法所估计的转子位置信息需要锁相环进行信息提取。然而锁相环的估计精度会影响同步电机闭环控制的性能。现阶段锁相环改进的方法主要有三阶锁相环和并联锁相环等，然而三阶锁相环和并联锁相环的参数整定过程更加繁琐以及传统锁相环的带宽限制导致在全速域范围内难以达到满意的性能，因此以实现对同步电机更优的控制效果，保证无传感器控制的鲁棒性，锁相环的创新被考虑引入其中。
技术实现思路
1、本申请实施例提供一种基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法及系统，兼顾传统卡尔曼滤波的优异预测以及抗干扰性能，同时克服了其计算量大的限制，实现对转子位置信号的提取。
2、为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例提供一种基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法，包括以下步骤：首先，基于无传感器算法，获取位置信号；然后，基于位置信号，构建位置误差信号；接下来，基于固定增益卡尔曼滤波器和位置误差信号，估计同步电机的转子位置和转速；最后，基于同步电机的转子位置和转速，对同步电机进
3、在一些示例性实施例中，采用基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环，估计同步电机的转子位置和转速。
4、在一些示例性实施例中，锁相环包括：依次连接的归一化模块、鉴相器和固定增益卡尔曼滤波器。
5、在一些示例性实施例中，归一化模块用于处理所述无传感器算法的位置信号；所述鉴相器用于构建相位角度估计值之差，得到位置误差信号；所述固定增益卡尔曼滤波器用于估计同步电机的转子位置以及转速。
6、在一些示例性实施例中，固定增益卡尔曼滤波器的数学模型为：
7、xk+1＝fxk+guk+γwk
8、yk+1＝hxk+dvk (1)
9、其中，x，u，y分别为系统状态变量、系统输入以及输出；f为状态转移矩阵；g为控制矩阵；γ为系统噪声矩阵；h为观测矩阵；d为测量噪声矩阵；
10、固定增益卡尔曼滤波器通过更新增益矩阵，从而进行下一周期的状态变量进行估计；采用所述固定增益卡尔曼滤波器估计状态变量的算法流程如下所示：
11、
12、其中，为预测状态变量，表示协方差矩阵，f为状态转移矩阵，i为单位矩阵，k为最优增益矩阵；～代表预测值，^代表观测值。
13、在一些示例性实施例中针对同步电机无传感器的锁相环，所述固定增益卡尔曼滤波器的状态变量包括同步电机的转子位置、转速及加速度；所述状态变量表示为xk＝[θkωk ak]t，其中，输入矩阵g＝0，观测噪声矩阵d＝1。
14、在一些示例性实施例中，根据固定增益卡尔曼滤波器设计的锁相环系统的状态变量，分别对所述固定增益卡尔曼滤波器的数学模型中状态转移矩阵、过程噪声转移矩阵、观测矩阵进行进一步定义，如下所示：
15、
16、当固定增益卡尔曼滤波器达到稳态时，误差协方差矩阵收敛至稳定状态，得到最优固定增益矩阵，如下式所示：
17、
18、根据状态变量之间的物理关系，得到固定增益矩阵的三个参数间的映射关系，如下式所示：
19、
20、其中，固定增益卡尔曼滤波器的固定增益矩阵由一个可调参数λ进行表征。
21、在一些示例性实施例中，固定增益卡尔曼滤波器的增益矩阵的可调参数为过程噪声与测量噪声的函数，且所述可调参数影响滤除噪声以及相位跟踪能力，所述可调参数通过稳定性原则限定在一定范围内，如下所示：
22、d(z)＝(-s-1)z3+(7s-1)z2+(s3-7s2)z+(s3+s) (6)
23、其中，可调参数s的取值范围限定于区间内。
24、第二方面，本申请实施例还提供了一种基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整系统，包括：依次连接的归一化模块、鉴相器、固定增益卡尔曼滤波器和数据处理模块；归一化模块用于采用无传感器算法，获取位置信号；鉴相器用于根据所述位置信号，构建位置误差信号；固定增益卡尔曼滤波器用于根据固定增益卡尔曼滤波器和所述位置误差信号，估计同步电机的转子位置和转速；数据处理模块用于根据所述同步电机的转子位置和转速，对同步电机进行控制。
25、在一些示例性实施例中，采用基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环，估计同步电机的转子位置和转速；锁相环为三阶锁相环，基于三个参数间的耦合关系，所述固定增益卡尔曼滤波器的固定增益矩阵由一个可调参数进行表征。
26、本申请实施例提供的技术方案至少具有以下优点：
27、本申请实施例提供一种基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法及系统，该方法包括以下步骤：首先，基于无传感器算法，获取位置信号；然后，基于位置信号，构建位置误差信号；接下来，基于固定增益卡尔曼滤波器和位置误差信号，估计同步电机的转子位置和转速；最后，基于同步电机的转子位置和转速，对同步电机进行控制。
28、首先，在现有的同步电机无传感器控制技术当中，通常采用无传感器算法与锁相环相结合，而常用的锁相环为正交锁相环，通常由鉴相器，滤波器，积分器组成。然而滤波器中的pi控制器能在稳态下的位置同步性能优异，然而，由于pi控制器本身的限制，当同步电机的转速发生变化，例如给定斜坡参考速度或者阶跃参考速度时会出现显著的稳态误差。因此本申请通过固定增益卡尔曼滤波算法设计了三阶的锁相环，在同步电机加减速以及加载减载等工况下都有着更好的控制精度，更优异的动态性能，更快的响应时间，从而使同步电机无传感器控制具有更强的鲁棒性。
29、其次，在现有基于传统锁相环改进的三阶锁相环技术当中，在同步电机加减速等工况下有着更好的动态性能，然而由于引入新的回路或增加阶数，使得需要整定的参数由两个增加至三个，导致繁琐耗时的参数整定工作更恶化。本申请虽为三阶锁相环，但通过三个参数间的耦合关系研究，可由一个可调参数表征。该参数可通过稳定性分析限制在一个小范围内，综上所述，本申请相较于现有技术，参数整定过程简单易行，具有广阔的工业应用前景。
30、另外，本申请提供的基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环，计算过程简单，所需计算量减少，相较于传统锁相环以及改进后的锁相环，更易于数字化实现和工业应用，同等条件下，对于硬件要求更低，成本降低。
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1.一种基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法，其特征在于，采用基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环，估计同步电机的转子位置和转速。
3.根据权利要求2所述的基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法，其特征在于，所述锁相环包括：依次连接的归一化模块、鉴相器和固定增益卡尔曼滤波器。
4.根据权利要求3所述的基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法，其特征在于，所述归一化模块用于处理所述无传感器算法的位置信号；所述鉴相器用于构建相位角度估计值之差，得到位置误差信号；所述固定增益卡尔曼滤波器用于估计同步电机的转子位置以及转速。
5.根据权利要求1所述的基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法，其特征在于，所述固定增益卡尔曼滤波器的数学模型为：
6.根据权利要求5所述的基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法，其特征在于，针对同步电机无传感器的锁相环，所述固定增益卡尔曼滤波器的状态变量包括同步电机的转子位置、转速及加速度；所述状态变量表示
7.根据权利要求5所述的基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法，其特征在于，根据所述固定增益卡尔曼滤波器设计的锁相环系统的状态变量，分别对所述固定增益卡尔曼滤波器的数学模型中状态转移矩阵、过程噪声转移矩阵、观测矩阵进行进一步定义，如下所示：
8.根据权利要求6所述的基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法，其特征在于，所述固定增益卡尔曼滤波器的增益矩阵的可调参数为过程噪声与测量噪声的函数，且所述可调参数影响滤除噪声以及相位跟踪能力，所述可调参数通过稳定性原则限定在一定范围内，如下所示：
9.一种基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整系统，其特征在于，包括：依次连接的归一化模块、鉴相器、固定增益卡尔曼滤波器和数据处理模块；
10.根据权利要求9所述的基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整系统，其特征在于，采用基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环，估计同步电机的转子位置和转速；
...【技术特征摘要】
1.一种基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法，其特征在于，采用基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环，估计同步电机的转子位置和转速。
3.根据权利要求2所述的基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法，其特征在于，所述锁相环包括：依次连接的归一化模块、鉴相器和固定增益卡尔曼滤波器。
4.根据权利要求3所述的基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法，其特征在于，所述归一化模块用于处理所述无传感器算法的位置信号；所述鉴相器用于构建相位角度估计值之差，得到位置误差信号；所述固定增益卡尔曼滤波器用于估计同步电机的转子位置以及转速。
5.根据权利要求1所述的基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法，其特征在于，所述固定增益卡尔曼滤波器的数学模型为：
6.根据权利要求5所述的基于固定增益卡尔曼滤波器的锁相环调整方法，其特征在于，针对同步电机无传感器的锁相环，所述固定增益卡尔曼滤波器的状态变量包括同步...
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