本发明属于永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种迭代锁相极限环磁链观测器、控制方法及装置、系统。
背景技术：
1、永磁同步电机无位置传感器驱动系统能够以低成本实现高效、低维护频率与高功率密度的机电能量变换，在风机、压缩机与轨道交通领域受到广泛应用，其根据原理的不同，可分为高频信号注入法与基频模型法。高频信号注入法需要注入辅助信号至电机定子，会增加系统损耗与减小电压利用率，通常用于永磁同步电机无位置传感器驱动系统的零低速域运行。
2、基频模型法无需额外辅助信号注入，仅基于电机基频模型设计先进观测器估算反电动势或磁链信息，便能够获取精准的转速与位置信息。诸多学者采用模型参考自适应、扩展卡尔曼滤波器与滑模观测器等方法设计反电动势观测器，但反电动势幅值与电机转速成正比，在电机在低速运行时，逆变器非线性因素、直流偏置与谐波成分等非理想因素会显著降低反电动势成分的信噪比，进而降低反电动势基频模型法的控制精度。
3、基于转子磁链的基频模型法是通过对电机反电动势进行积分或等效积分处理来获取电机的转子磁链信息以提取电机转速与位置。采用纯积分作为转子磁链观测器时，积分漂移与初值误差会导致估计的磁链信息产生斜坡偏置，造成计算精度下降，甚至发散。为抑制直流偏执，通常在纯积分后级联高通滤波器以解决纯积分的积分漂移问题，即等效为采用低通滤波器作为磁链观测器，但低通滤波器会导致估计的磁链信息存在相位滞后与幅值衰减。二阶广义积分的谐振频率(具有单位增益与零相位滞后)能够偏离0hz，采用二阶广义积分作为磁链观测器避免低通滤波器引入的幅值衰减与相位滞后，但其采用线性振荡器作为正交信号发生器，观测性能依赖于积分初值，进一步采用非线性振荡器能够提高观测器的鲁棒性。
4、在获取转子磁链信号后，通常采用锁相环提取电机转速与位置信息。然而，传统锁相环采用pi控制器作为环路滤波器，其线性特性与固定参数无法满足电机频繁变化的工况，如不能实现输入为频率斜坡信号时的准确追踪，进而限制传统锁相环在电机频率快速变化应用场合下的使用。现有技术中有提出一种新型的迭代锁相环，采用迭代运算求解方程的原理去搜索电机转子位置以提高锁相环的动态响应能力，且无需整定控制参数，但该方法需要64次迭代寻优才能够得到0.003rad的理论观测精度，这无疑会显著增加数字控制器的负担。
5、综上所述，如何实现高精度与低计算负担的永磁同步电机无位置传感器控制具有重要的研究意义。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种迭代锁相极限环磁链观测器、控制方法及装置、系统，用于解决上述问题。
2、本发明提供如下的技术方案：
3、第一方面，本发明提供了一种极限环磁链观测器，所述极限环磁链观测器基于极限环振荡器设计转子磁链观测器，所述极限环磁链观测器包括：
4、收敛半径设定模块，用于设定收敛半径满足：其中a为极限环系统的收敛半径，esα与esβ为αβ轴系电机反电动势信号；
5、观测器构建模块，用于通过引入反电动势的追踪误差项构建极限环磁链观测器，获取转子磁链信息；
6、所述极限环磁链观测器为：
7、
8、其中，上标“^”表示估计量，k与γ(k,γ>0)为极限环磁链观测器的可调增益，εe＝[εeα εeβ]t为反电动势追踪误差矢量，为极限环磁链观测器所获取的转子磁链矢量,为估计的反电动势直流矢量，为估计的反电动势矢量，为的正交矢量；
9、估计的反电动势矢量与实际反电动势矢量es之间的传递函数表示为：
10、
11、极限环磁链观测器估计的转子磁链矢量与实际反电动势矢量es之间的传递函数表示为：
12、
13、其中，q(s)为与之间的传递函数。
14、第二方面，本发明提供了一种迭代锁相环，所述迭代锁相环基于牛顿迭代，所述迭代锁相环包括：
15、归一化模块，用于将转子磁链信息做归一化处理，计算归一化后的γδ轴坐标系转子磁链；
16、补偿角设定模块，用于根据γδ坐标系转子磁链的符号将整个计算域分为四个区域i-iv，并根据分区设定迭代初值补偿角；
17、所述根据分区设定迭代初值补偿角θc为：
18、
19、迭代初值模块，用于根据初值补偿角将区域i与iv补偿至区域ii与iii，确定出迭代初值；
20、所述迭代初值θe(0)表示为：
21、
22、代价函数模块,用于根据获取的归一化后的γδ轴坐标系转子磁链得出等效位置误差，构建代价函数来提取转子位置；
23、计算精度模块，用于计算不同迭代次数下的计算精度，从而确定出迭代次数是否合理；
24、微分模块，用于在获取转子位置后通过对转子位置微分获取电机转速。
25、在一种实施方式中，所述等效位置误差为：
26、
27、其中，eerr为等效位置误差，为归一化后的αβ轴转子磁链信息，为归一化后的γδ轴转子磁链信息，为估计的转子位置误差，θe为转子位置实际值，为转子位置观测值；
28、通过等效位置误差构建代价函数来获取转子位置；
29、所述代价函数jnew为：
30、
31、转子位置的获取可以等效为求解：
32、
33、为求解上式，定义与估计转子位置相关的牛顿迭代公式
34、
35、在一种实施方式中，将迭代初值与电机转子位置的差值限制在区间【-π/2,π/2】rad以内，进而提高牛顿迭代法的收敛速度，减小牛顿迭代法的计算域。
36、在一种实施方式中，不同迭代次数下的计算精度通过下式计算：
37、
38、其中，θerr(j-1)与θerr(j)为第j-1与j次迭代的计算误差，与为第j-1与j次迭代计算出的转子位置信息。
39、第三方面，本发明提供了一种迭代锁相极限环磁链观测器，所述迭代锁相极限环磁链观测器用于获取电机转子磁链信息，并提取电机转速与位置信号；提取的电机转速与位置信号用于输入至电机闭环控制系统，实现对永磁同步电机的无位置传感器闭环控制；所述迭代锁相极限环磁链观测器包括上述的迭代锁相环和上述的极限环磁链观测器；所述极限环磁链观测器，用于获取电机转子磁链信息；所述迭代锁相环用于根据极限环磁链观测器转子磁链信息，提取电机转速与位置信息，并将转速反馈到极限环磁链观测器中。
40、第四方面，本发明提供了一种基于迭代锁相极限环磁链观测器的永磁同步电机控制方法，所述方法包括：
41、采集电机αβ轴电压、电流信号，构建αβ轴系下的ipmsm数学模型，计算得出电机反电动势矢量；
42、将电机反电动势矢量作为输入，通过上述的迭代锁相极限环磁链观测器获取电机转子磁链信息，并根据电机转子磁链信息估计出电机转速与位置信号；
43、将电机转速与位置信号输入至电机闭环控制系统，实现对永磁同步电机的无位置传感器闭环控制。
44、在一种可能的实现方式中，获取电机转速后还包括：使用低通滤波器去平滑估计的转速，以抑制微分引入的高频噪声。
45、第五方面，本发明提供了一种基于迭代锁相极限环磁链观测器的永磁同步电机控制装置，所述装置包括：
46、ipmsm数学模型模块，用于采集电机αβ轴电压、电流信号，构建αβ轴系下的ipmsm数学模型，计算得出电机反电动势矢量；
47、上述的迭代锁相极限环磁链观测器，用于将电机反电动势矢量作为输入，获取电机转子磁链信息，并根据电机转子磁链信息估计出电机转速与位置信号；
48、电机转速与位置信号传输模块，用于将迭代锁相极限环磁链观测器提取的电机转速与位置信号输入至电机闭环控制系统，实现对永磁同步电机的无位置传感器闭环控制。
49、第六方面，本发明提供了一种永磁同步电机控制系统，所述系统包括：上述的基于迭代锁相极限环磁链观测器的永磁同步电机控制装置。
50、本发明有益效果：
51、(1)本发明基于非线性极限环振荡器设计转子磁链观测器，通过设计反电动势极限环系统的唯一闭合轨迹实现电机转子磁链信息的精准观测，从而解决传统磁链观测器存在积分漂移或相位滞后的问题，并抑制直流偏置对磁链与位置观测精度的影响，可用于异步电机无位置传感器控制技术与同步磁阻电机无位置传感器控制技术。
52、(2)本发明设计了一种新型的迭代锁相环，通过转子磁链信号分区设定迭代初值补偿角，基于牛顿迭代运算通过3次迭代运算实现高精度的转子位置观测，能够避免锁相环参数的整定，提高无位置传感器控制的动态响应能力，可用于并网同步技术、异步电机无位置传感器控制技术与同步磁阻电机无位置传感器控制技术。
53、(3)本发明将极限环磁链观测器和迭代锁相环相结合，构成迭代锁相极限环磁链观测器，用于提高永磁同步电机无位置传感器控制的动态响应能力，实现高精度与低计算负担的永磁同步电机无位置传感器控制。
1.一种极限环磁链观测器，其特征在于，所述极限环磁链观测器基于极限环振荡器设计转子磁链观测器，所述极限环磁链观测器包括：
2.一种迭代锁相环，其特征在于，所述迭代锁相环基于牛顿迭代，所述迭代锁相环包括：
3.根据权利要求2所述的迭代锁相环，其特征在于，所述等效位置误差为：
4.根据权利要求2所述的迭代锁相环，其特征在于，将迭代初值与电机转子位置的差值限制在区间【-π/2,π/2】rad以内，进而提高牛顿迭代法的收敛速度，减小牛顿迭代法的计算域。
5.根据权利要求2所述的迭代锁相环，其特征在于，不同迭代次数下的计算精度通过下式计算：
6.一种迭代锁相极限环磁链观测器，其特征在于，所述迭代锁相极限环磁链观测器用于获取电机转子磁链信息，并提取电机转速与位置信号；提取的电机转速与位置信号用于输入至电机闭环控制系统，实现对永磁同步电机的无位置传感器闭环控制；所述迭代锁相极限环磁链观测器包括权利要求1所述的极限环磁链观测器和权利要求2至5任一项权利要求所述的迭代锁相环；所述极限环磁链观测器，用于获取电机转子磁链信息；所述迭代锁相环用于根据极限环磁链观测器转子磁链信息，提取电机转速与位置信息，并将转速反馈到极限环磁链观测器中。
7.一种基于迭代锁相极限环磁链观测器的永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述方法包括：
8.根据权利要求7所述的基于迭代锁相极限环磁链观测器的永磁同步电机控制方法，其特征在于，获取电机转速后还包括：使用低通滤波器去平滑估计的转速，以抑制微分引入的高频噪声。
9.一种基于迭代锁相极限环磁链观测器的永磁同步电机控制装置，其特征在于，所述装置包括：
10.一种永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述系统包括：权利要求9所述的基于迭代锁相极限环磁链观测器的永磁同步电机控制装置。
