CN103607155A - 基于旋转电流矢量的永磁同步电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气传动领域，旨在提供一种基于旋转电流矢量的永磁同步电机无位置传感器控制方法。该方法包括：设定旋转电流矢量的幅值；设定旋转电流矢量的角频率；设定永磁同步电机转子的位置角；对三相永磁同步电机的定子输出电流进行坐标变换；虚拟d-q坐标系的PI运算；坐标反变换，并经逆变器实现整个驱动；永磁同步电机的功角观测；永磁同步电机经过上述七个步骤后完成起动。本发明利用永磁同步电机在不失步的情况下，转子转速能够同步跟踪定子旋转磁场的给定频率这一固有特性。通过负载转矩角观测永磁同步电机的运行状态并对其进行控制，保证了***稳定性。本发明成本低、控制算法简单，能完美实现永磁同步电机无位置传感器的全速段运行。

Description

基于旋转电流矢量的永磁同步电机无位置传感器控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机无位置传感器控制技术，属于电气传动领域。

背景技术

与感应电机相比，永磁同步电机具有高转矩/惯量比、高功率密度、高效率等优点。永磁同步电机转子采用永磁体，无励磁电路，转子无励磁损耗和铁损，简化了转子的结构，减小了电机的转动惯量，电机的效率和功率因数较高。随着稀土永磁材料性能的不断提高，永磁同步电机控制技术的成熟，永磁同步电机在数控机床、机器人、电动车辆、航空航天等高精度控制领域，以及在风机、泵类、压缩机等领域都有了广泛的应用。

永磁同步电机的控制***需要光电编码器或旋转变压器等位置传感器来获得转子位置的实时信息，实现磁场定向，额外的传感器和电缆将提高***的成本并降低了***运行的可靠性；当位置传感器出现故障时，***将无法正常工作。对于一些对可靠性有较高要求的场合如航空航天、电动车辆、核电工程等领域要考虑无位置传感器的容错控制技术；另外一些环境比较恶劣的场合如机械震动比较大，工作环境温度过高或者空间位置有限不适宜安装位置传感器的场合，以及一些成本比较敏感的应用领域无位置传感器控制技术具有更多的优势。

基于基波模型的方法：包括直接计算法，反电动势法，定子三次谐波电压法，模型参考自适应法。这类方法对永磁电动机的参数变化较为敏感，鲁棒性差。另外，当永磁电动机静止或低速运行时，因反电动势过小或信号的信噪比较小，使得有效信号湮没或无法检测而导致检测或估算失败，因此只适用于永磁电动机中速或者高速运行时的速度和位置估算。

基于观测器的估算法：观测器的实质是一种状态重构，其原理是重新构造一个***，利用原***中可直接测量的输出信号（如定子电流）和输入信号（驱动信号和直流母线电压）作为重构***的输入信号，并使其估算信号在一定条件下等价于原***的状态等价的原则是两者的误差在动态变化中能够渐近稳定地趋近于零。通常，称估算信号为原***的状态的重构状态或估计状态，而称这个用以实现状态重构的***为观测器。目前主要采用的有非线性观测器、全阶状态观测器、降阶状态观测器、扩展卡尔曼滤波器和滑模观测器。

高频信号注入法：这种方法的基本思想是利用逆变器，对永磁电动机施以高频、低幅值的电压（电流）激励，在电动机的出线端获取电流（电压）响应信号，对获取的信号进行处理，可估算出电动机的速度和位置。这种方法的一个基本前提条件是永磁电动机具有空间的凸极（转子为凸极式）或者是磁路的凸极（Ld≠Lq），因此这种方法也称为凸极追踪法。但是随着转速的提高，电机的反电动势也将增大，该部分不能被忽略，导致估算精度随着转速的提高而降低，而且该算法只能适用于内埋式永磁同步电机。

现有的单个无位置传感器控制算法都具有一定的局限性，要么适用于永磁同步电机运行的高速段如反电动势检测法、模型参考自适应法、滑模观测器法等；或者适用于低速段如高频信号注入法等。

为了解决单个永磁同步电机无位置传感器控制方法在全速度段中所存在的高速段或者低速段观测精度较差的问题，现有的主要方法是将适合于低速段和高速段的无位置传感控制方法进行融合，采用融合无位置控制方法进行解决；现在比较多的方法是在低速段采用高频信号注入法而在中高速段采用反电动势法或模型参考自适应法；并且在中低速段实现两种算法的平滑切换控制。这将大大增加***的复杂度，并且对于***的自适应性和运行调试带来一定的困难，需要相对精确的电机参数，并且高频信号注入法要求电机具有一定的凸极性，对于隐极永磁同步电机将不在适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种基于旋转电流矢量的永磁同步电机无位置传感器控制方法。

为解决技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种基于旋转电流矢量的永磁同步电机无位置传感器控制方法，通过以下步骤实现永磁同步电机的起动：

（1）设定旋转电流矢量的幅值；

设定i_{q_ref}=1.2×I_N；i_{d_ref}=0；

式中各符号：i_{q_ref}为q轴电流给定值，单位为安培；I_N为额定电流值，单位为安培；i_{d_ref}为d轴电流给定值，单位为安培；

（2）按下述任意一种方式设定旋转电流矢量的角频率ω_e，

阶跃方式：ω_e=常数；该常数的取值范围是0≤ω_e≤ω_N；ω_N为电机的额定频率

斜坡方式：ω_e=k₁×t；k₁的的取值范围是k₁>0；

加速度方式：ω_e=k₂×t²；k₂的的取值范围是k₂>0；

上述各式中t为旋转电流矢量角频率的加速运行时间，单位为秒；

（3）设定永磁同步电机转子的位置角θ_e，θ_e=∫ω_edt；

（4）对三相永磁同步电机的定子输出电流进行坐标变换；

将采样得到的三相永磁同步电机的定子电流进行CLARK变换，得到两相α-β静止坐标系下的电流值i_α、i_β；然后进行PARK变换，其中用来定相的角度采用步骤（3）中所得到的位置角θ_e；建立虚拟d-q坐标系，最终得到步骤（3）位置角θ_e在虚拟坐标系上定相的值i_d、i_q；

（5）虚拟d-q坐标系的PI运算；

将在虚拟d-q坐标系下的电流给定值与实际反馈值进行比较，并进行PI运算；输出在虚拟d-q坐标系下的电压给定值Ud、Uq；

（6）坐标反变换，并经逆变器实现整个驱动；

将在虚拟d-q坐标系下的电压给定值Ud、Uq进行park反变换，得到在两相α-β静止坐标系下的电压给定值u_α、u_β，并经SVPWM调制得到驱动器的六个驱动信号，实现电压调制；

（7）永磁同步电机的功角观测；

在两相α-β静止坐标系中对永磁同步电机的功角进行观测，对步骤（4）、（6）中所得到的i_α、i_β、u_α、u_β进行计算，得到在两相α-β静止坐标下的旋转磁链ψ_α、ψ_β的值；再采用下式求解得到功角θ_T：

${\mathrm{\θ}}_T=\mathrm{arc}\tan \left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\β}}-L_s(i_{\mathrm{\α}}^2+i_{\mathrm{\β}}^2)}\right)$

该式中，L_s为永磁同步电机的自感，单位为H；

永磁同步电机经过上述七个步骤后完成起动。

本发明中，还包括在永磁同步电机完成起动并进入稳态运行后，对永磁同步电机功角的进行控制；

（1）设定永磁同步电机稳态运行时的功角值θ_{T_ref}；

对于表贴式永磁同步电机，最佳效率点在θ_{T_max}=90；

对于内埋式的永磁同步电机，最佳效率点在

${\mathrm{\θ}}_{T\_\max }=\arccos \left\{\frac{X-\sqrt{X^2+8}}{4}\right\}$

其中

该角度值一般在90-120度之间；

式中，其中ψ_f为永磁体磁链，单位为Wb；L_q为q轴电感，单位为H；L_d为d轴电感，单位为H；i_s为旋转电流矢量幅值，单位为安培。

（2）稳态运行时切入永磁同步电机功角的调节；

切换到功角的动态PI调节状态；将所述检测到的功角值θ_T作为反馈量，与稳态运行时永磁同步电机的功角设定值θ_{T_ref}进行比较，经PI运算后作为q轴电流初始设定值i_{q_ref}的补偿值i_{q_com}；经过动态调节后，***将稳定运行在设定功角上。

（3）稳态运行时切出永磁同步电机功角的调节

***稳定运行于设定的功角上之后，以功角的变动范围作为判断依据设置环宽h；当功角脉动绝对值在环宽以内时，则认为***稳定；PI控制器输出一个稳定的q轴电流补偿值i_{q_com}，将其补偿值与初始设定值相加作为q轴电流新的给定值；即

i_{q_ref_new}=i_{q_ref}+i_{q_com}

切换到功角动态PI调节状态，永磁同步电机控制***运行于频率它控的方式；

（4）负载转矩突变时的动态调节过程

当永磁同步电机在频率它控运行中负载发生波动时，功角调节能使***重新稳定；但是当永磁同步电机发生负载转矩较大突变以至于功角的调节值超出步骤（3）设置的环宽时，为了保证永磁同步电机运行的稳定性和可靠性，***将切换回到功角的动态调节过程，重复步骤（2）和（3）；

所述永磁同步电机的稳态运行是指功角的变动范围小于设定的环宽。

本发明中，由于三相永磁同步电机控制***的最佳效率点同时也是永磁同步电机它控运行时的边界稳定点，为了兼顾***的效率和稳定性，保留5度的稳定余量来确定功角θ_{T_ref}的参考值。

本发明中，采用旋转电流矢量的永磁同步电机无位置传感器控制方法主要包括以下几个部分：（A）由旋转电流矢量生成部分，主要用来产生幅值恒定的角度按一定规律变化的旋转电流矢量；（B）永磁同步电机负载转矩角的观测算法，该算法用来观测永磁同步电机的功角，用于判定永磁同步电机的运行状态；（C）永磁同步电机的功角的控制部分；（D）永磁同步电机功角控制的切换控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

该控制方法利用永磁同步电机在不失步的情况下，转子转速能够同步跟踪定子旋转磁场的给定频率这一固有特性。通过负载转矩角观测永磁同步电机的运行状态，并对其进行控制，保证了***的稳定性。本发明成本低、控制算法简单，能完美实现永磁同步电机无位置传感器的全速段运行。

附图说明

图1三相永磁同步电机矢量关系图；

图2基于旋转电流矢量的三相永磁同步电机无位置传感器的***框图；

图3三相永磁同步电机功角观测算法框图。

具体实施方式

一、旋转电流矢量无位置起动的数学模型

下面将结合附图对本发明的技术作进一步说明，由永磁同步电机的转矩方程可知：

$T_e=\frac{3}{2}{n}_p[{\mathrm{\ψ}}_f{i}_q+(L_d-L_q)i_d{i}_q]---\left(1\right)$

假设所采用的永磁同步电机为表贴示永磁同步电机，即

L_d=L_q, $K_T=\frac{3}{2}{n}_p{\mathrm{\ψ}}_f$

则，永磁同步电机的电磁转矩为

T_e=K_Ti_q=K_TI_ssin(θ_ed)      (2)

电机的机械运动方程为：

$T_e-T_L=J\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

永磁同步电机起动时的初始状态为：

T_e0=K_TI_ssin(θ₀)=T_L0      (4)

θ₀=arcsin(T_L0/K_TI_s)      (5)

θ_T=θ₀+θ_ei      (6)

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ei}}={\∫}_0^t({\mathrm{\ω}}_e-{\mathrm{\ω}}_r)\mathrm{dt}---\left(7\right)$

永磁同步电机完成加速的终止状态：

T_eend=K_TI_ssin(θ_end)=T_Lend      (8)

θ_end=arcsin(T_Lend/K_TI_s)      (9)

其中的参数：

θ_T将旋转电流矢量I_s与d轴的夹角定义为功角；

θ₀为电磁转矩与初始负载转矩相等时刻，旋转电流矢量I_s与d轴的夹角

θ_end为加速完成时刻，电磁转矩与负载转矩相等时刻，旋转电流矢量I_s与d轴的夹角(如果为恒负载转矩，θ_end=θ₀)

θ_ei为转子开始转动后，旋转电流矢量I_s与d轴夹角的增加量

ω_r为永磁同步电机的转子速度

ω_e为旋转电流矢量的角速度值

采用旋转电流矢量永磁同步电机正常起动的条件为：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ei}}={\∫}_0^{t_{\mathrm{end}}}({\mathrm{\ω}}_e-{\mathrm{\ω}}_r)\mathrm{dt}=\mathrm{\π}-{\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{end}}---\left(10\right)$

此时，转子速度ω_r(tend)≥ω_e(tend)，其中的临界条件为ω_r(tend)=ω_e(tend)

即只要满足上述方程的条件，在不需要位置观测的情况下，永磁同步电机就可以完成起动。

其中的旋转电流矢量角频率的给定方式主要有以下三种方式：

第一种：阶跃方式ω_e=常数；      (11)

第二种：斜坡方式ω_e=k₁gt；      (12)

第三种：加速度方式ω_e=k₂gt²；      (13)

二、实施步骤

本发明为解决永磁同步电机全速度段无位置传感器起动采用以下技术方案，设计了一种基于旋转电流矢量的无位置起动方式，其具体实施步骤如下:

步骤1：设定旋转电流矢量的幅值；

如图2中所示，设定

i_{q_ref}=1.2×I_N

i_{d_ref}=0

该部分将电流给定值设定为额定电流的1.2倍，原因在于驱动器对于所驱动的电机在额定负载工作时都会留有足够的安全余量，而1.2倍可以保证驱动器安全可靠工作的同时，保证电机起动能够适应额定负载以下的各种类型负载，并保证有快速的加速性能；实际实现过程中参数值1.2可以根据实际负载类型情况和驱动器情况进行调节。

步骤2：设定旋转电流矢量的角频率，其设定的主要方式有以下三种方式；

第一种：阶跃方式ω_e=常数；      (11)

第二种：斜坡方式ω_e=k₁gt；      (12)

第三种：加速度方式ω_e=k₂gt²；      (13)

步骤3：设定永磁同步电机转子的位置角；

θ_e=∫ω_edt      (14)

步骤4：对三相永磁同步电机的定子输出电流进行坐标变换；

将采样得到三相永磁同步电机的定子电流进行CLARK变换得到在两相α-β静止坐标系下的电流值i_α、i_β；并进行PARK变换，其中用来定相的角度采用步骤3中所得到的电角度值，建立虚拟d-q坐标系，最终得到在步骤3θ_e虚拟坐标系上定相的值i_d、i_q。

步骤5：虚拟d-q坐标系的PI运算；

将在虚拟d-q坐标系下的电流给定值与实际反馈值进行比较并经PI运算；输出在虚拟d-q坐标系下的电压给定值Ud、Uq。

步骤6：坐标反变换，并经逆变器实现整个驱动；

将在虚拟d-q坐标系下的电压给定值Ud、Uq进行park反变换得到在两相α-β静止坐标系下电压给定值u_α、u_β，并经SVPWM调制得到驱动器6个驱动信号，实现电压调制。

步骤7：永磁同步电机的功角观测；

在两相静止坐标系中对永磁同步电机的功角进行观测，如图3所示，将步骤4和步骤6中所得到的u_α、u_β、i_α、i_β进行计算，得到在两相静止坐标下的旋转磁链ψ_α、ψ_β的值；在采用式15求解出功角。

${\mathrm{\θ}}_T=\mathrm{arc}\tan \left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\β}}-L_s(i_{\mathrm{\α}}^2+i_{\mathrm{\β}}^2)}\right)---\left(15\right)$

步骤8：永磁同步电机功角的控制；

当永磁同步电机经过上述七个步骤完成起动，并进入稳态运行后，由于起动时初始设定的永磁同步电机的起动电流设定值比较大；永磁同步电机起动完成后稳态运行时，功角较小，***运行的效率较低，为了优化运行效率进行功角控制，使***在较高效率点上运行。

8.1永磁同步电机稳态运行时的功角值θ_{T_ref}设定；

对于表贴式永磁同步电机最佳效率点在θ_{T_ref}=90，而对于内埋式的永磁同步电机，最佳效率点在

${\mathrm{\θ}}_{T\_\mathrm{ref}}=\arccos \left\{\frac{X-\sqrt{X^2+8}}{4}\right\}---\left(16\right)$

其中一般该角度值在90-120度之间。

由于三相永磁同步电机控制***的最佳效率点同时也是永磁同步电机它控运行时的边界稳定点，为了兼顾***的效率和稳定性，可以留5度左右的稳定余量来确定功角的参考值。

8.2稳态运行时切入永磁同步电机功角的调节

合上开关S1，切换到功角的动态PI调节；将步骤7中所检测到的功角值作为反馈量与稳态运行时永磁同步电机的功角设定值进行比较，经PI运算后作为q轴电流初始设定值i_{q_ref}的补偿值i_{q_com}，经过动态调节后，***将稳定运行在设定功角上。

8.3稳态运行时切出永磁同步电机功角的调节

当完成步骤8.2时，***稳定运行于设定的功角上；以功角的变动范围作为判断依据，可以设置环宽h，当功角脉动绝对值在环宽以内时，则认为***稳定；PI控制器会输出一个稳定的q轴电流补偿值i_{q_com}，将其补偿值与初始设定值相加作为q轴电流新的给定值；

i_{q_ref_new}=i_{q_ref}+i_{q_com}      (17)

并断开开关S1，切出功角动态PI调节，永磁同步电机控制***运行于频率它控的方式。

8.4负载转矩突变时的动态调节过程

当永磁同步电机在频率它控运行中负载发生小的波动时，功角在小范围内的调节就可以使***重新稳定；但是当永磁同步电机发生负载转矩较大突变，功角的调节值超出步骤8.3设置的环宽时，为了保证永磁同步电机运行的稳定性和可靠性，***将切换回到功角的动态调节过程，重复步骤8.2和8.3。

Claims (3)

1.基于旋转电流矢量的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，通过以下步骤实现永磁同步电机的起动：

（1）设定旋转电流矢量的幅值；

设定i_{q_ref}=1.2×I_N；i_{d_ref}=0；

式中各符号：i_{q_ref}为q轴电流给定值，I_N为额定电流值，i_{d_ref}为d轴电流给定值，单位均为安培；

（2）按下述任意一种方式设定旋转电流矢量的角频率ω_e，

阶跃方式：ω_e=常数；该常数的取值范围是0≤ω_e≤ω_N；ω_N为电机的额定频率；

斜坡方式：ω_e=k₁×t；k₁的的取值范围是k₁>0；

加速度方式：ω_e=k₂×t²；k₂的的取值范围是k₂>0；

上述各式中t为旋转电流矢量角频率的加速运行时间，单位为秒；

（3）设定永磁同步电机转子的位置角θ_e，θ_e=∫ω_edt；

（4）对三相永磁同步电机的定子输出电流进行坐标变换；

将采样得到的三相永磁同步电机的定子电流进行CLARK变换，得到两相α-β静止坐标系下的电流值i_α、i_β；然后进行PARK变换，其中用来定相的角度采用步骤（3）中所得到的位置角θ_e；建立虚拟d-q坐标系，最终得到步骤（3）位置角θ_e在虚拟坐标系上定相的值i_d、i_q；

（5）虚拟d-q坐标系的PI运算；

将在虚拟d-q坐标系下的电流给定值与实际反馈值进行比较，并进行PI运算；输出在虚拟d-q坐标系下的电压给定值Ud、Uq；

（6）坐标反变换，并经逆变器实现整个驱动；

将在虚拟d-q坐标系下的电压给定值Ud、Uq进行park反变换，得到在两相α-β静止坐标系下的电压给定值u_α、u_β，并经SVPWM调制得到驱动器的六个驱动信号，实现电压调制；

（7）永磁同步电机的功角观测；

在两相α-β静止坐标系中对永磁同步电机的功角进行观测，对步骤（4）、（6）中所得到的i_α、i_β、u_α、u_β进行计算，得到在两相α-β静止坐标下的旋转磁链ψ_α、ψ_β的值；再采用下式求解得到功角θ_T：

${\mathrm{\θ}}_T=\mathrm{arc}\tan \left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\α}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}{i}_{\mathrm{\α}}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}{i}_{\mathrm{\β}}-L_s(i_{\mathrm{\α}}^2+i_{\mathrm{\β}}^2)}\right)$

该式中，L_s为永磁同步电机的自感，单位为H；

永磁同步电机经过上述七个步骤后完成起动。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在永磁同步电机完成起动并进入稳态运行后，对永磁同步电机功角的进行控制；

（1）设定永磁同步电机稳态运行时的功角值θ_{T_ref}；

对于表贴式永磁同步电机，最佳效率点在θ_{T_max}=90；

对于内埋式的永磁同步电机，最佳效率点在

${\mathrm{\θ}}_{T\_\max }=\arccos \left\{\frac{X-\sqrt{X^2+8}}{4}\right\}$

其中

该角度值在90-120度之间；

式中，ψ_f为永磁体磁链，单位为Wb；L_q为q轴电感，单位为H；L_d为d轴电感，单位为H；i_s为旋转电流矢量幅值，单位为安培；

（2）稳态运行时切入永磁同步电机功角的调节；

切换到功角的动态PI调节状态；将所述检测到的功角值θ_T作为反馈量，与稳态运行时永磁同步电机的功角设定值θ_{T_ref}进行比较，经PI运算后作为q轴电流初始设定值i_{q_ref}的补偿值i_{q_com}；经过动态调节后，***将稳定运行在设定功角上；

（3）稳态运行时切出永磁同步电机功角的调节

***稳定运行于设定的功角上之后，以功角的变动范围作为判断依据设置环宽h；当功角脉动绝对值在环宽以内时，则认为***稳定；PI控制器输出一个稳定的q轴电流补偿值i_{q_com}，将其补偿值与初始设定值相加作为q轴电流新的给定值；即

i_{q_ref_new}=i_{q_ref}+i_{q_com}

切换到功角动态PI调节状态，永磁同步电机控制***运行于频率它控的方式；

（4）负载转矩突变时的动态调节过程

当永磁同步电机在频率它控运行中负载发生波动时，功角调节能使***重新稳定；但是当永磁同步电机发生负载转矩较大突变以至于功角的调节值超出步骤（3）设置的环宽时，为了保证永磁同步电机运行的稳定性和可靠性，***将切换回到功角的动态调节过程，重复步骤（2）和（3）；

所述永磁同步电机的稳态运行是指功角的变动范围小于设定的环宽。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定功角θ_{T_ref}的参考值时，保留5度的稳定余量。

Images